新氫壓縮機(jī)節(jié)能改造及其效益分析

朱文濤，李寶強(qiáng)，梅 勝，何 迎

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延安石油化工廠，陜西延安 727406）

0 引言

延安石油化工廠240 萬(wàn)噸/年柴油加氫精制裝置投產(chǎn)于2014 年8 月，主要生產(chǎn)符合國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的柴油產(chǎn)品。新氫壓縮機(jī)（011-K-101AB）是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備，其作用是將氫氣管網(wǎng)來(lái)的氫氣增壓，供其參與加氫精制反應(yīng)。該壓縮機(jī)為兩列兩級(jí)、對(duì)稱平衡式布置，采用卸荷器調(diào)節(jié)（機(jī)械式氣量調(diào)節(jié)控制閥控制儀表風(fēng)壓開吸氣閥調(diào)節(jié)），可實(shí)現(xiàn)0%、50%及100%三檔氣量調(diào)節(jié)，并配有旁通調(diào)節(jié)進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。

主要技術(shù)參數(shù)：排氣量（吸入狀態(tài)）為29.6 m3/min，轉(zhuǎn)速為333 r/min，電動(dòng)機(jī)額定功率2400 kW，額定電壓10 000 V，功率因數(shù)為0.89。

1 應(yīng)用中存在的問(wèn)題

（1）能耗較大。當(dāng)裝置滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，新氫壓縮機(jī)僅需約55%負(fù)荷，即可滿足工藝生產(chǎn)對(duì)新氫量的需求。但該壓縮機(jī)僅有0、50%及100%三檔氣量調(diào)節(jié)，因此約45%負(fù)荷的氣量需要通過(guò)旁通返回至壓縮機(jī)入口分液罐，造成了能源浪費(fèi)。

（2）進(jìn)氣閥及活塞環(huán)壽命短。當(dāng)加工量低于260 t/h 時(shí)，壓縮機(jī)僅需50%以下負(fù)荷，即可滿足工藝的需求。當(dāng)壓縮機(jī)處于50%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，氣缸外側(cè)的進(jìn)氣閥處于長(zhǎng)期壓開的狀態(tài)，部分氣量始終在該吸氣閥處吸入和排出，使吸氣閥、活塞環(huán)長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，加速了氣閥非金屬閥片和活塞環(huán)的老化。

（3）機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)高。當(dāng)長(zhǎng)期處于50%負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)氣缸單側(cè)卸載，活塞桿較長(zhǎng)時(shí)間處于單向受力狀態(tài)，造成十字頭銷等部位潤(rùn)滑不良，加速磨損，發(fā)生機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 改造方案的選擇

往復(fù)壓縮機(jī)常用的氣量調(diào)節(jié)方式有旁通調(diào)節(jié)、卸荷器調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、余隙腔調(diào)節(jié)和氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2.1 增設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于交流異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，不僅有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且能大大降低設(shè)備（額定電流內(nèi)）啟動(dòng)電流，實(shí)行軟起動(dòng)，緩解對(duì)電網(wǎng)的沖擊[1]。但是，新氫壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（曲軸、連桿、十字頭等）采用強(qiáng)制潤(rùn)滑，而運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)重量較大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)不利于油膜的建立。

往復(fù)式壓縮機(jī)的曲軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)有一個(gè)運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)，一般在曲軸的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置配重盤（即飛輪），來(lái)增加曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力。如果實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)速度低于額定轉(zhuǎn)速的60%，則會(huì)造成運(yùn)轉(zhuǎn)到死點(diǎn)時(shí)電機(jī)功耗達(dá)到極限或燒電機(jī)，其調(diào)節(jié)范圍過(guò)窄。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于驅(qū)動(dòng)功率很小的壓縮機(jī)，該大型壓縮機(jī)不適合增設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.2 增設(shè)余隙腔調(diào)節(jié)系統(tǒng)

余隙腔調(diào)節(jié)是指在固定余隙調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，將固定余隙改造成連續(xù)可調(diào)的可變余隙[2]。即增加一個(gè)余隙缸，與原外側(cè)氣缸相連通，通過(guò)控制余隙的大小實(shí)現(xiàn)氣量的控制。

該方案的改造費(fèi)用略低于氣量無(wú)極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造，但是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍較窄，僅能進(jìn)行70%～100%負(fù)荷的無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中有一定局限性。因此，該改造方案非最佳選擇。

2.3 增設(shè)HydroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

HydroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的卸荷機(jī)構(gòu)讓進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣系統(tǒng)，僅壓縮實(shí)際需要壓縮的氣量。通過(guò)該方式可以有效控制每一個(gè)行程的氣量，理論上可實(shí)現(xiàn)0 至100%氣量的調(diào)節(jié)。

HydroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造，僅需更換6 套進(jìn)氣閥、配置一個(gè)小型液壓油站，增設(shè)相應(yīng)的控制線纜及元件。設(shè)備自身結(jié)構(gòu)不需任何改變，改造較為簡(jiǎn)單（圖1）。因此，增設(shè)HydroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為新氫壓縮機(jī)最佳節(jié)能改造方案。

圖1 HydroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能原理介紹

HydroCOM 源于英文“hydraulically actuated computerised compressor control system”，即氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)情況，沒(méi)有氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的情況下，d→a 是氣體在氣缸內(nèi)的膨脹過(guò)程，a→b 是吸氣過(guò)程，b→c是壓縮過(guò)程，c→d 是排氣過(guò)程（圖2）。a→b→c→d→a 所組成的面積，即為一個(gè)行程內(nèi)所消耗的功。在氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，進(jìn)氣閥通過(guò)卸荷器來(lái)約束密封元件，而卸荷器又是通過(guò)Hydro－COM 執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)氣閥開啟之前，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的電磁閥換向，液壓油瞬間進(jìn)入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓缸，高壓活塞推動(dòng)卸荷器向閥蓋側(cè)移動(dòng)。活塞通過(guò)b 點(diǎn)之后，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在設(shè)定負(fù)荷時(shí)，卸荷器使進(jìn)氣閥的關(guān)閉時(shí)間延遲，故而氣缸指示壓力由b 點(diǎn)變到e 點(diǎn)。當(dāng)氣體從氣缸回流到進(jìn)氣緩沖罐時(shí)，氣缸內(nèi)實(shí)際壓縮的氣體將減少。當(dāng)在e 點(diǎn)時(shí)，電磁閥換向，液壓油又從高壓缸內(nèi)卸出，卸荷器向上移動(dòng)，進(jìn)氣閥關(guān)閉[3]。壓縮曲線由e 到f。e 和f 的位置隨負(fù)荷設(shè)定值的減小而向左移動(dòng)，a→b→c→d→e→f 所圍成的面積（即消耗的功）成比例的減小。

圖2 實(shí)際循環(huán)指示功

4 效益分析

（1）通過(guò)對(duì)新氫壓縮機(jī)節(jié)能方案的比較選擇，確定了增設(shè)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案，并于2020 年大修過(guò)程中完成改造。改造后，壓縮機(jī)組運(yùn)行良好，完全符合生產(chǎn)及安全的需求，并且降低了耗電量，經(jīng)濟(jì)效益顯著（圖3）。該壓縮機(jī)電機(jī)功率因數(shù)cosφ=0.89，電壓10 000 V，電流較改造前降低了20 A。由UIcosφ 可算出節(jié)約功率為308 kW，按每年運(yùn)行8000 h 計(jì)算，每年可節(jié)電246.4 萬(wàn)千瓦時(shí)。按照工業(yè)用電成本0.5 元/（kW·h）計(jì)算，全年可節(jié)約用電成本123.2 萬(wàn)元。該系統(tǒng)改造費(fèi)用約85 萬(wàn)元，不到一年即可收回成本。

圖3 增設(shè)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后現(xiàn)場(chǎng)效果

（2）改造后，任何負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)氣閥處溫度始終處于正常范圍，且活塞兩側(cè)載荷均勻，進(jìn)氣閥及十字頭銷的使用壽命得以有效延長(zhǎng)，機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)降低。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新氫壓縮機(jī)節(jié)能改造方案的分析、比較，選擇并實(shí)施了增設(shè)HydroCOM 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不僅新氫壓縮機(jī)能耗過(guò)大的問(wèn)題得到了很好的解決，還滿足了工藝生產(chǎn)的需求，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。