氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在加氫裂化新氫壓縮機(jī)上的應(yīng)用

吳文偉 湯毓紅 丁鑄洪

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司)

中國石化上海高橋分公司煉油事業(yè)部加氫裂化裝置新氫壓縮機(jī)采用往復(fù)式壓縮機(jī)，共有三臺機(jī)組，即兩臺進(jìn)口的同機(jī)型Dresser-Rand壓縮機(jī)組及一臺國產(chǎn)機(jī)組，兩開一備，機(jī)組編號為K3101A/B/C。K3101A/B機(jī)型為3HHE-VL-3，由Dresser-Rand制造；K3101C機(jī)型為4M80-27.6/21-178-BX，由沈陽氣體壓縮機(jī)廠制造。該機(jī)組的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)排氣量為30800 Nm3/h，軸功率為2855 kW。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，通常實(shí)際流量僅為設(shè)計(jì)負(fù)荷的30%，70%通過旁通回流到進(jìn)氣總管。機(jī)組富裕量相當(dāng)大，能耗極高，與當(dāng)前降本增效、節(jié)能生產(chǎn)的要求極不相符。因此，試圖通過改進(jìn)氣量調(diào)節(jié)方法來降低能耗，這也是一種最為有效的方法。綜合三臺機(jī)組的運(yùn)行情況，決定先在K3101C機(jī)組上對氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 現(xiàn)有調(diào)節(jié)方法的優(yōu)缺點(diǎn)

K3101C機(jī)組原采用氣量旁路調(diào)節(jié)法。旁路調(diào)節(jié)法的原理是將吸氣管與排氣管用旁通管路及旁通閥連通，通過旁通閥的開度來達(dá)到排氣量的調(diào)節(jié)。根據(jù)旁通閥開度的變化，可實(shí)現(xiàn)排氣量在0～100%范圍內(nèi)的分級或連續(xù)調(diào)節(jié)，這種方法是目前往復(fù)壓縮機(jī)普遍使用的。K3101機(jī)組采用一返一、二返一和三返一共三路旁路調(diào)節(jié)。

旁路調(diào)節(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)方法比較靈活，設(shè)備簡單，投入低。缺點(diǎn)是經(jīng)壓縮的氣體由旁路回流至壓縮機(jī)入口，因此無用功耗大，尤其在耗氣量低的工況時(shí)造成能量的巨大浪費(fèi)；人工調(diào)節(jié)復(fù)雜，系統(tǒng)可操控性較低，只適用于偶爾調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)幅度小的場合。由此可見，旁路調(diào)節(jié)并不能很好地達(dá)到氣量調(diào)節(jié)的目的，在現(xiàn)有的工況下旁路調(diào)節(jié)只適用小幅度的偶爾調(diào)節(jié)，不適用長時(shí)間、大范圍的氣量調(diào)節(jié)。從加氫裂化裝置K3101機(jī)組在現(xiàn)有工況下長期性、安全性、可靠性運(yùn)行考慮，尤其是從節(jié)能角度考慮，調(diào)節(jié)系統(tǒng)迫切需要改造。

為了更便捷、準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的排量以滿足系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)需要，同時(shí)滿足對壓縮機(jī)各級進(jìn)排氣壓力進(jìn)行精確控制，我們決定在K3101C（常開）機(jī)組上增加一套賀爾碧格公司生產(chǎn)的HydroCOM壓縮機(jī)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對壓縮機(jī)的排氣量0～100% （理論上）范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)耗氣量降低的同時(shí)，其消耗的功率也成比例地降低，從而達(dá)到節(jié)能降耗、減虧增效的目的。

2 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理和構(gòu)成

2.1 理論依據(jù)及工作原理

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的是壓縮機(jī)的 “回流省功”原理。如圖1所示，隨著活塞在壓縮機(jī)氣缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)氣缸側(cè)的一個(gè)正常工作循環(huán)包括下述過程： （1）余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過程，如圖1中曲線A-B，此時(shí)壓縮機(jī)進(jìn)氣閥和排氣閥均處于正常的關(guān)閉狀態(tài)； （2）進(jìn)氣過程，如曲線B-C，此時(shí)進(jìn)氣閥在氣缸內(nèi)外壓差的作用下開啟，進(jìn)氣管線中的氣體通過進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，至點(diǎn)C完成相當(dāng)于氣缸100%容積流量的進(jìn)氣量，進(jìn)氣閥關(guān)閉；（3）曲線C-D為壓縮曲線，氣缸內(nèi)的氣體在活塞的作用下壓縮達(dá)到排氣壓力；（4）曲線D-A為排氣過程，排氣閥打開，被壓縮的氣體經(jīng)過排氣閥進(jìn)入下一級過程。如果在進(jìn)氣過程到達(dá)點(diǎn)C后，進(jìn)氣閥在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下仍被強(qiáng)制地保持開啟狀態(tài)，那么壓縮過程并不能沿原壓縮曲線由點(diǎn)C到達(dá)點(diǎn)D，而是先由點(diǎn)C到達(dá)點(diǎn)Cr，此時(shí)原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣管而不被壓縮。待活塞運(yùn)動(dòng)到特定的位置點(diǎn)Cr（對應(yīng)所要求的氣量）時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)使頂開進(jìn)氣閥片的強(qiáng)制外力消失，進(jìn)氣閥片回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著點(diǎn)Cr到達(dá)點(diǎn)Dr。氣體達(dá)到額定排氣壓力后從排氣閥排出，容積流量減少。這種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)是壓縮機(jī)的指示功消耗與實(shí)際容積流量成正比，這是一種簡單高效的壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)方式。賀爾碧格公司生產(chǎn)的HydroCOM壓縮機(jī)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的正是這種調(diào)節(jié)方式，其工作原理如圖2所示。

圖1 回流省功P-V圖

圖2 HydroCOM系統(tǒng)的工作原理

它的主要工作原理是計(jì)算機(jī)即時(shí)處理壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將信號反饋至執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的電子模塊，由液壓執(zhí)行器來實(shí)時(shí)控制進(jìn)氣閥的開啟與關(guān)閉時(shí)間，通過進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣總管，壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量。這正是運(yùn)用了上述的“回流省功”原理。在HydroCOM系統(tǒng)的控制下，壓縮機(jī)的進(jìn)氣閥不再是依靠壓差工作的自動(dòng)閥，而是一個(gè)由外置動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制閥。當(dāng)然，如果由于某種原因?qū)е翲ydroCOM系統(tǒng)無法正常工作，HydroCOM專用氣閥仍能像普通氣閥一樣承擔(dān)正常的進(jìn)氣任務(wù)，最大限度地保證生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)組成

HydroCOM系統(tǒng)主要由中間接口單元CIU、液壓執(zhí)行器HA、液壓油站HU、上死點(diǎn)傳感器TDC及服務(wù)器單元SU五部分組成。圖3是HydroCOM系統(tǒng)的基本組成圖。

圖3 HydroCOM系統(tǒng)組成

液壓油站提供液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的高壓動(dòng)力油。中間接口單元將控制器 （DCS）輸出的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)化成作用于各級進(jìn)氣閥的啟與閉的時(shí)間信號，傳輸給液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由 “回流省功”原理可知，在每一氣缸吸氣終了時(shí)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)才開始動(dòng)作，強(qiáng)制打開吸氣閥，因此還需吸氣終了的信號，以確定執(zhí)行器動(dòng)作的準(zhǔn)確時(shí)間，上死點(diǎn)傳感器拾取的曲軸轉(zhuǎn)角脈沖信號正是起到了此作用。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)這些信號準(zhǔn)確執(zhí)行各級進(jìn)氣閥的啟與閉，實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。同時(shí)執(zhí)行器內(nèi)裝有閥腔溫度等傳感器，監(jiān)測機(jī)組運(yùn)行狀況，經(jīng)中間接口單元反饋給DCS。

服務(wù)器單元包含一臺IBM兼容電腦和基于WINDOWS平臺的服務(wù)軟件。該服務(wù)器用于對系統(tǒng)的分析、診斷及對中間接口單元CIU的組態(tài)。一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，可通過服務(wù)器單元SU對中間接口單元CIU進(jìn)行分析診斷。

由此可見，HydroCOM系統(tǒng)采用了先進(jìn)的控制理論，是先進(jìn)的控制理論和機(jī)電技術(shù)的結(jié)合，除最大限度節(jié)省能源外，還擁有極高的控制動(dòng)態(tài)特性。

3 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造的可操作性

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造對機(jī)組本體改動(dòng)不大，僅需對吸氣閥部分等進(jìn)行下述幾項(xiàng)改造。

（1）更換全部吸氣閥及卸荷器，改用HydroCOM系統(tǒng)專用吸氣閥和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

（2）安裝液壓油站，液壓油站是一種簡單的箱式集成部件，用四只?10 mm膨脹螺栓與地面固定，安裝簡單易行。

（3）安裝上死點(diǎn)傳感器。

（4）連接液壓油站至液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓油管線。

（5）在儀表方面，將HydroCOM控制系統(tǒng)嵌入DCS系統(tǒng)。

整個(gè)改造設(shè)備安裝工作共歷時(shí)一周左右，因此無論是從改造工作量還是改造周期看，氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造具有很強(qiáng)的可操作性。

4 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益

2009年4月HydroCOM系統(tǒng)在煉油事業(yè)部加氫裂化裝置K3101C上正式投運(yùn)，在裝置處理量不變、壓縮機(jī)工況基本相同的情況下，壓縮機(jī)組的電流由原來的270～280 A下降至150～160 A，電流下降100 A左右，每小時(shí)節(jié)電900 kW·h，按每年8000 h運(yùn)行時(shí)間、電費(fèi)0.5元/度計(jì)算，每年節(jié)約的電費(fèi)約為360萬元，一年內(nèi)就可收回該系統(tǒng)的全部投資。由此可見，實(shí)施HydroCOM改造項(xiàng)目帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的。

另外，壓縮機(jī)裝備HydroCOM系統(tǒng)后，還帶來了很好的間接經(jīng)濟(jì)效益。一方面，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的流量非常簡單，僅需輸入期望的設(shè)定壓力值，系統(tǒng)即可自動(dòng)跟蹤進(jìn)行工作，能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)加載、無沖擊切換及停機(jī)，可操控性大大提高。另一方面，HydroCOM系統(tǒng)控制下的每一級進(jìn)氣卸荷機(jī)構(gòu)在壓縮機(jī)的每一轉(zhuǎn)均同時(shí)動(dòng)作，基本不改變活塞桿的受力狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)0～100%范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，不存在氣動(dòng)50%卸荷 (膜式汽缸調(diào)節(jié))時(shí)產(chǎn)生活塞桿單側(cè)受力的情況。此外，機(jī)組的安全性也得到了很大的提高。這些間接的經(jīng)濟(jì)效益無法用具體數(shù)字計(jì)算，但作為裝置的心臟設(shè)備壓縮機(jī)組的平穩(wěn)安全運(yùn)行，為裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益是無法估量的。

5 應(yīng)用前景

隨著國內(nèi)原油深加工發(fā)展的需要，各類加氫裝置不斷涌現(xiàn)，大型往復(fù)式壓縮機(jī)在煉油裝置中的應(yīng)用越來越多。這類壓縮機(jī)具有軸功率大、能耗大的特點(diǎn)。如中國石化上海高橋分公司煉油事業(yè)部的連續(xù)重整裝置新氫壓縮機(jī)K202A/B/C,軸功率為2600 kW；潤滑油加氫裝置新氫壓縮機(jī)K301A/B，軸功率為2800 kW等，均采用落后的旁路調(diào)節(jié)法，且返回量均在30%以上。因此氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)這一技術(shù)的應(yīng)用前景是相當(dāng)廣闊的，其帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。