連續(xù)重整裝置氫氣增壓機余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)應用

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(1.中國石油化工股份有限公司 濟南分公司，山東 濟南 250101；2.山東潤澤化工有限公司，山東 東明 274500；3.山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司，山東 濟南 250101)

大型壓縮機組是石油化工過程裝置中的關鍵設備，承擔著壓縮并輸送工藝介質(zhì)的任務，其消耗的電能超過整個裝置耗電量的30%。目前國內(nèi)石化行業(yè)的平均能效與國際先進水平相比，普遍存在10%～30%的差距，節(jié)能潛力巨大[1-2]。

往復式壓縮機的額定排氣量一般根據(jù)裝置所需的最大流量確定，但很多場合下要求降低壓縮機的排氣量以滿足工藝上的需要[3]。排氣量的調(diào)節(jié)手段直接影響壓縮機的功耗及節(jié)能，傳統(tǒng)氣量調(diào)節(jié)方式主要有旁路回流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、卸荷調(diào)節(jié)以及余隙調(diào)節(jié)等[3-4]。

旁路回流調(diào)節(jié)是使多余氣體經(jīng)旁路返回進氣腔，目前國內(nèi)石化裝置往復式壓縮機中普遍采用旁路回流調(diào)節(jié)方法，該方法操作簡單、易于安裝，但壓縮機仍滿負荷工作，不節(jié)能，而且還需要消耗大量的循環(huán)冷卻水。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排氣量，低轉(zhuǎn)速時容易產(chǎn)生氣閥顫動、潤滑不充分等問題，不適用于大功率電機驅(qū)動的大型壓縮機組。卸荷調(diào)節(jié)是使氣缸進氣閥處于卸荷狀態(tài)，從而實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，如Hoerbiger公司應用部分行程頂開進氣閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)HydroCOM，可以實現(xiàn)氣量在10%～100%無級調(diào)節(jié)[5-6]，但該系統(tǒng)有5%左右的氣體阻力損失，節(jié)能效率在95%以下。實際生產(chǎn)中，往復式壓縮機在負荷的60%以下的應用極少，而且采用該壓開進氣閥調(diào)節(jié)時氣閥的維修、更換頻繁，后期運行維護費用也比較高。余隙調(diào)節(jié)通過在氣缸頭加裝附加調(diào)節(jié)裝置改變氣缸的余隙容積，從而改變壓縮機的吸氣量，實際應用中分為固定余隙調(diào)節(jié)和可變余隙調(diào)節(jié)。可變余隙調(diào)節(jié)裝置經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，結(jié)構(gòu)日趨完善，可以實現(xiàn)自動實時控制和無級氣量調(diào)節(jié)[7-9]。

文中針對連續(xù)重整裝置氫氣增壓機(簡稱氫壓機)K-202/C進行余隙無級調(diào)節(jié)改造，并進行了測試標定及第三方節(jié)能效果測量和驗證。改造后氫壓機K-202/C運行節(jié)能效果較好，達到了降低運行成本、節(jié)能降耗的目的[10]。

1 氫壓機K-202/C改造應用背景

氫壓機K-202型號為4M50-180/2.4-8-66/7.5-22.5-BX，是中石化濟南分公司60萬 t/a連續(xù)重整裝置中的關鍵設備之一，其作用是把裝置生產(chǎn)中產(chǎn)生的氫氣通過2級增壓的方式送到氫氣管網(wǎng)。正常生產(chǎn)中，氫壓機K-202的振動較大，在1臺滿足生產(chǎn)需要的情況下，受裝置生產(chǎn)的安全環(huán)保要求和設備可靠性局限性等因素影響，往往都是2臺運行，1臺100%負荷，1臺采用HydroCOM無級調(diào)量控制，這樣就造成了壓縮機實際做功與實際所需負荷不匹配的情況，降低了壓縮機的實際效率，增加了能耗和運行成本。

為了保證生產(chǎn)安全環(huán)保的同時還可節(jié)能降耗，在氫壓機K-202/C上采用了山東易陽石化節(jié)能裝備有限公司開發(fā)的余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能系統(tǒng)YY-EEA-ACCV2.4，即對壓縮機機組增加1套可變余隙容積調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)，實現(xiàn)氣量60%～100%的無級調(diào)節(jié)[10-11]。

2 余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)構(gòu)成

往復式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)是采用將原始固定余隙改變成余隙容積連續(xù)可調(diào)的調(diào)節(jié)方法，主要改造措施是將壓縮機氣缸蓋更換為余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)可調(diào)余隙缸體與壓縮機氣缸直接相通并形成可調(diào)余隙容積腔。該余隙容積腔無氣體阻力損失，還可改善壓縮機運行環(huán)境并降低壓縮機活塞力。余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)主要包括執(zhí)行系統(tǒng)、液控系統(tǒng)、泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和電儀自控系統(tǒng)4個子系統(tǒng)，見圖1。

執(zhí)行系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動方式，主要包括余隙腔、監(jiān)測腔、冷卻腔和液壓驅(qū)動腔等。其中，余隙腔由氣活塞(亦稱余隙活塞)、氣缸筒和活塞桿等組成，監(jiān)測腔由氣缸筒、氣活塞和監(jiān)測腔筒等組成，冷卻腔則由中間端蓋、氣缸筒、監(jiān)測腔筒和氣活塞等組成，液壓驅(qū)動腔則由中間端蓋、油活塞、液壓缸筒和油缸端蓋等組成[12-14]。

液控系統(tǒng)主要由油箱、油泵、儲能器、電機、換向閥組及電磁閥組等組成[15-16]。

電儀自控系統(tǒng)是由可編程邏輯控制器、AD/DA模塊、位移傳感器以及控制邏輯程序等組成，可以根據(jù)主控變量或者通過手動給定參數(shù)來調(diào)節(jié)控制液壓油壓力，進而調(diào)節(jié)余隙活塞的位置，亦即調(diào)節(jié)余隙容積的大小，從而最終實現(xiàn)壓縮機排氣量和級間壓縮比的控制[17]。

泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的功能是監(jiān)測氣活塞密封組件是否失效，其組成包括執(zhí)行系統(tǒng)余隙缸腔、泄漏監(jiān)測裝置和低壓瓦斯排放罐等[18]。

圖1 往復式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)組成示圖

3 余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)節(jié)能效果

3.1 節(jié)能效果測試標定方案

在裝置進料量、反應條件和再接觸系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的情況下，氫氣外送量保持穩(wěn)定。在確保裝置生產(chǎn)平穩(wěn)的前提下，將K-202/C氫壓機排氣量負荷分別調(diào)節(jié)至60%、70%、80%、90%及100%，標定各負荷下機組的運行功率，并考查機組各運行參數(shù)變化。

考慮到再接觸系統(tǒng)控制的特殊性，采用機組標定前雙機運行不做調(diào)整的方式，即K-202/C在60%余隙負荷、K-202/A在HydroCOM系統(tǒng)65%負荷的情況下，逐漸提高K-202/C的負荷，之后在保證系統(tǒng)壓力不變化、不波動的前提下，逐漸降低K-202/A的負荷，最終達到K-202/C負荷100%，完成測試標定。

3.2 節(jié)能效果

氫壓機K-202/C采用額定功率3 000 kW的電機驅(qū)動，標定得到的K-202/C在不同余隙負荷下的電流和功率見表1，由功率的變化可以直接計算出改造方案的節(jié)能效果[10-11]。

表1 不同余隙負荷下氫壓機K-202/C標定參數(shù)

從表1中所列的標定數(shù)據(jù)來看，增設余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)之后氫壓機的節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟價值可觀。當氣量負荷為60%時，功率消耗下降為2 818-1 888=930(kW)，節(jié)能率達到33%。根據(jù)加工量的要求，需要K-202/C運行的氣量負荷在60%～65%變化。則增加余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)后，按照節(jié)能930 kW計算，每天的節(jié)電量為22 320 kW·h。按照每年運行8 000 h估算，每年節(jié)電量為744萬kW·h。按照電費0.65元/(kW·h)計算，節(jié)約電費483.6萬元/a。此外，每年節(jié)能量(折標煤)為2 529.6 t/a，每年二氧化碳減排量為6 678.144 t/a。

需要指出的是，以上節(jié)能標定和計算，均未計入關閉旁路調(diào)節(jié)后節(jié)約的級間冷卻器中循環(huán)冷卻水的費用。

3.3 節(jié)能技術(shù)評價

經(jīng)現(xiàn)場實際應用余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)，其具有以下主要性能特點：①壓縮機負荷調(diào)節(jié)范圍適宜，可在60%～100%負荷內(nèi)實現(xiàn)伺服無級調(diào)節(jié)，氣量調(diào)節(jié)靈活可靠。②節(jié)能效果極其顯著，節(jié)能率達33%。系統(tǒng)自身能耗遠低于部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)。③壓縮機的啟停、加載或減載，均平穩(wěn)、無沖擊[19]，原有振動和噪聲明顯下降，得到了較好的控制和改善。④余隙調(diào)節(jié)的特有性能降低了壓縮機曲軸和連桿等主要部件的摩擦力，減輕了其磨損程度，延長了壓縮機和主電機的使用壽命。⑤系統(tǒng)運行、維護費用極低，材料維護費用每年不到2萬元，遠低于部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)的維護費用。⑥系統(tǒng)采用多種操作模式控制技術(shù)，實現(xiàn)了不停機維修余隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)，優(yōu)于部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)技術(shù)。⑦余隙調(diào)節(jié)參數(shù)設置靈活，系統(tǒng)控制簡單、高效。⑧系統(tǒng)節(jié)能改造簡單，安裝施工簡便，安全可靠，性價比高，投資回收期較短。

4 結(jié)語

余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)系統(tǒng)投用后，氫壓機K-202/C負荷可以在60%～100%實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，避免了原結(jié)構(gòu)中頻繁調(diào)整旁路調(diào)節(jié)閥帶來的管網(wǎng)壓力波動大、輸出氣量不穩(wěn)定等弊端，優(yōu)化了系統(tǒng)操作，對于壓縮機的控制更趨合理，實現(xiàn)了壓縮機平穩(wěn)操作，降低了壓縮機原有的振動和噪聲，輸出氣量穩(wěn)定，改善了壓縮機運行環(huán)境，降低了壓縮機曲軸、連桿等的摩擦力，延長了往復件的使用壽命，減少了運行和維護費用，經(jīng)測試標定各項狀態(tài)參數(shù)更穩(wěn)定。

余隙無級調(diào)節(jié)氣量系統(tǒng)在氫壓機K-202/C上投用后節(jié)能效果顯著[19]，同時可降低級間冷卻器的負荷，節(jié)約大量冷卻水的消耗，經(jīng)濟效益和社會效益突出，達到了技術(shù)改造的預期目標。