余隙容積無級調節技術在往復式壓縮機中的應用

李國紅，賈正首，薛忠峰，邱麗靜

(中石化南陽能源化工有限公司，河南 南陽 473231)

余隙容積無級調節技術在往復式壓縮機中的應用

李國紅，賈正首，薛忠峰，邱麗靜

(中石化南陽能源化工有限公司，河南 南陽 473231)

針對汽油加氫裝置工藝操作條件變化導致新氫壓縮機及循環氫壓縮機的實際工況與原設計工況發生較大偏離的問題，選擇應用余隙容積無級調節技術對往復式壓縮機進行改造，改造后，機組運行平穩，節能效果明顯。

往復壓縮機 ; 余隙容積 ; 無級調節 ; 節能

0 引言

往復壓縮機在石油化工領域有著廣泛的應用，它屬于容積式壓縮機，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間以提高靜壓力的設備[1]。往復式壓縮機在高參數、低相對分子質量氣體等輸送場合，尤其在煉油企業的應用是其他類型壓縮機所不能替代的[2]。

實際生產中，隨著煉油裝置生產指標的調整，入口條件的改變(如介質組分、入口壓力、溫度等)、工藝流程或耗氣設備的需求量改變，當耗氣量小于壓縮機的排氣量時，便需要對壓縮機進行氣量調節，以使壓縮機的排氣量適應耗氣量的要求，保持管網壓力穩定。往復壓縮機的額定設計流量與實際需求的流量往往存在著很大的差異，這就造成了能源的大量浪費，不利于節約成本。因此，對往復式壓縮機排氣量和排氣壓力進行調節控制，有利于往復壓縮機的高效運轉。

目前往復壓縮機的節能技術主要有旁通流量調節、變頻器調節、頂開吸氣閥調節、余隙容積無級調節等幾種[3]。其中旁通流量調節節能效果差，變頻器調節在低排氣量工況下會對機組本體及排氣閥的性能產生較大的影響，頂開吸氣閥調節執行機構復雜且運行維護成本較高；而余隙容積無級調節改造成本低、運行維護簡單可靠、節能效果顯著，并且能夠改善機組的運行狀態，降低運行風險。本文介紹了利用余隙容積無級調節技術對往復式壓縮機進行節能改造的有關情況。

1 改造前的設備概況及存在問題

中石化南陽能源化工有限公司Hydro-GAP汽油加氫裝置的新氫壓縮機及循環氫壓縮機為往復式，由無錫壓縮機股份有限公司制造，兩者的主要技術參數見表1。

表1 壓縮機主要技術參數表

生產過程中，由于進料量下降及反應條件變化，反應需要的氫氣量由825 Nm3/h降為500 Nm3/h。為滿足反應所需氫量，制氫裝置隨之降低氫氣產量，但氫氣流量遠小于新氫壓縮機的設計流量，由于沒有流量調節手段，導致氫氣入口緩沖罐的壓力由1.0 MPa降至0.4 MPa，新氫壓縮機的壓縮比偏離原設計，新氫壓縮機能耗加大。因此，有必要增設流量調節，以降低壓縮機能耗及氫氣緩沖罐到壓縮機入口之間的壓力能損失。

就循環氫壓縮機而言，由于工藝變化，與原設計相比，反應進料量從8 750 kg/h降至5 000 kg/h，在維持氫油體積比(350∶1)不變的情況下，需要的循環氫量減少約1 823m3/h；冷氫量從原來的4 000m3/h降至1 600m3/h，需要的循環氫量減少2 400m3/h左右，兩者合計循環氫量減少4 200m3/h左右；但由于同樣缺少流量調節手段，導致循環氫壓縮機一直按原設計流量運轉，超過裝置正常生產所需的氫油比，造成壓縮機能耗高于實際需求，裝置的加熱及冷卻負荷偏大，導致裝置生產成本增加。故現有壓縮機流量過大，必須進行改造。

2 改造情況

由于工藝調整，循環氫壓縮機和新氫壓縮機壓縮機排氣量富裕量約40%，導致循環氫壓縮機循環量過大造成能耗浪費，新氫壓縮機依靠降低入口壓力適應管網要求，新氫壓縮機的壓縮比提高，增大了新氫壓縮機能耗。為降低循環氫壓縮機流量，恢復新氫機入口工況，以降低壓縮機運行電耗，從而降低裝置能耗，決定對循環氫和新氫各1臺壓縮機的進出口氣缸增設余隙自動無級調節系統。

2.1 余隙容積無級調節系統的工作原理

圖1 存在余隙Vc的示意圖和示功圖

圖1為壓縮機存在固定余隙Vc的示意圖和理想氣體示功圖。圖中，橫坐標V表示氣缸容積變化，縱坐標p表示氣缸壓力變化，p1、p2分別是進、排氣壓力。

在圖1中，1-2-3-4表示存在余隙容積Vc時全排氣的循環圖。由于有余隙容積Vc的存在，使工作活塞在右行之初，因留存在余隙容積Vc內的氣體壓力大于進氣管道的壓力而不能吸入氣體，直到活塞右行到位置4時，氣缸內氣體體積由Vc膨脹到V4、壓力由p2下降到p1時才開始進氣。1-2-3-4-1包圍的面積即為一個往復行程需要的功。

圖2為壓縮機在固定余隙容積由Vc增加到Vc′的示意圖和理想氣體示功圖。對比圖1、圖2可以看出，余隙由Vc增大Vc′后，進氣量由原來的Vs-V4變為Vs-V4′，排氣量和所需要的能耗均明顯減小。如果壓縮機的余隙連續可調，則壓縮機的排氣量和能耗也連續可調。

圖2 存在余隙Vc′示意圖和示功圖

自動余隙調節控制系統是在固定余隙腔調節的基礎上，將固定余隙腔改變成余隙容積連續可調的調節方法，取消控制輔助余隙腔與氣缸之間的聯接的氣動閥，余隙腔與外側氣缸直接相通并與智能控制系統結合在一起，實現對氣量自動實時的控制，對雙作用氣缸來說，采用比較普通的電液控制設施就可實現壓縮機排氣量55%～100%無級調節?？烧{余隙調節裝置由PLC或DCS控制，實現對氣量自動實時的控制。

2.2 余隙容積無級調節系統組成

余隙容積無級調節系統由一、二級無級調節余隙缸、液壓油控制系統、儀表與電氣控制系統組成，如圖3所示。控制系統可以根據主控變量或通過手動給定參數，通過可編程控制器(PLC)、電磁換向閥、位移傳感器、伺服油缸組成的電液位置控制系統，使余隙活塞按輸入信號作直線位移，從而實現各氣缸余隙容積變化的伺服控制，最終實現壓縮機排氣量和級間壓縮比的控制。

圖3 系統基本組成圖

2.2.1 執行機構

執行機構是采用余隙無級調節執行機構專利技術(專利號ZL2010 2 0630620.0)設計的，執行機構由余隙氣缸、余隙活塞、油缸、油活塞及位置傳感器等組成。

2.2.2 液壓系統與控制系統

液壓系統由電動油泵、電磁閥、壓力變送器、液位開關、過濾器、油箱等部件組成，而控制系統由PLC和顯示器等組成，提供系統內部和用戶系統之間的信號交換、處理功能。

2.2.3 泄漏檢測及保護系統

為了確保系統的可靠，系統設置有泄漏檢測及保護系統，確保氣體不會泄漏到液壓系統和液壓系統的液體不會進入壓縮機氣缸。

2.3 改造內容

2.3.1 在原缸蓋處安裝余隙調節機構

為達到通過余隙無級調節實現壓縮機氣量的無級調節和級間壓力的自動調節，兩臺壓縮機的所有原缸蓋部分拆除，加裝余隙調節執行機構。

2.3.2 現場安裝電液控制柜

兩臺壓縮機共用一套控制系統，電液控制柜已經集成控制系統、液壓系統和泄漏檢測系統。

2.3.3 控制回路及工藝管線

新增流量控制回路共2路，報警回路共3路；新增液壓油泵至壓縮機進出口氣缸的液壓油管線及漏液線；新增余隙氣排氣管線及現場排空。

3 改造后的效果

改造后，汽油加氫裝置的兩臺壓縮機可根據生產負荷進行自動調節，取得了下述效果。

循環氫壓縮機能根據確認的主控變量對壓縮機的排氣量進行控制，在原有氣量55%～80%的范圍內自動和手動無級調節，生產過程中，當氣量為60%時，循環氫壓縮機電流由原來的31 A下降到26 A，節能約16%。

新氫壓縮機能根據確認的主控變量對壓縮機的排氣量和級間壓力進行控制，能實現原有氣量55%～100%的自動和手動無級調節，當氣量為60%時，新氫壓縮機油電流由原來113 A下降到96 A，節能約15%。

壓縮機始終運行在最佳狀態，能實現調節范圍內排氣量與指示功成正比，有效降低能耗，兩臺機組全年約節約電耗約60×104kW·h。

新氫壓縮機壓縮比降低后，壓縮機夏天的排氣溫度由原來的115 ℃降至95 ℃左右，提高了機組的運行性能，降低了運行風險。

余隙容積無級調節系統投資和維護費用較低、操作簡單、運行平穩、節能效果顯著，能夠有效地改善機組的運行性能，有較好的推廣應用前景。

2017-01-21

李國紅(1965-)，男，高級工程師，從事煉油工藝技術管理工作，電話：13837736885。

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1003-3467(2017)04-0034-03