往復(fù)壓縮機(jī)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法投用分析

高松林

中國石油四川石化有限責(zé)任公司， 四川 彭州 611930

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往復(fù)壓縮機(jī)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法投用分析

高松林

中國石油四川石化有限責(zé)任公司， 四川 彭州 611930

為使渣油加氫裝置新氫往復(fù)壓縮機(jī)K-4001 A減少電量消耗，最大限度節(jié)約能源，降低壓縮機(jī)運(yùn)行的總費(fèi)用，有必要分析影響渣油加氫裝置新氫往復(fù)壓縮機(jī)K-4001 A無級負(fù)荷無法投用的原因并解決存在的問題。通過對照無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料及其他裝置無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)因低選器選值不正確、分程控制器發(fā)生作用的邏輯不正確、壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致渣油加氫裝置新氫往復(fù)壓縮機(jī)二、三級無級負(fù)荷調(diào)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)是影響K-4001 A無級負(fù)荷系統(tǒng)無法投用的原因。在消除影響新氫復(fù)往壓縮機(jī)無級負(fù)荷無法投用的因素后，K-4001 A無級負(fù)荷使用正常，降低了K-4001 A的電能消耗，同時(shí)對設(shè)備的長周期運(yùn)行起到重要作用。

往復(fù)壓縮機(jī)；無級負(fù)荷；無法投用；分析

0 前言

某300×104t/a渣油加氫裝置有3臺新氫往復(fù)壓縮機(jī)(K-4001 A、K-4001 B和K-4001 C)，由美國德萊賽蘭公司制造，型號3 HHE-VL-3，進(jìn)口壓力2.0 MPa、出口壓力20.61 MPa、額定流量569.2 m3/s、電機(jī)額定電壓6 000 V、額定電流406.5 A。3臺新氫往復(fù)壓縮機(jī)兩用一備，當(dāng)K-4001 A與K-4001 B或K-4001 C組合使用時(shí)，K-4001 B、K-4001 C負(fù)荷為100% 運(yùn)行且沒有無級負(fù)荷調(diào)節(jié)，為節(jié)約能耗，新氫往復(fù)壓縮機(jī)K-4001 A采用無級負(fù)荷調(diào)節(jié)。

無級負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控處理壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將4～20 mA電流信號作用至現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制進(jìn)氣閥的開啟與關(guān)閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)新氫往復(fù)壓縮機(jī)排氣量0%～100% 無級負(fù)荷調(diào)節(jié)，在壓縮過程中延遲關(guān)閉進(jìn)氣閥，使多余氣體不經(jīng)壓縮而重返進(jìn)氣總管，只壓縮實(shí)際需要的氣量，從而節(jié)省壓縮機(jī)的電量消耗,最大限度節(jié)約能源，降低壓縮機(jī)運(yùn)行總費(fèi)用[1-4]。

在實(shí)際運(yùn)行中，K-4001 A的無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能正常工作，導(dǎo)致能耗增加，未起到節(jié)約能源的作用。

1 新氫往復(fù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

新氫往復(fù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)見圖1，由圖1可知，K-4001 A與K-4001 B或K-4001 C同時(shí)運(yùn)行時(shí)，出口總壓力(PT 4003)是通過低選器(PY 4003)值作用于中間接口單元(CIU)[5-12]，實(shí)現(xiàn)K-4001 A無級負(fù)荷調(diào)節(jié)及旁路閥(PV 4003)開度。最終實(shí)現(xiàn)K-4001 A負(fù)荷滿足出口總壓力需求，同時(shí)PV 4003全關(guān)以保證不做無用功。

新氫往復(fù)壓縮機(jī)出口總壓力經(jīng)調(diào)節(jié)器(PC 4003)輸出控制值在PY 4003與新氫往復(fù)壓縮機(jī)入口壓力(PT 4002)輸出控制值進(jìn)行比較，由于PT 4002為新氫壓力低保護(hù)，設(shè)定值為允許最低工作壓力，測量值高于設(shè)定值，調(diào)節(jié)器(PC 4002)電流信號值為20 mA，因此正常操作時(shí)由PC 4003對新氫往復(fù)壓縮機(jī)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，來調(diào)節(jié)壓力。

K-4001 A采用HydroCOM氣量無級調(diào)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)K-4001 A與K-4001 B或K-4001 C同時(shí)運(yùn)行時(shí)，若新氫往復(fù)壓縮機(jī)出口總壓力下降，PC 4003輸出值增大，控制新氫往復(fù)壓縮機(jī)旁路閥PV 4003開度減小至完全關(guān)閉，之后通過無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)增大新氫往復(fù)壓縮機(jī)負(fù)荷，使出口總壓力上升；若出口總壓力增大，PC 4003輸出值減小，通過無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制新氫往復(fù)壓縮機(jī)負(fù)荷降低，當(dāng)新氫往復(fù)壓縮機(jī)負(fù)荷下降至20% 時(shí)，出口總壓力仍然大的情況下，逐漸增大旁路閥PV 4003開度，使出口總壓力下降；當(dāng)K-4001 B與K-4001 C同時(shí)運(yùn)行時(shí)，PC 4003通過調(diào)節(jié)PV 4003的開度來控制出口總壓力。

非正常狀況下，PT 4002過低時(shí)，則其輸出值減小，用PY 4003替代PC 4003控制新氫往復(fù)壓縮機(jī)負(fù)荷及旁通閥來調(diào)節(jié)新氫往復(fù)壓縮機(jī)入口壓力。無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，新氫往復(fù)壓縮機(jī)負(fù)荷及旁通閥調(diào)節(jié)控制方式見圖2。

圖1 新氫往復(fù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)

圖2 無級負(fù)荷控制

2 HydroCOM系統(tǒng)

HydroCOM系統(tǒng)主要由中間接口單元(CIU)、液壓油站(HU)、液壓執(zhí)行器(HA)、TDC傳感器及相關(guān)附件等組成[13-16]。

HydroCOM系統(tǒng)只對實(shí)際需要的氣量進(jìn)行壓縮，余下氣體在壓縮行程的開始階段，回流到進(jìn)氣腔內(nèi)。只壓縮所需氣量，節(jié)省能耗。

HydroCOM系統(tǒng)和返回線控制屬于分程控制。正常情況下，PY 4003的輸出信號至CIU實(shí)現(xiàn)一級氣缸負(fù)荷的控制，二級、三級則采用級間壓力作為控制變量，經(jīng)CIU 處理后通過現(xiàn)場總線送到各級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由各級執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終進(jìn)氣閥開啟或關(guān)閉的控制任務(wù)。CIU是一個(gè)接口設(shè)備，本身沒有壓力控制器，它接收來自DCS或其他控制器的二進(jìn)制“Enable”信號和“4～20 mA”的模擬控制信號。

由圖1～2可知，當(dāng)輸出控制值為0%～20% 時(shí)，K-4001 A運(yùn)行最小無級負(fù)荷為20%，隨著負(fù)荷增大,PV 4003的開度由100逐漸關(guān)至0，PV 4003開度與負(fù)荷的關(guān)系為100-5X。輸出控制值在20%～100% 時(shí)，PV 4003開度為0，即旁路閥呈關(guān)閉狀態(tài)且開度不隨負(fù)荷的增大而增大，K-4001 A的負(fù)荷隨輸出控制值成線性關(guān)系，負(fù)荷值與輸出控制值大小在數(shù)值上相等。

HydroCOM系統(tǒng)功能特點(diǎn)：

1)HydroCOM系統(tǒng)能對新氫往復(fù)壓縮機(jī)出口總壓力在20%～100% 負(fù)荷時(shí)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。

2)可以對新氫往復(fù)壓縮機(jī)各級壓力分別調(diào)節(jié)，使各級壓力穩(wěn)定并趨于設(shè)定值。

3)能夠?qū)崿F(xiàn)自動加載和手動加載兩種調(diào)節(jié)方式。

4)保持0負(fù)荷開機(jī)，并能在此工況下運(yùn)行5 min。

5)具有自保聯(lián)鎖功能。當(dāng)機(jī)組自停時(shí)，系統(tǒng)自動切斷；當(dāng)系統(tǒng)自身故障時(shí)，系統(tǒng)自動切斷并切換到機(jī)組100% 負(fù)荷運(yùn)行。無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)若不投用，K-4001 A可以手動給定負(fù)荷調(diào)節(jié)。

3 渣油無級負(fù)荷調(diào)節(jié)分析

由圖2和新氫往復(fù)壓縮機(jī)控制系統(tǒng)分析并可以得出：

1)若出口總壓力降低，PC 4003輸出控制值增大，旁路閥開度逐漸關(guān)至0，此時(shí)若出口總壓力仍然低于設(shè)定值，無級調(diào)節(jié)負(fù)荷從20% 逐漸增加，出口總壓力上升，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。在正常生產(chǎn)運(yùn)行中旁路閥全關(guān)，出口總壓力低靠增加壓縮機(jī)負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)。

2)若出口總壓力上升，PC 4003輸出控制值減小，無級調(diào)節(jié)負(fù)荷逐漸降低至20 %，此時(shí)出口總壓力仍高于設(shè)定值，旁路閥逐漸開啟，出口總壓力下降，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。

3)以上兩種情況滿足的前提是PT 4002實(shí)際測量值高于設(shè)定值，根據(jù)PY 4003低選比較的結(jié)果由PC 4003接管控制系統(tǒng)。

4)若PT 4002低于設(shè)定值時(shí)電流信號值4 mA，根據(jù)PY 4003選擇結(jié)果無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)由PC 4002控制，PC 4002輸出減小，旁路閥逐漸開啟，PT 4002逐漸恢復(fù)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。壓力恢復(fù)正常操作壓力PC 4002電流信號值20 mA，此時(shí)系統(tǒng)根據(jù)低選由PC 4003進(jìn)行控制。

5)由圖2知PV 4003在輸出控制值0%～20% 時(shí)，無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)最低負(fù)荷20%，對應(yīng)的PV 4003開度由100逐漸變化至0,且開度與輸出控制值滿足100-5X關(guān)系。輸出控制值在20%～100% 時(shí)，由于無級調(diào)節(jié)負(fù)荷值與輸出控制值呈線性關(guān)系，此時(shí)K-4001 A的無級調(diào)節(jié)負(fù)荷值等于輸出值。

4 無級負(fù)荷無法投用原因及解決措施

4.1 低選器選值不正確

根據(jù)設(shè)計(jì)，低選器比較PC 4002和PC 4003輸出值后，選擇其中低值者來控制系統(tǒng)。PY 4003選擇的低選值是電流值，同時(shí)前提是PT 4002的設(shè)定值為最低壓力，遠(yuǎn)低于新氫管網(wǎng)壓力，這樣PC 4002電流信號值為20 mA，除非PT 4002的實(shí)際測量值低于設(shè)定值，這時(shí)PC 4002電流信號值為4 mA。無級調(diào)節(jié)負(fù)荷系統(tǒng)就能根據(jù)PY 4003比較的結(jié)果，正確選擇用PC 4002或PC 4003來控制系統(tǒng)。

在實(shí)際集散控制系統(tǒng)(DCS)邏輯中，PC 4002及PC 4003低選值是控制閥的閥開度值，與設(shè)計(jì)電流值不符，在實(shí)際運(yùn)行不能準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)由誰控制，投用后系統(tǒng)波動很大，雖然后期調(diào)整為高選，但選擇比較的結(jié)果仍然是閥開度值，而不是兩者的電流值，只能改手動控制，無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)則停用。另外操作要求PT 4002的給定值為壓縮機(jī)入口最低允許壓力值，此值遠(yuǎn)低于新氫來管網(wǎng)壓力值，同時(shí)要求PT 4002實(shí)際壓力測量值高于壓力給定值時(shí)輸出電流20 mA,實(shí)際壓力測量值低于壓力給定值則輸出電流4 mA。無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能滿足設(shè)計(jì)的要求,能準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)由PC 4002或PC 4003控制。

4.2 分程控制器發(fā)生作用的邏輯不正確

由渣油無級負(fù)荷調(diào)節(jié)分析及圖2可知，PC 4003接管系統(tǒng)，閥開度值在20%～100% 時(shí)，無級負(fù)荷系統(tǒng)調(diào)節(jié)值與閥開度值相等，旁路閥開度全關(guān)。0%～20% 時(shí)，新氫往復(fù)壓縮機(jī)K-4001 A無級負(fù)荷調(diào)節(jié)值20 % 保持不變，出口總壓力由旁路閥開度調(diào)節(jié)且閥開度滿足100-5X關(guān)系。

運(yùn)行中一般由PC 4003控制新氫往復(fù)壓縮機(jī)K-4001 A一級負(fù)荷及旁通閥開度，當(dāng)新氫往復(fù)壓縮機(jī)入口氫氣中斷則用PC 4002來控制。實(shí)際運(yùn)行中壓縮機(jī)給定負(fù)荷不滿足上述設(shè)計(jì)要求，因此無法實(shí)現(xiàn)自動無級負(fù)荷調(diào)節(jié)。

4.3 壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷

HydroCOM系統(tǒng)和返回線控制屬于分程控制，特點(diǎn)是一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出同時(shí)控制幾個(gè)工作范圍不同的調(diào)節(jié)閥[17]。實(shí)際上一級、二級通過采用級間壓力為控制變量，經(jīng)CIU 處理后通過現(xiàn)場總線送到各級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由各級執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終進(jìn)氣閥開啟或關(guān)閉的控制任務(wù)。由于新氫往復(fù)壓縮機(jī)二級、三級負(fù)荷控制缺少控制閥門，缺少一回一和二回一氣量調(diào)節(jié)控制閥門及工藝管線，多余的氣體留在上一級造成壓縮機(jī)十字頭銷磨損，十字頭瓦燒毀。K-4001 A運(yùn)行過程中曾在一級負(fù)荷80% 左右、二級負(fù)荷略低、三級負(fù)荷接近5 % 時(shí)壓縮機(jī)十字頭銷磨損，十字頭瓦燒毀的情況。分析造成的原因?yàn)槿壷恍栌玫? % 的氣量，絕大多數(shù)留到二級出口，造成二級出口壓力高，二級在壓縮氣體克服阻力的過程中造成十字頭銷和十字頭瓦的損壞[18-20]。

實(shí)踐證明一回一線、二回一返回且返回線上若設(shè)有控制閥，通過分程控制將多余氣體返回，則不會發(fā)生壓縮機(jī)的損壞。

5 結(jié)論

渣油加氫裝置中新氫無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法投用的原因有:

1)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)低選器因低選值錯(cuò)誤，造成低選器不能正確選擇控制方案。

2)PC 4003分程控制發(fā)生作用的邏輯不正確，新氫往復(fù)壓縮機(jī)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)與返回線旁路閥開度不能按圖2的要求實(shí)現(xiàn)。PC 4002控制情況少見，但也需檢查邏輯是否符合設(shè)計(jì)要求。

3)二、三級無級調(diào)節(jié)負(fù)荷的控制邏輯無法滿足生產(chǎn)需求，在不改變管線的前提下可以將二、三級的負(fù)荷值在DCS邏輯上實(shí)現(xiàn)與一級負(fù)荷一致。

通過修改無級負(fù)荷調(diào)節(jié)器低選值為電流信號值和PC 4003分程控制邏輯存在的錯(cuò)誤以及二、三級的負(fù)荷值在DCS邏輯上與一級負(fù)荷一致，K-4001 A實(shí)現(xiàn)了在20 %～100 % 負(fù)荷下的自動控制且運(yùn)行效果良好。

將上述影響壓縮機(jī)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)正常投用的因素排除后，新氫往復(fù)壓縮機(jī)無級負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮作用，對新氫往復(fù)壓縮機(jī)的節(jié)能降耗及長周期平穩(wěn)運(yùn)行起到重要作用。

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2015-09-10

高松林(1983-)，男，四川成都人，工程師，學(xué)士，主要從事渣油加氫工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.020