國(guó)產(chǎn)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在C6101A壓縮機(jī)的應(yīng)用

顧文武

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

大功率往復(fù)式壓縮機(jī)使用氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能還可以提高控制性能，因此已經(jīng)被越來(lái)越多的用戶認(rèn)同，但是進(jìn)口產(chǎn)品高昂的采購(gòu)價(jià)格和居高不下的使用維護(hù)成本制約了該系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，因此有必要選擇一種既能夠降低企業(yè)采購(gòu)成本、又能打破國(guó)外壟斷的新型的國(guó)產(chǎn)往復(fù)式壓縮機(jī)無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理、使用情況和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

目前，國(guó)內(nèi)采用氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的大型往復(fù)式壓縮機(jī)組越來(lái)越多，其調(diào)節(jié)原理都是在壓縮行程部分強(qiáng)制打開(kāi)進(jìn)氣閥，實(shí)現(xiàn)氣體回流，只壓縮實(shí)際需要的氣量。往復(fù)式壓縮機(jī)P-V(壓力-容積)示功圖(見(jiàn)圖1)是反映壓縮機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)(曲軸轉(zhuǎn)角360°)中活塞在不同位置時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力變化的曲線，亦稱氣體力圖。根據(jù)P-V圖可對(duì)壓縮機(jī)的工作過(guò)程做一系列的分析計(jì)算，對(duì)于氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)P-V圖的面積可以計(jì)算壓縮氣體的指示功率。在氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用下，壓縮行程的C-C’階段是不壓縮氣體的，從P-V示功圖上能夠直觀地看出其節(jié)省了壓縮機(jī)功耗。

圖1 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)的P-V示功圖

1.2 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)

奧地利赫爾比格公司的HydroCOM系統(tǒng)、美國(guó)德萊賽蘭的ISC系統(tǒng)等正是基于上述“回流省功”調(diào)節(jié)原理發(fā)展起來(lái)的，前者技術(shù)成熟、使用可靠，占據(jù)了國(guó)內(nèi)大多數(shù)現(xiàn)有壓縮機(jī)改造和新項(xiàng)目配套市場(chǎng)，處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。

赫爾比格HydroCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)于2002年首次進(jìn)入國(guó)內(nèi)石化企業(yè)，隨后國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究，其核心部件就是能夠?qū)崿F(xiàn)氣閥延遲關(guān)閉功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(1)浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所、溫州建慶公司和中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海分公司合作，共同開(kāi)發(fā)了一種采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓旋轉(zhuǎn)閥作為實(shí)現(xiàn)氣閥延遲關(guān)閉功能的關(guān)鍵部件。但是這種技術(shù)還不成熟，沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

(2)中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司和天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司合作，共同開(kāi)發(fā)了一種基于伺服先導(dǎo)控制閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)氣閥延遲關(guān)閉功能的關(guān)鍵部件，并在天津分公司進(jìn)行了裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，但是后期也沒(méi)有得到推廣應(yīng)用。

(3)江蘇迪肯節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?以下簡(jiǎn)稱江蘇迪肯)與上海迪瓦液壓科技有限公司合作，共同開(kāi)發(fā)了一種基于數(shù)控電磁閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)氣閥延遲關(guān)閉功能的關(guān)鍵部件，并在沈陽(yáng)遠(yuǎn)大壓縮機(jī)股份有限公司的部分壓縮機(jī)上進(jìn)行了裝機(jī)實(shí)驗(yàn)。相比于其他國(guó)內(nèi)廠家，江蘇迪肯開(kāi)發(fā)的基于數(shù)字化液壓控制技術(shù)的壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DiCOM(Digital Hydraulic Computerized System)采用的技術(shù)路線較為成熟，符合石化企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)、安全可靠、設(shè)備智能化和節(jié)能化改造的發(fā)展趨勢(shì)和迫切需求。

2 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)產(chǎn)品比較

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入宏觀調(diào)整期，對(duì)汽柴油的市場(chǎng)需求存在較大波動(dòng)，因此需要石化企業(yè)的煉油裝置具備一定范圍的操作彈性，在進(jìn)行變量操作的同時(shí)，兼顧到設(shè)備節(jié)能和智能化改造，綜合提高企業(yè)能效。往復(fù)式壓縮機(jī)是石化企業(yè)關(guān)鍵的工藝流程設(shè)備，其變量運(yùn)行的可控性及可操作性與煉油裝置的整體節(jié)能指標(biāo)直接相關(guān)。無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)往復(fù)式壓縮機(jī)變量運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)手段，其先進(jìn)性、可靠性及實(shí)用性將對(duì)壓縮機(jī)及關(guān)聯(lián)裝置產(chǎn)生直接的影響。對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品HydroCOM與國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品DiCOM從以下幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

2.1 安全可靠性比較

進(jìn)口 HydroCOM與國(guó)產(chǎn)DiCOM產(chǎn)品在生產(chǎn)安全方面的對(duì)比如表1所示。由表1的對(duì)比可以看出：國(guó)產(chǎn)DiCOM系統(tǒng)的安全性、可靠性指標(biāo)不低于進(jìn)口產(chǎn)品，在某些電子控制功能方面，由于采用了新的先進(jìn)技術(shù)，甚至優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。

表1 進(jìn)口 HydroCOM與國(guó)產(chǎn)DiCOM產(chǎn)品 在生產(chǎn)安全方面的比較

2.2 購(gòu)置費(fèi)用比較

目前國(guó)外無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)如HydroCOM基本處于壟斷狀態(tài)，對(duì)中國(guó)用戶的售價(jià)很高，國(guó)內(nèi)相關(guān)已研發(fā)的產(chǎn)品由于前述原因暫時(shí)無(wú)法對(duì)國(guó)外產(chǎn)品構(gòu)成威脅?；谶@個(gè)原因，在石化項(xiàng)目設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)過(guò)程中，進(jìn)口無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的價(jià)格基本接近一臺(tái)壓縮機(jī)的價(jià)格，達(dá)到200萬(wàn)～300萬(wàn)元/套，而國(guó)產(chǎn)化后的市場(chǎng)平均目標(biāo)價(jià)為100萬(wàn)～200萬(wàn)元/套，價(jià)格遠(yuǎn)低于進(jìn)口系統(tǒng)。如果這類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)無(wú)法解決而完全依靠進(jìn)口產(chǎn)品，將會(huì)耗費(fèi)大量的資金，并影響到將來(lái)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

2.3 維護(hù)費(fèi)用比較

進(jìn)口無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅初期投資費(fèi)用大，正常維修和異常損壞后的修復(fù)價(jià)格也同樣昂貴。如進(jìn)口執(zhí)行器一旦損壞，國(guó)外廠家一般不予維修，而是予以整體更換，代價(jià)很高。大量維修費(fèi)用于采購(gòu)進(jìn)口無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)備件，抵消了系統(tǒng)節(jié)能所帶來(lái)的一部分效益。如果系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，立足于國(guó)內(nèi)技術(shù)設(shè)計(jì)、制造，試驗(yàn)，其產(chǎn)品交貨期也將大大縮短，為企業(yè)安全、連續(xù)生產(chǎn)提供有效保證。

2.4 政策風(fēng)險(xiǎn)比較

目前世界貿(mào)易格局錯(cuò)綜復(fù)雜，很多進(jìn)口產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)均受到不同程度的限制，一旦出現(xiàn)類似情況，其風(fēng)險(xiǎn)加大，會(huì)給今后企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)非常嚴(yán)重的隱患。因此完全依賴國(guó)外產(chǎn)品存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)產(chǎn)化工作的深入實(shí)施可以提高企業(yè)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。目前大型石化往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但其無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)關(guān)鍵系統(tǒng)和部件仍然依賴進(jìn)口產(chǎn)品。高端主機(jī)的發(fā)展與無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的配套供應(yīng)不協(xié)調(diào)，已成為制約我國(guó)重大裝備和高端裝備發(fā)展的瓶頸。只有突破這個(gè)瓶頸，無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)才能得到普遍推廣，石化企業(yè)的節(jié)能降耗指標(biāo)才能夠順利實(shí)現(xiàn)。

3 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用

綜合以上幾點(diǎn)比較，選擇江蘇迪肯的壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)DiCOM應(yīng)用于中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)汽油加氫精制裝置的一臺(tái)循環(huán)氫壓縮機(jī)上，該壓縮機(jī)是沈陽(yáng)遠(yuǎn)大壓縮機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的往復(fù)式壓縮機(jī)，機(jī)組型號(hào)為2D20-36.53/15-27。

其主要工作參數(shù)為：進(jìn)出口壓力，1.6/2.8 MPa；進(jìn)出口溫度，40/92 ℃；曲軸轉(zhuǎn)速，331 r/min；排氣量，正常為28 874 m3/h，最大為37 000 m3/h，最小為12 000 m3/h。

3.1 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度理論分析

上海石化循環(huán)氫壓縮機(jī)C6101A以往一直采用人工手動(dòng)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)旁通回流閥門的方式來(lái)調(diào)節(jié)排氣量，不僅需要很高的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且人工調(diào)節(jié)的方式很難達(dá)到較高精度。應(yīng)用無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)之后，能夠根據(jù)實(shí)際的流量遠(yuǎn)傳信號(hào)，通過(guò)可編程中斷控制器(PIC)自動(dòng)計(jì)算需要的氣量，實(shí)現(xiàn)了較高的調(diào)節(jié)精度，具有較快的響應(yīng)速度。在調(diào)節(jié)具體的往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量時(shí)，發(fā)現(xiàn)PIC計(jì)算的0～100%壓縮機(jī)負(fù)荷與實(shí)際的排氣量百分比存在一定的偏差，經(jīng)過(guò)分析可知，原因在于：壓縮機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)(圖2)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；而氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)控制時(shí)段的平均劃分，是源自曲軸的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，相對(duì)應(yīng)的，活塞的直線運(yùn)動(dòng)是非勻速的，也就是說(shuō)壓縮機(jī)的排氣量在時(shí)間上是非線性的。

活塞的行程=曲軸長(zhǎng)度×((1-COS(曲軸夾角))+1/曲軸連桿比×(1-SQRT(1-曲軸連桿比×曲軸連桿比×SIN(曲軸夾角)×SIN(曲軸夾角)))

曲軸連桿比=曲軸長(zhǎng)度/連桿長(zhǎng)度

圖2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)示意

因此，PIC控制器的輸出OUT是部分轉(zhuǎn)角的0～100平均等分，氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行器接收到的信號(hào)CONTROL則需要對(duì)部分行程進(jìn)行0～100平均等分，兩者之間的關(guān)系是非線性的，要考慮行程與轉(zhuǎn)角之間關(guān)系參數(shù)。

尋找PIC的輸出OUT與氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行器接收值CONTROL之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系步驟如下：

(1)根據(jù)壓縮機(jī)的參數(shù)(主要是進(jìn)/排氣壓力，余隙容積)來(lái)確定100%氣量狀態(tài)下的各個(gè)階段起止角度(具體見(jiàn)圖3)；

圖3 往復(fù)式壓縮機(jī)工作的4個(gè)階段

圖4 PIC輸出值—執(zhí)行器控制值

(3)考慮到實(shí)際使用場(chǎng)合的設(shè)備限制，使用了將OUT數(shù)值按照0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100對(duì)應(yīng)點(diǎn)的Control數(shù)值，用折線代替曲線，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為區(qū)間線性關(guān)系。

采用區(qū)間線性化處理之后，在操作室分布式控制系統(tǒng)(DCS)上輸入的OUT數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際排氣量契合度大為提高。

3.2 控制精度實(shí)際數(shù)據(jù)與理論值對(duì)比

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行，選取了一組實(shí)際氣量和負(fù)荷數(shù)據(jù)，與上述理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2)。

通過(guò)上面數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以明顯看出DiCOM無(wú)級(jí)氣量節(jié)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際壓縮機(jī)的實(shí)際控制效果與理論分析基本一致，偏差在合理范圍內(nèi)。因此DiCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較高的調(diào)節(jié)精度和較快的響應(yīng)速度，在調(diào)節(jié)具體的往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量方面，有很好的優(yōu)勢(shì)。

表2 氣量和負(fù)荷數(shù)據(jù)的理論值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

3.3 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

從系統(tǒng)一年多的運(yùn)行來(lái)看，完全符合當(dāng)初的預(yù)計(jì)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)都正常，工藝指標(biāo)比沒(méi)有使用該套系統(tǒng)前有一定的提高。當(dāng)前機(jī)組的負(fù)荷根據(jù)工藝需求基本維持在50%～60%，氫氣出口回流閥完全關(guān)閉，氫氣的匹配量精準(zhǔn)，給整套裝置的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)了方便和保障。壓縮機(jī)負(fù)荷與電流關(guān)系實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。

表3 負(fù)荷與節(jié)能效果關(guān)系

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可看出，該機(jī)組使用智能變量系統(tǒng)后可以根據(jù)工藝需求任意調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，按照目前60%的運(yùn)行負(fù)荷來(lái)計(jì)算，其能有效減少氫氣的回流約11 000 m3/h，同時(shí)降低氫油比至500，從而節(jié)約加熱爐使用燃料氣約30 m3/h，電流從85 A降低至65 A。

按照年運(yùn)行8 000 h來(lái)計(jì)算，該機(jī)組若運(yùn)行在60%的負(fù)荷下，每年可以節(jié)約燃料氣約194 t，節(jié)約電量約9.6×105kWh。目前的電費(fèi)計(jì)價(jià)為0.6元/kWh，燃料氣計(jì)價(jià)為2 000元/t，該系統(tǒng)年節(jié)約費(fèi)用總計(jì)約96.4萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)DiCOM應(yīng)用于循環(huán)氫壓縮機(jī)的氣量控制效果進(jìn)行理論分析和實(shí)際氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以看出DiCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際壓縮機(jī)的實(shí)際控制效果與理論分析基本一致，偏差在合理范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的運(yùn)行，在節(jié)能增效方面表現(xiàn)優(yōu)異，因此DiCOM無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較高的調(diào)節(jié)精度和較快的響應(yīng)速度。在調(diào)節(jié)具體的往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量和節(jié)能增效方面，有很好的優(yōu)勢(shì)，今后可以在同類型的往復(fù)式壓縮機(jī)上推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的精準(zhǔn)調(diào)控和節(jié)能增效。