氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)電效果研究

文_盧江波 馮坤 北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司

活塞壓縮機是依靠活塞在氣缸內(nèi)的往復運動實現(xiàn)氣體增壓和輸送氣體的壓縮機，是煤化工、石化企業(yè)核心的設備，這種壓縮機具備壓力高、而且穩(wěn)定，在加氫裝置中應用十分廣泛。在生產(chǎn)條件正常情況下，活塞壓縮機出口流量是基本不變的，但是由于生產(chǎn)需要，生產(chǎn)單位的工藝需求經(jīng)常變動，生產(chǎn)單位的用氣量就會有變化，因此壓縮機在使用過程中往往要滿足不同工況的流量要求。當生產(chǎn)單位的工藝下游需要的氣量小于壓縮機實際排出的氣量時，必需對壓縮機的排氣量開展調(diào)節(jié)，使壓縮機的實際排氣量適應需氣量的要求，滿足生產(chǎn)單位工藝需求。所以采用何種方式進行氣量調(diào)節(jié)，就成為一個需要認真考慮的問題。

1 活塞壓縮機氣量調(diào)節(jié)方法

1.1 變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方式是將活塞壓縮機的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速進行改變，進而使得單位時間內(nèi)活塞壓縮機的壓縮的次數(shù)發(fā)生變化，最終達到氣量調(diào)節(jié)的目的。但是，這種調(diào)節(jié)方式需要配套變頻器，對于驅(qū)動電機，變頻器的價格昂貴，對壓縮機零部件的耗損也比較大，影響活塞壓縮機的正常運行，所以這種調(diào)節(jié)方法應用很少。

1.2 余隙調(diào)節(jié)

余隙調(diào)節(jié)方法是在原壓縮機固定余隙容積的基礎(chǔ)上，又增加了一定容積的空腔，進行氣量調(diào)節(jié)時連通氣缸內(nèi)的工作腔，使的壓縮機的余隙容積增大，壓縮機容積系數(shù)減小，實現(xiàn)氣量的調(diào)節(jié)。但是，這種調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)的時間比較長，需要很多人工去配合完成相關(guān)工作，一旦有故障發(fā)生，需要壓縮機立即停機進行維修，會影響壓縮機的正常運行，所以這種調(diào)節(jié)方法應用也并不廣泛。

1.3 旁路調(diào)節(jié)

旁路調(diào)節(jié)方法是通過將活塞壓縮機的排氣管路由旁路和旁路閥與壓縮機的進氣管路相連通，進行氣量調(diào)節(jié)的時，只需要將旁路閥打開，工藝下游不需要的氣量就通過旁路閥回流到進氣管路中，進而實現(xiàn)壓縮機氣量調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)精度高，也是目前應用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。但是因為多余回流氣體均是壓縮做功后的氣體，所以此調(diào)節(jié)方式的經(jīng)濟性差，造成能源的巨大浪費。

1.4 頂開進氣閥調(diào)節(jié)

根據(jù)進氣閥被頂開過程時間持續(xù)長短，可分為全行程頂開進氣閥和部分行程頂開進氣閥兩種方式。

全行程頂開進氣閥調(diào)節(jié)：在壓縮機吸氣過程中，氣體被吸入氣缸，在壓縮機壓縮過程中，因為進氣閥被全部頂開，吸入的氣體又被全部回流至氣缸。此種調(diào)節(jié)方法僅適用于壓縮機起機、停機時使用。

部分行程頂開進氣閥調(diào)節(jié)：通過在壓縮機壓縮過程中控制進氣閥延遲關(guān)閉的時間，實現(xiàn)氣量在頂開的進氣閥側(cè)回流至氣缸，實現(xiàn)工藝下游需要多少氣量，壓縮機就排出多少氣量，并且返回的氣量是由頂開的進氣閥側(cè)回流到進氣管路中，未經(jīng)過壓縮做功，減少了壓縮機的做功過程，可以根據(jù)實際需求氣量而壓縮多少氣量。此種調(diào)節(jié)方法可以實現(xiàn)最大程度地節(jié)約電量，經(jīng)濟回報高。

本文所述氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是采用了部分行程頂開進氣閥調(diào)節(jié)方式。

2 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理及組成

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機械執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要應用在活塞式壓縮機，通過僅壓縮工藝下游所需要的氣量，最大限度地節(jié)省能源，通過智能化的液壓控制機構(gòu)，精確、快速地控制活塞式壓縮機的排氣量，實現(xiàn)壓縮機負荷的0%～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.1 工作原理

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理為“回流省功”，如下圖1所示。活塞壓縮機正常工作過程如以下：

圖1 “回流省功”工作原理

膨脹過程，如圖A～B曲線，這個工作過程中壓縮機的氣閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。

進氣過程，如圖B～C曲線，壓縮機氣缸產(chǎn)生內(nèi)外差，進氣閥在壓力差作用下開啟，氣體通過進氣管線進入壓縮機氣缸，到C點后，壓縮機完成吸氣過程，進氣閥關(guān)閉。

壓縮過程，如圖C～D曲線，此時氣缸內(nèi)的氣體通過壓縮機的活塞力的作用下達到排氣壓力。

排氣過程，如圖D～A曲線，此時壓縮機氣缸內(nèi)排氣閥在排氣壓力作用下打開，氣缸內(nèi)的氣體通過排氣閥進入下一級。

當投入氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，因為進氣閥在壓縮過程中由于氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)作用力下而被強制頂開，所以壓縮機的工作過程由位置C先到達位置E（回流過程），此時吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進氣閥側(cè)回流到進氣管路，而不被壓縮，壓縮機做功要比滿負荷時減少很多，當氣缸內(nèi)活塞運動到位置E時，消除氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)頂開進氣閥的作用力，進氣閥會在彈簧力的作用下復位，壓縮機氣缸內(nèi)余下的氣體就會被壓縮，氣缸內(nèi)的活塞由位置E到達位置F，氣體達到排氣壓力后，通過打開的排氣閥，進入工藝下游。因此氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，還能夠最大程度地節(jié)約能源。

2.2 系統(tǒng)組成

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由控制單元、液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和上死點傳感器等組成，如圖2所示。

圖2 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

2.2.1 控制單元

活塞式壓縮機一般在工廠中都是裝置的核心，工藝操作都是采用的是DCS控制系統(tǒng)。壓縮機的壓力（或流量）是工藝生產(chǎn)的主要參數(shù)，所以氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元的功能如下：

中控室DCS系統(tǒng)輸出的壓縮機負荷信號（4～20mA），通過氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元，換算成作用于每一級進氣閥的頂開、復位的時間信號。

通過上死點接近開關(guān)傳感器實時采集壓縮機氣缸內(nèi)活塞運動位置，依據(jù)采集到的上死點信號傳輸至控制單元，實現(xiàn)實時監(jiān)控氣缸內(nèi)活塞位置信息和實時計算壓縮機的工作周期。

可實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的油液溫度、油液壓力和油液的液位等相關(guān)參數(shù)的采集。

可以提供Modbus RS-485接口或PN接口，完全兼容到企業(yè)的DCS等上位機中，實現(xiàn)高度自動化控制。

可以實現(xiàn)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常切除以及故障聯(lián)鎖切除，切除后使得壓縮機恢復到滿負荷運行狀態(tài)，由原控制方案進行控制，壓縮機可進行正常的生產(chǎn)工作，不影響企業(yè)生產(chǎn)。

2.2.2 液壓系統(tǒng)

氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)由液壓油站、管線和隔膜蓄能器等構(gòu)成，液壓油站的齒輪泵將油箱內(nèi)的油循環(huán)升壓到工作壓力（工作壓力取決于壓縮機最后一級的進氣壓力），并且由此向執(zhí)行機構(gòu)提供驅(qū)動力。液壓油站的供油管路中安裝有蓄能器，當液壓系統(tǒng)壓力有波動時，蓄能器可以及時釋放液壓油穩(wěn)定油壓，此外，將液壓油站的油壓、油溫設置在DCS界面上實時顯示，并為了保證氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全，會設置液壓油站油壓、油溫和液位的聯(lián)鎖保護。

2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是整個氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心，它主要有電磁閥、密封系統(tǒng)和液壓缸等組成。電磁閥接收來自控制單元的信號，控制電磁閥適時的打開或關(guān)閉，根據(jù)電磁閥的不同位置，液壓缸內(nèi)活塞承受從液壓系統(tǒng)中傳遞的液壓油壓力。執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的液壓桿會通過高壓液壓力的作用下驅(qū)動卸荷器，進而頂開進氣閥，從而把壓縮機氣缸內(nèi)的一部分氣體在未經(jīng)壓縮就從壓縮機氣缸的進氣閥側(cè)返回到壓縮機的進氣管路中。密封系統(tǒng)是用來防止液壓油和氣體的泄露。圖3為執(zhí)行機構(gòu)功能簡圖。

圖3 執(zhí)行機構(gòu)功能簡圖

2.2.4 上死點接近開關(guān)傳感器

上死點接近開關(guān)傳感器可以實時采集氣缸內(nèi)活塞的位置。上死點接近開關(guān)傳感器和控制單元之間通過脈沖信號進行數(shù)據(jù)傳遞。由于無法在氣缸上對活塞進行定位，所以需要在壓縮機飛輪或曲軸垂直于傳感器的方向上增加一個金屬感應塊兒，上死點接近開關(guān)接收金屬物的位置信號作為控制輸出的初始時刻。上死點傳感器信號傳入控制單元進行處理后與從DCS/PLC來的各級控制器的信號進行計算，然后輸出值執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)高頻響電磁閥以延遲進氣閥關(guān)閉的時間。

3 應用

在某石化企業(yè)聚丙烯裝置中，有兩臺型號為4K-165MG-42/0.75-22活塞式壓縮機組，本機組為四列兩級立式，氣缸為無油潤滑，水冷式雙作用，工藝氣為丙烯氣，壓縮機主要參數(shù)如表1所示。壓縮機用驅(qū)動電機主要參數(shù)如表2所示。

表1 壓縮機主要參數(shù)

表2 壓縮機用主電機主要參數(shù)

投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)前，壓縮機主電機實測電流值為33A，主電機實際功率為457kW，若以壓縮機主電機每年運行時間按8000h計算，可以得出年耗電量為365.6萬kWh，平均電費按0.69元/kWh工業(yè)電費單價核算，每年壓縮機產(chǎn)生的電費為252萬元左右。

投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機起機過程平穩(wěn)，逐步升負荷至100%，對壓縮機沖擊小，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

通過在壓縮機主電機配電柜中安裝的電能表和累時器來實際測算投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的節(jié)能效果，當壓縮機在實際運行過程中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行790h左右，根據(jù)在壓縮機主電機配電柜中安裝的電能表讀數(shù)的變化和壓縮機主電機運行時間的變化，測算出了在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行時間內(nèi)壓縮機功率降至396kW左右，節(jié)省的功率為61kW，從而得出了在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行790h這段時間內(nèi)，壓縮機節(jié)約電費約4.7萬元（電費單價均價為0.69元/kWh），年節(jié)電費約47萬元，而該項目投資在80萬元左右，兩年左右即可收回成本，投資回報率較高。

4 結(jié)語

在聚丙烯裝置中的活塞式壓縮機上節(jié)能改造投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是成功的，投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅解決了多余工藝氣返回造成的電機電能浪費，提高了迷宮壓縮機組穩(wěn)定可靠的運行，實現(xiàn)了節(jié)約電能耗費的目的，同時還優(yōu)化了工藝系統(tǒng)中壓力控制方案，使得工藝系統(tǒng)壓力控制相對平穩(wěn)，對企業(yè)的高壓設備的安全長期運行起到了積極作用。