往復式壓縮機節能改造

葉運超

（濮陽永金化工有限公司，河南濮陽 457000）

0 引言

濮陽永金化工有限公司20 萬噸乙二醇項目裝置的原料氣凈化配套項目采用四川天一科技股份有限公司的氣相變壓吸附工藝。使用3 臺濰坊生建生產的6MD-298/35 型往復式壓縮機，此壓縮機主要負責將系統尾氣加壓后送至后系統，采用MD型往復式，六列六缸四級壓縮，氣缸為雙作用單級單列，3 個一級缸，二級、三級、四級各1 個（表1）。容積流量調節通過一回一自動調節、四回一自動調節，但由于機組各級做功能力不匹配，如果一回一開度過小，將導致二級缸進汽超壓，日常一回一開度20%左右，造成極大能源和冷卻水浪費，因此選用HRCS 壓縮機節能改造系統調節壓縮機負荷勢在必行。

表1 6MD-298/35 往復機參數

1 氣量調節系統技術概述

“回流省功”就是在壓縮行程中，使得部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管中。氣量調節系統采用的是“回流省功”原理，以壓縮機負荷為50%時為例，具有氣量調節功能的壓縮機工作過程氣缸內的P—V 工作關系如圖1 所示?；钊趬嚎s機氣缸的一個正常工作循環包括：①余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過程（圖1 中AB 曲線），此時壓縮機的進氣閥和排氣閥均處于正常的關閉狀態；②進氣過程（圖1 中BC 曲線），此時進氣閥在氣缸內外差的作用下開啟，進氣管線中的氣體通過進氣閥進入氣缸，至C 點完成相當于氣缸100%容積的進氣量，進氣閥關閉；③CD 為壓縮曲線，氣缸內氣體在活塞的作用下壓縮達到排氣壓力；④D→A 為排氣過程，排氣閥打開，被壓縮的氣體經過排氣閥進入下一級過程。

圖1 回流省功

如果在進氣過程達到C 點后，進氣閥在執行機構作用下仍被強制的保持開啟狀態，那么壓縮過程并不能沿原壓縮曲線由位置C 到位置D，而是由位置C 先到達位置（Cr，50）。此時原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進氣閥回流到進氣管而不被壓縮，待活塞運動到特定的位置（Cr，50）時，執行機構使頂開進氣閥的強制外力消失，進氣閥片回落到閥座上而關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著位置（Cr，50）到達位置（Dr，50）。氣體達到額定排氣壓力后從排氣閥排出。

由于往復式壓縮機的指示功消耗與實際容積流量成正比，因此HTEC 往復式壓縮機氣量無級調節系統能夠最大限度地節省能耗。其與旁通閥氣量調節相比，系統的特點如表2 所示。

表2 HTEC 往復式氣量無級調節系統的特點

2 節能效益分析

2.1 技術方案

針對現場工藝流程需求，綜合考慮節能等因素，改造方案為：投用1 套氣量調節系統；壓縮機一級氣缸（1A、1B、1C）進氣閥全部安裝執行機構，包括進氣閥（帶卸荷叉）、液壓執行器等。

2.2 節能效益分析

往復壓縮機安裝HTEC 后，電機的能耗隨著壓縮機實際排氣量的降低成比例的降低。

2.2.1 改造前主電機功率確認

壓縮機用主電機電壓U 為6 kV，現場實測電流為255 A，功率因數（cosφ）為0.9，則改造前壓縮機主電機功率為：（1.732×UI測×cosφ）/1000≈2384.96 kW。

以壓縮機主電機按每年運行時間8000 h 計算，投入氣量調節系統前，年耗電量為：2384.96×8000=19 079 680 kW·h≈1907.97×104kW·h。

按平均0.68 元/（kW·h）計算，則壓縮機主電機每年產生電費M=1907.97×0.68≈1297.42 萬元。

2.2.2 改造后主電機功率確認

現場壓縮機有一回一和四回一兩臺旁通閥，其中一回一旁通閥投用、開度約19%。當投入HTEC 往復式壓縮機氣量無級調節系統后，根據現場一回一旁通閥回流流量Q回與現場壓縮機排氣量Q排的比值，確定壓縮機有效負荷L=［1-（Q回/Q排）］×100%?，F場旁通閥使用工況見表3。

表3 現場一回一旁通閥使用工況

旁通閥供應廠家的技術人員根據閥門選型參數，參考現場閥門使用工況對旁通閥流量進行計算，計算結果為4500 Nm3/h。

現場壓縮機排氣量Q排1為14 300 Nm3/h，則可計算得到壓縮機有效負荷L1=［1-（4500/14 300）］×100%=68.5%。壓縮機一級氣缸指示功功率Nil：

式中 mI——膨脹過程多變指數，取1.2

n——電機轉速，5.5 r/s

P1I——一級缸實際吸氣壓力（絕壓），115.09×103Pa

P2I——一級缸實際排氣壓力（絕壓），2.6×105Pa

λ——排氣系數，λ=λPλTλIλV，λP、λT、λI、λV分別為壓力系數、溫度系數、泄漏系數和容積系數，其中λP、λT、λI均取0.97

以L1作為現場壓縮機一整年的平均負荷，可以計算出投入氣量調節系統后，壓縮機主電機節省的功率為：Nil×（1-L1）=547.1×0.315=172.35 kW。

按每年運行8000 h、0.68 元/（kW·h）計算，則可得到投入調節系統后節約的電費93.76 萬元。

2.3 節能效果

實際有效負荷率以68.5%（可能更低）計，在一臺壓縮機上投用一套氣量調節系統后的改造節能效果見表4。

表4 現場一回一旁通閥（19%開度）節能效果

3 實施效果

3.1 系統實現的功能

（1）二三級無回流閥，四回一回流閥開度很小，一回一回流閥調節約20%左右，因此僅在一級氣缸蓋側安裝9 套HRCS 執行機構，實現一級排氣量50%～100%的氣量無級調節。

（2）壓縮機軸功率隨著排氣量的降低成比例減小，節能效果顯著。

（3）能夠實現壓縮機的零負荷起機、逐步加載/卸載、切機及停機等功能。

（4）當調節系統出現故障時，發出故障信號至DCS，DCS 則依據故障信號切除環瑞HRCS 系統，必要時也可以手動切除，系統切除后壓縮機在原控制系統下運行。

（5）根據各方確認的主控變量（如進氣、排氣壓力等）對壓縮機進行控制，系統自動跟蹤并穩定此值，且可調整級間壓縮比。

3.2 控制方案

HRCS 壓縮機節能改造系統的整個控制過程見圖2：HRCS系統未投用時，壓縮機氣量是通過旁通調節閥進行調節，系統投用后，壓縮機的氣量則由HRCS 系統進行調節。HRCS 系統通過控制壓縮機進氣閥強行開啟的時間來調節壓縮機的排氣量，其與DCS 之間控制信號采用硬線連接的方式。

圖2 控制系統與DCS 的關系

3.3 控制時序

以一個氣缸為例，壓縮機運行時，蓋側與軸側進氣閥的動作在時序上相差半個周期（對應曲柄轉角π），所以在調節控制過程中，同一個氣缸的蓋側進氣閥保持同時動作，同一個氣缸的軸側進氣閥保持同時動作，蓋側與軸側之間動作時序上相差半個周期（對應曲柄轉角π）（圖3）。實際壓縮機每一列氣缸在壓縮機運行過程中的狀態以曲柄夾角計算出動作時序差值。

圖3 控制時序圖

4 結束語

無極調節系統經投用，順利實現了壓縮機一級負荷50%～100%范圍內的自動無級調節，系統出現故障后會自動切除，切除后，壓縮機在原控制系統下運行，完全不影響壓縮機和生產的正常進行。

系統投運后，壓縮機的耗電量隨氣量的減小呈線性降低，節能效果非常顯著，1～2 年可以收回投入成本。