氣量無級調節系統在制氫原料氣壓縮機上的應用研究

孫強

（大慶石化公司煉油廠，黑龍江 大慶 163711）

煉油廠制氫裝置有2 臺往復式原料氣壓縮機（K-1201A/B）為二級壓縮，設計排氣量19600Nm3/h，在裝置正常生產運行期間，當化工氫充足或其他用氫裝置低負荷生產時，壓縮機出口流量僅需11000Nm3/h 左右，原料氣只能通過壓縮機工藝氣路的二返一調節閥將大量原料氣返回至壓縮機入口，相當于壓縮機做許多無用功。2018年該壓縮機進行技術改造，新增一套博華BHSCCS 氣量無級調節系統，實現了壓縮機氣量全行程可調節功能，使得壓縮機排氣量可適應實際的消耗量變化，降低電機功率，降低電能消耗，提高經濟效益。

1 BHSCCS 工作原理

液壓式氣量無級調節系統是采用“回流省功”原理，通過計算機實時處理壓縮機運行過程中的狀態數據，并將信號反饋至執行機構內電子模塊，通過液壓執行器來實時控制進氣閥的開啟與關閉時間，實現壓縮機排氣量0 ～100%全行程范圍無級調節。通過進氣閥的延遲關閉，使多余部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管，只壓縮了需要壓縮的氣量，從而最大限度地節約了能源。在氣量無級調節系統的控制下，壓縮機的進氣閥不再是依靠壓差工作的自動閥，而是一個由外置動力驅動的強制閥。如果該系統故障導致無法正常運行，還可以自動恢復為原DCS 系統的原旁通回流控制方式，最大限度地保證生產裝置的安全運行。

氣量無級調節系統從本質上講是一個可以接受4 ～20mA標準電流信號的調節閥，可以方便地嵌入用戶現有的DCS 控制系統中。根據裝置的實際需求通過DCS 系統計算出壓縮機的負荷值，輸送到氣量無級調節控制系統，控制系統進行計算轉換后通過現場總線驅動執行機構，完成流量控制的目的。

2 BHSCCS 系統組成

BHSCCS 系統包括硬件和軟件兩部分，系統主要由以下幾部分組成：液壓機構、執行機構、控制系統、監測系統。如圖1 所示。

圖1

液壓機構部分：油站采用電機驅動油泵供油的方式，泵輸出的油液供給高速換向閥和蓄能器，多余的油液經穩壓閥流回油箱，保證高速換向閥與油站之間的管路壓力穩定。

執行機構部分：在原壓縮機進氣閥基礎上加裝卸荷器組件，執行油缸安裝在壓縮機進氣閥蓋上，執行油缸內介質為液壓油，油缸上安裝有溫度傳感器。

控制系統部分：智能控制器(RIC-001)是氣量調節系統核心部件，提供控制信號的處理、轉化、輸出和算法控制，是連接高速控制閥與上位系統的橋梁，智能控制器含有在線監測功能模塊，可實現氣量調節系統的狀態監測和異常報警功能。與DCS 系統進行數據交換，自動計算機組負荷值，通過智能控制算法轉化為控制系統輸出。對氣量調節系統進行實時故障自動診斷及故障自動切除。

上位機系統是廠家安裝在服務器上的控制軟件，主要功能塊包括：數據采集及通訊模塊、負荷計算模塊、信號轉化模塊、投用切除模塊、系統自檢模塊、故障與監測模塊。相關參數引入DCS 系統，DCS 系統上新增制氫卸荷器聯鎖邏輯畫面、報警信息畫面、修改原操作流程畫面、修改原氣量調節控制方案。工藝人員在DCS 系統上進行氣量無級調節。

監測系統部分：具備通過振動監測、溫度傳感器、鍵相監測等手段，實現往復壓縮機全方位、多參數分析與診斷功能，確保設備能夠長周期平穩運行

3 BHSCCS 控制功能

新增氣量無級調節系統對原DCS 系統相關控制方案進行了修改，同時增加了聯鎖邏輯控制功能，并滿足以下設計功能要求：

（1）實現壓縮機0 ～100%負荷范圍內的無級調節；

（2）對壓縮機總入口或出口壓力進行自動控制；

（3）對壓縮機的級間壓力進行自動控制，確保級間壓力穩定，壓縮機在最佳壓比狀態下運行；

（4）具備手動操作、自動操作和系統切除的功能；

（5）系統故障時可自動切除，原旁通調節方式接手氣量調節任務；

（6）能實現壓縮機的平穩啟動、加載、切換和停機；

（7）降低旁通回流帶來的負面影響，降低冷卻器的負荷，提高壓縮機的可靠性和安全性。

DCS 系統上新增氣量無級調速聯鎖邏輯畫面，見圖2。

圖2

3.1 BHSCCS 系統機組零負荷起機功能

通過在橫河CS3000 系統上編程組態，實現了K1201A 壓縮機手動起機功能，當壓縮機運行平穩后，可轉換到BHSCCS系統自動控制狀態。在DCS 畫面上手動設置BHSCCS 系統負荷（1ST-LD、2ST-LD）為0，BHSCCS 系統切換到“手動”模式。液壓油站啟動后，檢查油站運行狀態及故障報警信息。隨后啟動壓縮機驅動電機，要求卸荷器強制保持在開啟狀態，壓縮機電機在空載狀態下啟動，等待壓縮機達到正常轉速，在DCS 操作界面點擊“投用無級調節”，自檢無故障運行指示燈亮，BHSCCS系統正常投入運行，逐漸手動增加壓縮機負荷，直到各級壓力值到達設定點附近，把BHSCCS 系統的工作模式切換到“自動”模式，壓縮機投用自動運行狀態。

3.2 BHSCCS 系統故障切除及恢復功能

當BHSCCS 系統發生故障時，DCS 系統會自動切除BHSCCS 系統，同時切換旁通閥至自動模式，恢復到原來旁路調節模式。在DCS 操作界面上專門有故障報警信息畫面，便于及時查找分析問題。當BHSCCS 系統故障排除后，再點擊“故障復位”按鈕進行復位操作。DCS 畫面上BHSCCS 系統處在“手動”模式，負荷給定值為100%。現場手動啟動液壓油站，待油壓穩定。點擊“投用無級調節”，同時運行指示燈亮，系統正常運行。逐漸手動調節減少壓縮機負荷，當各級壓力值到達設定點附近時，工作模式切換到“自動”模式，壓縮機進入自動運行狀態。

3.3 機組正常停機功能

將BHSCCS 系統首先切換到手動操作模式，然后手動逐漸降低壓縮機的負荷到0，此時，可停壓縮機主電機。在DCS 操作界面上點擊“手動切除無級調節”，手動切除BHSCCS 系統，然后點擊“手動停止油站”，可遠程停油站電機。

4 應用情況

BHSCCS 氣量無級調節系統2018年正式投用以來，實現了原料氣壓縮機0 ～100%負荷范圍內的氣量無級調節，壓縮機的級間壓力控制穩定，壓比恒定，提高了壓縮機運行的可靠性和安全性。

原料氣壓縮機滿負荷實際功耗為1085kW 左右，壓縮機實際運行負荷為55% 左右，當投用氣量無極調節系統后，壓縮機每小時實際節約能耗為：1085×（1-0.55）=488.25kW。每年壓縮機運行時間按8000h，電費單價按每度0.6 元計算，當投入氣量無級調節系統后，每年可節約的電費為：488.25×8000×0.6=234.36 萬元。

5 結語

BHSCCS 氣量無級調節系統投用以來，節能效果顯著，同時融合了在線監測功能，為機組在節能運行的基礎上提供了安全運行保障。