ISC無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在往復(fù)式壓縮機上的應(yīng)用

陳靜

(南京金凌石化工程設(shè)計有限公司，南京 210042)

往復(fù)式壓縮機是容積式壓縮機的一種，它依靠氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運動來壓縮缸內(nèi)氣體，在氣閥的配合作用下，實現(xiàn)氣體的吸入、壓縮和排出，從而提高氣體壓力，滿足工藝生產(chǎn)要求。往復(fù)式壓縮機由于具有適用壓力范圍廣、效率高、適用性強的特點，目前已在石油化工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。一般情況下總是根據(jù)裝置或系統(tǒng)所需的最大容積流量來選擇壓縮機，但由于石油化工生產(chǎn)裝置工況不斷變化，往復(fù)式壓縮機的實際工況必須隨工藝工況的需要進行調(diào)整，當(dāng)耗氣量小于壓縮機的排氣量時，需要對壓縮機進行氣量調(diào)節(jié)，以使壓縮機的排氣量適應(yīng)耗氣量的要求，并同時保持管網(wǎng)中的壓力穩(wěn)定。

1 往復(fù)式壓縮機氣量調(diào)節(jié)方法

1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)排氣量，優(yōu)點： 氣量連續(xù)，比功率消耗小，壓縮機各級壓力比保持不變，壓縮機上不需設(shè)專門的調(diào)節(jié)機構(gòu)等。但它僅廣泛使用在驅(qū)動機為內(nèi)燃機和汽輪機的壓縮機上；如果驅(qū)動機為電動機，則需要配置變頻器，但由于大功率、高壓變頻器價格昂貴，而且需要大量的維護、維修工作，因而目前在電動機驅(qū)動的往復(fù)式壓縮機上很少采用該方法。此外，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)會產(chǎn)生氣閥顫振，部件磨損大、振動增加，潤滑不充分等現(xiàn)象，對往復(fù)式壓縮機的工作產(chǎn)生不良影響，也限制了該方法的廣泛應(yīng)用。

2) 余隙腔調(diào)節(jié)。在壓縮機的氣缸上，除固定余隙容積外，另外設(shè)有一定的空腔，調(diào)節(jié)時接入氣缸工作腔，使余隙容積增大，容積系數(shù)減小，排氣量降低。主要缺點： 通常手動調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度慢，一般需與其他調(diào)節(jié)方式配合使用。

3) 旁通調(diào)節(jié)。壓縮機排氣管經(jīng)由旁通管路和旁通調(diào)節(jié)閥與進氣管相連接，調(diào)節(jié)時只要開啟旁通閥，部分排氣便又回到進氣管路中。該調(diào)節(jié)方法比較靈活，而且簡單易行，配上自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度較高，但是因為多余氣體的全部壓縮功都損耗掉，所以經(jīng)濟性差。因此，該方法適用于偶爾調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)幅度小或配合其他調(diào)節(jié)的場合。

4) 壓開進氣閥調(diào)節(jié)。根據(jù)進氣閥被壓過程的長短，可分為全行程壓開進氣閥和部分行程壓開進氣閥兩種方式。

a) 對于全行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)，在吸氣過程中，氣體被吸入氣缸，在壓縮過程中，因為進氣閥全開，吸入的氣體又被全部推出氣缸。全行程壓開進氣閥可以通過調(diào)節(jié)氣閥開關(guān)的數(shù)量調(diào)節(jié)負荷，其調(diào)節(jié)幅度較大，適用于粗調(diào)節(jié)。

b) 部分行程壓開進氣閥調(diào)節(jié)的原理與全行程壓開進氣閥相似，但它通過控制壓縮過程中進氣閥的關(guān)閉時刻，控制壓縮過程中返回氣量的多少，從而實現(xiàn)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)。該方式由于壓縮功幾乎與排氣量成正比地減少，因而具有很高的運行經(jīng)濟性，但在調(diào)節(jié)過程中需要精確計算氣閥開啟/關(guān)閉的時間，對控制系統(tǒng)和氣閥動作精度都有極高的要求。

2 ISC系統(tǒng)原理

ISC系統(tǒng)是德萊賽蘭公司針對往復(fù)式壓縮機開發(fā)的一種加載、卸載控制系統(tǒng)，它允許往復(fù)式壓縮機在20%～100%(取決于機組運行條件)負荷內(nèi)無級控制。ISC無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用“回流省功”原理，如圖1所示。在壓縮機活塞的往復(fù)運行過程中，借助PLC采集往復(fù)壓縮機的運行狀態(tài)，經(jīng)過計算后通過PLC高速脈沖輸出模塊將負荷給定信號轉(zhuǎn)換為同步信號送至電液伺服閥，精確改變液壓控制信號來控制壓縮機汽缸的每個入口氣閥卸荷器，實現(xiàn)對壓縮機氣量的無級調(diào)節(jié)。當(dāng)壓縮機進氣過程結(jié)束時，往復(fù)式壓縮機進氣閥不再依靠差壓自動關(guān)閉，而是加載伺服閥通電，進氣閥在液壓作用下強制卸荷器保持開啟狀態(tài)，壓縮過程由原壓縮曲線C-D改為由C-Dr，此時原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的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(對應(yīng)所要求的氣量)時，卸載伺服閥通電，液壓強制進氣閥關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程為Cr-Dr，氣體達到額定排氣壓力后從排氣閥排出，完成一個壓縮過程。采用“回流省功”原理，壓縮機負荷的增減是依靠精確地控制液壓伺服閥動作時間實現(xiàn)往復(fù)壓縮機負荷的無級控制，由于壓縮機的功率和實際壓縮容量成正比，所以采用ISC無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實現(xiàn)簡單而高效的負荷調(diào)節(jié)。

圖1 “回流省功”工作原理示意

采用ISC無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)可通過對卸荷器的不同控制，實現(xiàn)機組的零負荷起動或滿負荷起動。當(dāng)ISC系統(tǒng)由于某種原因不能正常工作，加載、卸載伺服閥均失電時，氣閥仍能像普通氣閥一樣承擔(dān)正常的進氣任務(wù)，從而保證機組設(shè)備和生產(chǎn)裝置的安全運行。

3 ISC系統(tǒng)的組成

ISC無級氣量控制系統(tǒng)由PLC控制器、液動控制組件和卸荷器三部分組成。

3．1 PLC控制器

PLC控制器是ISC系統(tǒng)的核心組成部分，包括高速PLC控制器和人機界面HMI。主要功能包括：

1) 采集往復(fù)機飛輪轉(zhuǎn)動時上死點信號計算曲軸角度，依據(jù)負荷設(shè)定值控制電液伺服閥，從而精確控制壓縮機入口氣閥的開關(guān)時間。

2) 液壓油站溫度、油壓和液位等相關(guān)參數(shù)的采集，監(jiān)控以及油泵的就地、遠程控制。

3) 壓縮機組開停機的自動控制。

4) ISC系統(tǒng)控制器的故障檢測和聯(lián)鎖保護。

5) 提供HMI和Modbus, RS-485接口，實現(xiàn)ISC系統(tǒng)的就地控制和與DCS等上位設(shè)備的遠程控制。

ISC系統(tǒng)自身擁有獨立的PLC控制器，可以獨立完成整個氣量控制過程。氣量調(diào)節(jié)過程、機泵開停邏輯以及聯(lián)鎖保護均封裝在PLC里，由廠商自行調(diào)試完畢后出廠，避免了用戶對DCS進行復(fù)雜的組態(tài)過程，減少了現(xiàn)場組態(tài)調(diào)試的內(nèi)容，降低了出錯風(fēng)險。而用戶所需要的參數(shù)及操作過程是通過DCS與PLC的通信完成的，實現(xiàn)起來簡單快捷，無需復(fù)雜的邏輯組態(tài)工作。

3．2 液壓控制組件

液壓控制組件包括液壓油站、伺服閥、液壓油集合管等附件。壓縮機每個缸體設(shè)置1個24 V(DC)MOOG761伺服閥，由液壓油站提供驅(qū)動液壓氣閥的高壓液壓動力，按ISC控制器負荷控制要求，驅(qū)動每個缸體上氣閥開關(guān)，實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)。

3．3 卸荷器

卸荷器包括液動執(zhí)行器和指型卸荷閥。液動執(zhí)行器接受來自伺服閥的高壓液壓油，推動指型卸荷閥上下移動，從而確保氣閥的開啟/關(guān)閉時間，控制壓縮機汽缸進氣量。

4 應(yīng)用實例

某石化公司2 Mt/a柴油加氫裝置新氫壓縮機組由2臺往復(fù)式壓縮機組成，該壓縮機組采用兩級壓縮、一用一備，原壓縮機負荷控制采用逐級返回加余隙缸調(diào)節(jié)的方式。由于加氫裝置原料組分變化加之裝置生產(chǎn)方案經(jīng)常調(diào)整，導(dǎo)致裝置新氫機組常處于低負荷運行狀態(tài)，因而在新氫壓縮機C1002B上選用了ISC無級氣量控制系統(tǒng)。

原新氫壓縮機負荷控制方案為壓縮機一級入口壓力、二級入口壓力和出口壓力組成的壓力分程和超馳低選控制，通過級間返回閥控制壓縮機出口流量；采用ISC系統(tǒng)后，級間返回閥全關(guān)，壓力分程和超馳低選控制信號將轉(zhuǎn)而控制ISC系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)液控氣閥達到調(diào)節(jié)壓縮機出口流量的目的。

ISC系統(tǒng)采用高壓液壓油控制卸荷閥，所以一旦液壓系統(tǒng)故障或ISC控制器故障時，由于油壓低伺服閥不能驅(qū)動卸荷器根據(jù)曲軸角度正常開啟，此時卸荷閥內(nèi)彈簧的作用將使往復(fù)壓縮機處于滿負荷狀態(tài)，因而為確保各種故障狀態(tài)下機組設(shè)備的安全和生產(chǎn)裝置波動最小，筆者在柴油裝置Honeywell TPS上采用了無擾動自動控制方案。

由于機組在0～30%負荷內(nèi)投用ISC系統(tǒng)易造成氣缸排氣超溫，與工藝設(shè)備人員商議后將ISC系統(tǒng)的最低負荷設(shè)定為30%，即當(dāng)機組負荷小于30%時，ISC負荷設(shè)定為30%，此時通過調(diào)節(jié)級間返回閥控制壓縮機負荷；當(dāng)機組負荷大于30%時，級間返回閥全關(guān)，壓縮機負荷由ISC負荷控制，因而為確保機組開機后ISC系統(tǒng)手自動平穩(wěn)切換和ISC系統(tǒng)故障后控制方案平穩(wěn)切換到常規(guī)級間返回閥控制，采用圖2所示的控制方案。

1) 當(dāng)無級氣量控制系統(tǒng)已投用而往復(fù)機尚未起動時，CL程序根據(jù)ISC系統(tǒng)就緒信號(ISC Ready)和機組運行狀態(tài)信號，將PY1_2081A_SW選擇開關(guān)切至PY1_2081，DCS低選信號直接控制返回閥，CL程序同時將PY1_2081控制方式改為手動且輸出0，此時氣閥處于零負荷狀態(tài)，機組負荷完全由級間返回閥控制。

2) 當(dāng)無級氣量控制系統(tǒng)投用且往復(fù)機已起動(ISC Active)，CL程序?qū)Y1_2081A_SW選擇開關(guān)切至PY2_2081，級間返回閥按照設(shè)定速率逐漸關(guān)閉，關(guān)閉速率可通過調(diào)節(jié)PY2_2081 Automan點的opbias參數(shù)設(shè)定，CL程序同時將PY1_2081投自動，根據(jù)壓控輸出信號逐漸起動無級氣量控制系統(tǒng)補償因返回閥逐漸關(guān)閉而引起的壓力變化，確保機組安全運行。

3) 當(dāng)無級氣量控制系統(tǒng)故障時，ISC系統(tǒng)就緒信號置0，CL程序?qū)Y1_2081程序置為手動輸出100%，壓縮機負荷閥處于100%。同時CL程序?qū)Y1_2081A_SW選擇開關(guān)切至PY1_2081，DCS低選控制信號直接控制返回閥。

圖2 新氫機一段無擾動控制原理示意

5 結(jié)束語

無機氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)將電子技術(shù)和機械技術(shù)結(jié)合，不但能節(jié)能降耗，提高裝置綜合經(jīng)濟效益，而且為往復(fù)式壓縮機提供了一種全新的控制方式，操作人員可根據(jù)工藝情況靈活設(shè)定機組各級負荷和壓比，滿足了工藝生產(chǎn)的要求。

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