無極進(jìn)氣量系統(tǒng)在干柜壓縮機(jī)上的應(yīng)用

屈瑞辰，楊海濤

（烏魯木齊石化公司煉油廠，烏魯木齊 830019）

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)被廣泛地應(yīng)用于石油煉化行業(yè)，發(fā)揮著越來越重要的作用。烏石化煉油廠對(duì)低壓瓦斯增壓采用了類似的往復(fù)式壓縮機(jī)，低壓瓦斯通過增壓供全廠使用。由于干柜的3臺(tái)壓縮機(jī)的排氣量都是在設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定的（只能實(shí)現(xiàn)0%，50%，100%3個(gè)檔位），無法滿足隨時(shí)變化的工況，但是裝置對(duì)氣量的需求是隨時(shí)間變化的，這就要求對(duì)其中1臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，使排氣量能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極連續(xù)調(diào)節(jié)。目前，煉油廠現(xiàn)有的氣量調(diào)節(jié)方法（如頂開氣閥等）都不能滿足連續(xù)、節(jié)能和小擾動(dòng)的要求。另外，在國外應(yīng)用較為普遍的補(bǔ)充余見習(xí)容積調(diào)節(jié)對(duì)小壓比情況下的應(yīng)用有所限制，本廠應(yīng)用的賀爾碧格公司的無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)造價(jià)又相對(duì)較高，而部分行程頂開氣閥的氣量調(diào)節(jié)能夠滿足工藝流程對(duì)氣量調(diào)節(jié)的各方面要求，較好地解決了往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無極調(diào)節(jié)的難題，并且較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1 無極進(jìn)氣系統(tǒng)在K202上的應(yīng)用

干柜K202壓縮機(jī)為DW-76/15-X型干式氣柜壓縮機(jī)為一列二級(jí)活塞式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的所有進(jìn)氣閥均采用上無級(jí)調(diào)節(jié)閥，通過無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和DCS組態(tài)軟件控制，將壓縮機(jī)的排氣量控制在工藝要求的范圍內(nèi)。

1.1 壓縮機(jī)參數(shù)

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速327r/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率580KW，一級(jí)進(jìn)口壓力0.00035MPa（表壓），二級(jí)出口壓力1.5MPa（表壓），氣體介質(zhì)：瓦斯氣。

1.2 調(diào)節(jié)裝置及其安裝

壓縮機(jī)一、二級(jí)氣缸蓋側(cè)和軸側(cè)均改裝成氣量無級(jí)調(diào)節(jié)氣閥，共12只，使用吳忠調(diào)節(jié)閥和山武定位器；閥片和壓爪采用PEEK。如圖1。

1.3 二級(jí)排氣壓力和級(jí)間壓力的調(diào)節(jié)

要求壓縮機(jī)二級(jí)排氣壓力保持穩(wěn)定，上下波動(dòng)不超過額定進(jìn)氣壓力的10%，通過一級(jí)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣量。若過高，則減少進(jìn)氣閥回流量，若過低，則增大回流量。

2 無極進(jìn)氣量系統(tǒng)在JX-300X系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

浙大中控的JX-300X的最初版本源自1993年自主開發(fā)的JX-100，經(jīng)過JX-100、JX-300、JX-300X幾年的不斷升級(jí)，現(xiàn)在從軟硬件來講應(yīng)該全部算自主研發(fā)，前兩年推出的ECS100產(chǎn)品就是JX-300硬件加IFIX軟件，目前它在市場(chǎng)上主推的還是JX-300XP。干柜機(jī)組使用的是較為落后JX-300X，軟件系統(tǒng)為AdvanTrol-X3.16。

圖1 調(diào)節(jié)裝置位置編號(hào)圖Fig.1 Adjusting device position number chart

圖2 控制器間通訊原理Fig.2 Controller communication principle

2.1 控制器間通信

由于新增無極進(jìn)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要12個(gè)AO輸出點(diǎn)，原系統(tǒng)中備用點(diǎn)已經(jīng)用完，所以需要增加新的控制器進(jìn)行組態(tài)，而關(guān)鍵的參數(shù)K202一級(jí)進(jìn)氣壓力，級(jí)間壓力、排氣壓力在原控制器中，需要將其通訊到新的控制器中參與無極進(jìn)氣量系統(tǒng)的邏輯控制?？刂破鏖g通訊原理如圖2。

2.1.1 從原控制器中打包發(fā)送數(shù)據(jù)

發(fā)送數(shù)據(jù)首先需要將數(shù)據(jù)打包，由于發(fā)送的數(shù)據(jù)是模擬量信號(hào)，模擬量信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)以2字節(jié)的半浮點(diǎn)（sfloat）數(shù)據(jù)類型；g_msg變量是一個(gè)32位的，每一個(gè)g_msg分別可以利用它的高16位和低16位存放2個(gè)半浮點(diǎn)型的2個(gè)變量。用setsfloat函數(shù)將數(shù)據(jù)打包進(jìn)g_msg變量中，然后用sendmsg將數(shù)據(jù)廣播發(fā)送，如圖3。

2.1.2 新控制器接收數(shù)據(jù)

發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，需要在接受數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，原控制器地址是04，新控制器的是16，現(xiàn)在需要在16號(hào)控制器中編寫接受數(shù)據(jù)的程序。16號(hào)站點(diǎn)需要接受的數(shù)據(jù)就是地址4號(hào)控制站發(fā)送出來的兩個(gè)g_msg變量：g_msg[0]和g_msg[1]。Getmsg函數(shù)可以從其他控制站讀取廣播消息的包；GETSFLOST函數(shù)讀取廣播數(shù)據(jù)包中的半浮點(diǎn)（sfloat）數(shù)據(jù)類型。如圖4所示。

2.2 控制方案的實(shí)現(xiàn)

本控制思想是要求二級(jí)排氣壓力保持設(shè)定值的穩(wěn)定，并針對(duì)上述氣量調(diào)節(jié)要求和氣量無級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。控制中心輸出信號(hào)為12路模擬量PID調(diào)節(jié)（電流4mA~20mA），分別控制一級(jí)蓋側(cè)和軸側(cè)、二級(jí)蓋側(cè)和軸側(cè)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（一級(jí)8路模擬量PID分別調(diào)節(jié)蓋側(cè)和軸側(cè)共8只可調(diào)氣閥，二級(jí)4路模擬量PID分別調(diào)節(jié)蓋側(cè)和軸側(cè)共4只可調(diào)氣閥）。輸入顯示檢測(cè)信號(hào)為4路，分別為一級(jí)進(jìn)氣壓力、二級(jí)進(jìn)氣壓力、二級(jí)出口壓力和二級(jí)出口溫度。

圖3 將控制器中的數(shù)據(jù)廣播發(fā)送Fig.3 Data in the controller sends broadcast

圖4 從4號(hào)站讀取數(shù)據(jù)寫入當(dāng)前控制器中Fig.4 Current controller reads the data written from the 4th station

將原來的進(jìn)氣閥改裝成無級(jí)可調(diào)氣閥，可實(shí)現(xiàn)30%~100%之間的無級(jí)調(diào)節(jié)及壓縮機(jī)空負(fù)荷、滿負(fù)荷工況。二排壓力和一排壓力控制在目標(biāo)設(shè)定值合理范圍內(nèi)動(dòng)作運(yùn)行[1]。

根據(jù)設(shè)定值檢測(cè)二級(jí)實(shí)際排氣壓力，若實(shí)際排氣壓力高于設(shè)定值，說明一級(jí)進(jìn)氣閥的流量過大，需要減小進(jìn)氣閥的進(jìn)氣量，則增加輸出電流，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓叉頂開力增大；相反，若實(shí)際排氣壓力低于設(shè)定值，說明一級(jí)進(jìn)氣閥的流量過小，需要增加進(jìn)氣閥的進(jìn)氣量，則減小輸出電流，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓叉頂開力減小。

類似地，根據(jù)設(shè)定值檢測(cè)二級(jí)實(shí)際進(jìn)氣壓力，若進(jìn)氣實(shí)際壓力高于設(shè)定值P，說明二級(jí)進(jìn)氣閥流量過小，需要增加進(jìn)氣閥的進(jìn)氣量，則減少輸出電流，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓叉頂開力降低；相反，若進(jìn)氣實(shí)際壓力低于設(shè)定值，說明二級(jí)進(jìn)氣閥的流量過大，需要減少進(jìn)氣閥的進(jìn)氣量，則增加輸出電流，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓叉頂開力增大。

PID調(diào)節(jié)采用3參數(shù)增量型PID調(diào)節(jié)，在“自動(dòng)”狀態(tài)下，一級(jí)進(jìn)氣閥蓋側(cè)4只進(jìn)氣閥采用4只PID控制器同步調(diào)節(jié)，一級(jí)軸側(cè)4只進(jìn)氣閥采用4只PID控制器同步調(diào)節(jié)；二級(jí)進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)則跟一級(jí)類同。在“手動(dòng)”狀態(tài)下，一級(jí)兩側(cè)進(jìn)氣閥和二級(jí)兩側(cè)進(jìn)氣閥共12只均可分別進(jìn)行獨(dú)立PID調(diào)節(jié)。

控制邏輯圖如圖5、圖6。

2.2.1 PID控制方案的實(shí)現(xiàn)

圖5 一級(jí)進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)PID控制邏輯Fig.5 1 Intake valve adjustment PID control logic

圖6 二級(jí)進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)PID控制邏輯Fig.6 2 Intake valve adjustment PID control logic

壓縮機(jī)排氣壓力是由一級(jí)進(jìn)氣壓力P0和二級(jí)排氣壓力P2進(jìn)行計(jì)算后得出的結(jié)果進(jìn)行控制的（公式見圖7），而一級(jí)排氣壓力是由一級(jí)進(jìn)氣壓力所控制的，整個(gè)控制回路需要兩個(gè)PID模塊進(jìn)行完成，第一個(gè)PID模塊控制由一級(jí)進(jìn)氣壓力控制一級(jí)排氣壓力，第二個(gè)PID模塊由計(jì)算出來的壓比P來控制二級(jí)排氣壓力。

圖7 一級(jí)進(jìn)氣壓力P0和二級(jí)排氣壓力P2計(jì)算出來的壓比Fig.7 1 Manifold pressure calculated from secondary discharge pressure P0 and P2 pressure ratio

由于第一個(gè)PID模塊控制了4個(gè)氣閥，第二個(gè)模塊控制了8個(gè)調(diào)氣閥，所以當(dāng)某個(gè)閥出現(xiàn)了故障之后，很難將其切除單獨(dú)維護(hù)，于是將每一個(gè)氣閥引入一個(gè)開關(guān)并對(duì)每個(gè)調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)增加一個(gè)PID模塊，當(dāng)在運(yùn)行位置的時(shí)候調(diào)節(jié)閥根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)作，當(dāng)氣閥故障時(shí)，將開關(guān)切換至檢修狀態(tài)，氣閥則不受總PID塊控制，可對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)操作，其他氣閥不受影響[2]。

2.2.2 控制方案之間的切換

無極進(jìn)氣量系統(tǒng)一共有5種控制方案，分別是：

1）0%負(fù)荷：所有氣閥全開。

2）30%~50%負(fù)荷：1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、11號(hào)氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，其余氣閥全關(guān)。

3）50%負(fù)荷：1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、11號(hào)氣閥全開，其余氣閥全關(guān)。

4）50%~95%負(fù)荷：所有氣閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5）100%負(fù)荷：所有氣閥全開。

3 調(diào)試中出現(xiàn)的問題

現(xiàn)象1：一級(jí)排氣壓力（級(jí)間壓力）跳動(dòng)大，并在一排壓力超過最大值設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)有短暫輕微振動(dòng)。

原因：調(diào)試中發(fā)現(xiàn)DCS控制系統(tǒng)中，一排壓力控制二級(jí)氣閥開度作用與要求作用方式設(shè)置相反。即目前調(diào)試時(shí)一排壓力高于設(shè)定壓力，增加電流，而要求作用方式為，若一排壓力高于設(shè)定值，應(yīng)減小電流。同時(shí)由于此原因造成的一排壓力升高，壓縮比相差過大，當(dāng)一排壓力下降到最大值以下，輕微振動(dòng)消失。

現(xiàn)象2：最初調(diào)試出現(xiàn)二級(jí)排氣壓力下降迅速。

二級(jí)排氣壓力下降迅速主要原因在于二級(jí)排氣壓力控制的PID反應(yīng)時(shí)間過長。目前把反應(yīng)時(shí)間縮短后，二級(jí)排氣壓力能控制在指定范圍內(nèi)波動(dòng)。同時(shí)由于一級(jí)排壓控制作用反了，在調(diào)控狀態(tài)切換時(shí)，氣閥調(diào)節(jié)開度處于100%，導(dǎo)致切換未平緩過渡，出現(xiàn)氣缸響聲；同時(shí)氣閥開度過大，調(diào)節(jié)過程壓力下降迅速，造成二排壓力下降迅速。

現(xiàn)象3：50%到100%相互切換時(shí)，氣缸有響聲。

原因：控狀態(tài)切換和改變時(shí)，氣閥動(dòng)作變化劇烈，氣流變化閥片沖擊閥座所致。

措施：調(diào)控狀態(tài)切換和改變過程中，必須注意切換過程的緩和性，使其操作平穩(wěn)過渡。

現(xiàn)象4：目前正常（滿負(fù)荷）運(yùn)行狀況下，壓縮機(jī)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)備壓0.55Mpa（表壓），負(fù)荷智能在氣量調(diào)節(jié)的40%左右。

原因：系統(tǒng)備壓低；同時(shí)流量與柜容有關(guān)，氣體流量變化較大，造成調(diào)節(jié)效果不會(huì)很明顯。

措施：盡量保持K202的高負(fù)荷運(yùn)行。

4 小結(jié)

1）此無極進(jìn)氣量系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了30%~95%之間無擾動(dòng)切換的功能。

2）無極進(jìn)氣量系統(tǒng)的成功，干柜K202壓縮機(jī)耗電量明顯減少。

3）隨著石油資源的減少與應(yīng)用的過度，世界能源的日益緊張，這不僅要求活塞式壓縮機(jī)的排氣量能夠在更大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而且要求壓縮機(jī)功耗隨排氣量降低而成比例下降，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。無級(jí)氣量調(diào)節(jié)正是活塞式壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法中的一種，具有經(jīng)濟(jì)、安全及維修方便等特點(diǎn)，必將予以重任。

[1]唐斌,李連生,王樂.往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)過程中進(jìn)氣閥的動(dòng)態(tài)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(04):136-141.

[2]梁涌.往復(fù)壓縮機(jī)氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用[J].壓縮機(jī)技術(shù),2007,03:13-17.