HRCS無級調(diào)節(jié)在往復(fù)式壓縮機(jī)中的應(yīng)用

潘博元

（新奧（舟山）液化天然氣有限公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

新奧（舟山）LNG 接收站天然氣外輸采用往復(fù)式壓縮機(jī)增壓輸送，該壓縮機(jī)為六列對稱平衡型，三級壓縮，一缸一列（各氣缸均為雙作用氣缸），兩個(gè)一級氣缸布置在機(jī)身的一側(cè)，兩個(gè)二級氣缸布置在機(jī)身的另一側(cè)，兩個(gè)三級氣缸分別布置在兩側(cè)。壓縮機(jī)將由上游緩沖罐來的壓力為0.6MPa 的BOG 氣體增壓至7.9MPa 的天然氣輸送到下游管網(wǎng)。單臺壓縮機(jī)額定供氣量是17570Nm3/h（0.1013MPa，0℃）[1]。

由于下游管網(wǎng)天然氣需求量經(jīng)常變化，且在選用壓縮機(jī)時(shí)都考慮富余量，故壓縮機(jī)經(jīng)常在部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，這樣很不經(jīng)濟(jì)。為了適應(yīng)下游用戶的需求，一般常用的控制方法是調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的輸出氣量，往復(fù)式壓縮機(jī)經(jīng)常采用旁路回流調(diào)節(jié)，即通過設(shè)置在旁路管道上的回流調(diào)節(jié)閥使部分高壓氣體回到壓縮機(jī)的入口管道中。這種調(diào)節(jié)方式應(yīng)用最廣泛，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)方案簡單，易于實(shí)施，缺點(diǎn)是能量消耗嚴(yán)重，對于大型壓縮機(jī)電量耗費(fèi)巨大。新奧（舟山）LNG 接收站氣體外輸壓縮機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用旁路回流調(diào)節(jié)與HRSC 相結(jié)合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，開停車時(shí)采用旁路回流調(diào)節(jié)，運(yùn)行時(shí)采用HRSC 無級調(diào)節(jié)。自開車運(yùn)行一年多來，達(dá)到節(jié)約能源，降本增效的目的。

圖1 HRSC系統(tǒng)工作的原理圖Fig.1 Schematic diagram of HRSC system operation

1 HRSC無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡介

HRSC 無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)（以下簡稱HRSC 系統(tǒng)）是基于部分行程頂開進(jìn)氣閥工作的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是一個(gè)獨(dú)立的壓縮機(jī)排氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。HRSC 系統(tǒng)可以適應(yīng)原壓縮機(jī)DCS 系統(tǒng)協(xié)作運(yùn)行，也可以作為調(diào)節(jié)子單元獨(dú)立運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)排氣量0%～100%范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行中考慮到回流量過大引起進(jìn)氣閥閥腔溫度升高的影響，一般設(shè)置的調(diào)節(jié)范圍是30%～100%[2]。

1.1 工作原理

HRSC 系統(tǒng)主要由液壓站、電磁閥、進(jìn)氣閥、控制系統(tǒng)等組成，HRSC 系統(tǒng)工作的原理如圖1 所示[2]。該電磁閥是一種高精度、高可靠性、高頻率動作的專用執(zhí)行元件，電磁閥有兩種狀態(tài)，一種是勵(lì)磁或得電，對應(yīng)的高壓油路接通與低壓油路斷開；另一種是非勵(lì)磁或失電，對應(yīng)的高壓油路斷開與低壓油路接通。如果電磁閥勵(lì)磁，那么高壓油路就接通，高壓油推動液壓油缸內(nèi)的活塞向下運(yùn)動，活塞把推力傳遞并帶動閥桿向下運(yùn)行，閥桿固定在閥片上，閥片隨閥桿一起下移，直到閥片貼合限制器為止。這就是強(qiáng)制打開進(jìn)氣閥的過程，進(jìn)氣閥的開關(guān)可以通過電磁閥勵(lì)磁或非勵(lì)磁控制，進(jìn)氣閥的開關(guān)時(shí)間長度可以通過控制電磁閥勵(lì)磁或非勵(lì)磁的時(shí)間長度來實(shí)現(xiàn)。如果電磁閥非勵(lì)磁，那么低壓油路就接通，高壓油路斷開，液壓油缸內(nèi)的高壓油排入低壓油路，閥片就失去強(qiáng)制推力，閥片在閥片彈簧與氣缸內(nèi)氣體壓力的作用下向上移動，直至緊密貼合閥座，這就是進(jìn)氣閥的關(guān)閉過程。壓縮機(jī)的工作過程是膨脹、吸氣、壓縮、排氣4 個(gè)階段，在壓縮階段，氣缸內(nèi)一部分氣體被排出，剩余氣體被壓縮，控制被壓縮氣體的體積或者調(diào)節(jié)被排除氣體的體積是HRSC 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，氣缸的容積是固定的，排出氣體體積可以通過進(jìn)氣閥的打開時(shí)間衡量。即通過控制電磁閥的勵(lì)磁時(shí)間到達(dá)，用進(jìn)氣閥來調(diào)節(jié)壓縮氣體體積，實(shí)現(xiàn)本氣缸內(nèi)部氣體回流，按照需要?dú)怏w量壓縮氣體，達(dá)到節(jié)約電能的目標(biāo)。在HRSC 系統(tǒng)實(shí)施方案中，電磁閥勵(lì)磁時(shí)間長短是由PLC 控制器內(nèi)部組態(tài)的功能模塊決定，功能模塊根據(jù)排氣壓力（與活塞行程及氣量對應(yīng)）來輸出控制信號。

圖2 HRSC系統(tǒng)的壓縮機(jī)氣缸P-V圖Fig.2 P-V Diagram of compressor cylinder of HRSC system

HRSC 系統(tǒng)的壓縮機(jī)氣缸P-V 圖如圖2 所示[2]。圖2中從A 到B 段，氣體壓力逐漸減小，氣體體積緩慢增加，這一階段稱為膨脹階段，此階段電磁閥處于失電狀態(tài)。從B 到C 段，氣體壓力幾乎不變，氣體體積迅速增加，這一階段稱為吸氣階段，此階段進(jìn)氣閥因氣體壓力而自動打開，電磁閥被得電。從C 經(jīng)Cr 到Dr 段，氣體壓力增大，氣體體積減小，這一階段稱為壓縮階段，此階段從C 經(jīng)Cr，電磁閥延時(shí)得電接通，氣缸內(nèi)部分氣體回流至入口管道，這就是HRSC 系統(tǒng)壓縮機(jī)的缸內(nèi)回流，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的關(guān)鍵；此階段從Cr 到Dr，電磁閥失電，進(jìn)氣閥自動關(guān)閉，活塞壓縮氣體。從Dr 到A 段，氣體壓力略微減小，氣體體積迅速減小，這一階段稱為排氣階段，此階段電磁閥處于失電狀態(tài)。這就是壓縮機(jī)工作的一個(gè)完整階段。

圖3 專用進(jìn)氣閥Fig.3 Special air inlet valve

在壓縮機(jī)工作的膨脹、吸氣、壓縮、排氣中，電磁閥得電延時(shí)時(shí)間的長短決定了回流氣體的多少，也就是減少被壓縮氣體的多少。這樣相比于旁通回流調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的電力節(jié)能。

1.2 HRSC系統(tǒng)的組成

HRSC 系統(tǒng)的組成有電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓動力系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表等4 大部分。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)由專用進(jìn)氣控制閥、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、密封器、防爆高速電磁閥等組成，作用是執(zhí)行PLC 控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，打開或關(guān)閉電磁閥，使高壓油被接通或斷開，使進(jìn)氣閥的頂開時(shí)間被控制，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的排氣量。專用進(jìn)氣閥是針對該調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)，如圖3 所示[3]，它由頂桿、彈簧、壓叉、閥座、閥片、閥桿、限制器等組成。高壓油推動頂桿傳遞到閥桿上，閥桿帶動閥片向下移動，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣閥打開，進(jìn)氣閥關(guān)閉是靠彈簧復(fù)位。

液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組件設(shè)計(jì)有密封氮?dú)饨庸芸?、漏液接管口、漏氣接管口、進(jìn)液接管口及出液接管口。漏液接管口的作用是把液壓油系統(tǒng)中少量泄漏的油一起排放至廢油回收罐內(nèi)；漏氣接管口的設(shè)計(jì)是出于安全考慮，防止易燃易爆的工藝氣體泄漏到防爆接線盒內(nèi)；密封氮?dú)饨庸芸诘脑O(shè)計(jì)也是出于安全考慮，防止高壓的易燃易爆工藝氣體躥入防爆接線盒內(nèi)。

液壓油系統(tǒng)由液壓油站、壓力調(diào)節(jié)閥、油過濾器、風(fēng)冷器、電加熱器、油路分配器、管路蓄能器、油管路、儀表等組成，液壓油站主要由液壓油泵及電機(jī)、油箱、蓄能器、溢流閥、電磁換向閥、節(jié)流閥、壓力表、液位計(jì)等組成。液壓油系統(tǒng)提供全部電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)高速運(yùn)行所需要的壓力，油站中的常壓油被油泵加壓至高壓油而輸出，在輸出管路通過調(diào)壓器調(diào)至目標(biāo)壓力數(shù)值，一般在8MPa ～13MPa 之間。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試的結(jié)果最終確定油壓的大小，設(shè)定好后，無需再進(jìn)行調(diào)整。液壓油站還配備了壓力變送器、溫度變送器和液位變送器。壓力變送器用于監(jiān)測液壓站的油壓，實(shí)時(shí)顯示油站出口壓力與回油壓力；溫度變送器用來監(jiān)測液壓站油箱液壓油的實(shí)時(shí)溫度；液位計(jì)的作用是實(shí)時(shí)顯示油箱中油的液位，并把數(shù)值遠(yuǎn)傳方便監(jiān)控。當(dāng)油箱中的油位低于液位聯(lián)鎖值時(shí)，禁止啟動油站油泵。該油箱的油位必須設(shè)置低液位報(bào)警，提示應(yīng)該加油。

HRSC 控制系統(tǒng)由機(jī)柜、西門子S7-300 控制器及卡件、MODBUS 從站、24V 直流電源、48V 直流電源、UPS電源等組成，其中DO 卡采用SM322 數(shù)字量輸出卡16 路24VDC/0.5A 高速型。PLC 控制系統(tǒng)是HRSC 系統(tǒng)的核心關(guān)鍵設(shè)備，它的主要功能是依據(jù)機(jī)組DCS 控制系統(tǒng)提供的工藝參數(shù)值，如一級進(jìn)氣壓力、三級排氣壓力等。由程序中編制的功能模塊進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出電磁閥的延遲關(guān)閉時(shí)間，該時(shí)間數(shù)值賦給時(shí)間繼電器從而控制DO 卡通道的輸出時(shí)間，控制了電磁閥的得電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)氣閥開關(guān)的控制。運(yùn)算電磁閥延遲開關(guān)時(shí)間的功能模塊是HRSC 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

PLC 控制系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了HRSC 系統(tǒng)現(xiàn)場儀表測量參數(shù)的監(jiān)控，這些參數(shù)依據(jù)運(yùn)行要求均設(shè)計(jì)了報(bào)警及聯(lián)鎖值，在設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)報(bào)警或聯(lián)鎖，以保證設(shè)備的安全。

PLC 控制系統(tǒng)的工藝監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以通過通訊的方式傳給機(jī)組原DCS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。

HRSC 控制系統(tǒng)在對時(shí)間計(jì)算時(shí)需要一個(gè)控制邏輯上時(shí)間的參考起始點(diǎn)，這里稱為參考零點(diǎn)。參考零點(diǎn)的測量是由止點(diǎn)位置傳感器實(shí)現(xiàn)的，止點(diǎn)位置傳感器可以選用接近開關(guān)、轉(zhuǎn)速探頭、鍵相探頭。止點(diǎn)位置傳感器由感應(yīng)線圈探頭與感應(yīng)螺母組成[2]，感應(yīng)線圈探頭安裝在支架上固定不動，感應(yīng)螺母固定在壓縮機(jī)主軸飛輪上同步轉(zhuǎn)動。當(dāng)主軸飛輪轉(zhuǎn)動時(shí)，感應(yīng)螺母每切割一次感應(yīng)線圈探頭產(chǎn)生的磁力線，在感應(yīng)線圈中就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，該脈沖傳送至HRSC 控制系統(tǒng)，作為參考零點(diǎn)。這里選用倍加福的接近開關(guān)，型號規(guī)格為NCB5-18GM40-NO，可應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)2 區(qū)。

2 無級調(diào)節(jié)控制方案

2.1 HRCS系統(tǒng)與機(jī)組DCS控制系統(tǒng)的關(guān)系

壓縮機(jī)機(jī)組主要的控制系統(tǒng)是DCS 控制系統(tǒng)，用于監(jiān)控壓縮機(jī)主機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、空氣冷卻器等的工藝參數(shù)狀態(tài)，HRCS 系統(tǒng)只是一種排氣流量調(diào)節(jié)控制，其給定值來自DCS 控制系統(tǒng)輸出信號。

圖4 DCS控制系統(tǒng)與HRCS控制系統(tǒng)的關(guān)系圖Fig.4 Relation diagram of DCS control system and HRCS control system

HRCS 控制系統(tǒng)與DCS 控制系統(tǒng)的關(guān)系圖如圖4 所示。當(dāng)HRCS 系統(tǒng)故障而未投用時(shí)，DCS 控制系統(tǒng)通過旁路回流調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的排氣量；當(dāng)HRCS 系統(tǒng)因故投用時(shí)，則由HRCS 系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的排氣量。HRCS 系統(tǒng)與壓縮機(jī)機(jī)組DCS 控制系統(tǒng)之間的控制信號采用硬線連接的方式，監(jiān)控信號采用通信方式輸送至DCS 控制系統(tǒng)。

2.2 HRCS系統(tǒng)時(shí)序控制

新奧（舟山）LNG 接收站的往復(fù)式壓縮機(jī)配置20 個(gè)進(jìn)氣閥，一級前氣缸、一級后氣缸、二級前氣缸、二級后氣缸各配套4 個(gè)進(jìn)氣閥（2 個(gè)軸側(cè)進(jìn)氣閥，2 個(gè)蓋側(cè)進(jìn)氣閥），三級左氣缸、三級右氣缸各配套2 個(gè)進(jìn)氣閥（1 個(gè)軸側(cè)進(jìn)氣閥，1 個(gè)蓋側(cè)進(jìn)氣閥）。壓縮機(jī)有多個(gè)氣缸，下面以1 個(gè)氣缸為例說明時(shí)序控制。實(shí)際上，壓縮機(jī)每一列氣缸在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)以曲柄夾角計(jì)算出動作時(shí)序值，當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)入吸氣階段，電磁閥開始失電，進(jìn)氣閥因缸內(nèi)氣壓打開，在某一時(shí)刻電磁閥得電致使進(jìn)氣閥閥片緊密貼合在限制器上；在進(jìn)入壓縮階段時(shí)，電磁閥得電狀態(tài)被延長，閥片保持貼合在限制器上，多余氣體不經(jīng)過壓縮自動排入進(jìn)氣管路中。這樣就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)氣缸內(nèi)部氣體回流節(jié)能的功能。電磁閥的打開時(shí)刻與延時(shí)時(shí)間是HRCS 系統(tǒng)依據(jù)壓縮機(jī)活塞運(yùn)動的周期與工藝負(fù)荷綜合運(yùn)算給出的。

在壓縮機(jī)活塞的整個(gè)運(yùn)行周期中，蓋側(cè)進(jìn)氣閥與軸側(cè)進(jìn)氣閥的動作在時(shí)序上相差半個(gè)周期（對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角π）。所以在調(diào)節(jié)控制過程中，同一個(gè)氣缸的蓋側(cè)進(jìn)氣閥與同一個(gè)氣缸的軸側(cè)進(jìn)氣閥保持同時(shí)動作，則蓋側(cè)進(jìn)氣閥與軸側(cè)進(jìn)氣閥之間動作時(shí)序上相差半個(gè)周期。

2.3 HRCS系統(tǒng)控制變量

HRCS 系統(tǒng)的主控變量建議選用排氣流量、排氣壓力、進(jìn)氣壓力，其中以壓縮機(jī)的排氣壓力作為主控變量的情況比較多，保持控制變量的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的要求。本廠的壓縮機(jī)以一級進(jìn)氣壓力、一級排氣壓力、三級排氣壓力作為主控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行后達(dá)到預(yù)期效果。

表1 HRCS系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)信號交換表Table 1 Signal exchange table of HRCS system and DCS control system

圖5 HRCS系統(tǒng)切除與投入示意圖Fig.5 Schematic diagram of HRCS system resection and input

2.4 HRCS系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)的信號交換

HRCS 系統(tǒng)與DCS 控制系統(tǒng)之間的信號交換，見表1。

2.5 HRCS系統(tǒng)投入與切除

壓縮機(jī)運(yùn)行后，HRCS 系統(tǒng)切除與投入示意圖，如圖5所示。

2.6 HRCS系統(tǒng)報(bào)警及聯(lián)鎖的設(shè)置

HRCS 系統(tǒng)監(jiān)控其設(shè)備正常運(yùn)行的工藝參數(shù)，這些參數(shù)包括進(jìn)氣閥溫度、油站的油溫與液位、油壓。

1）進(jìn)氣閥溫度：一個(gè)進(jìn)氣閥溫度大于65℃，產(chǎn)生高溫度報(bào)警，說明此電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者氣閥故障；同一氣缸蓋側(cè)或軸側(cè)相鄰溫度之差大于5℃，產(chǎn)生溫差高報(bào)警；同一氣缸蓋側(cè)溫度與相鄰軸側(cè)溫度之差大于10℃，產(chǎn)生溫差高報(bào)警。

2）油站油溫：油溫大于70℃，產(chǎn)生高報(bào)警信號，說明油站油回路或冷油器故障；如果油溫繼續(xù)上升，超過80℃時(shí)，觸發(fā)高高報(bào)警信號，聯(lián)鎖切除HRCS 系統(tǒng)，壓縮機(jī)在原DCS 控制下繼續(xù)運(yùn)行。

3）油站液位：液位小于70%，產(chǎn)生低液位報(bào)警，提示立刻給油站加油。

4）油壓：供油油壓低于設(shè)定的報(bào)警值為11MPa，觸發(fā)油壓低報(bào)警信號，表明油站故障或油路泄漏嚴(yán)重；壓力小于10MPa 時(shí)，產(chǎn)生低低報(bào)警后，同時(shí)聯(lián)鎖油站停止工作，自動切除HRCS 系統(tǒng)，原DCS 控制壓縮機(jī)繼續(xù)工作。

3 HRCS系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算

假設(shè)壓縮機(jī)的額定軸功率為P，負(fù)載為W。由于摩擦阻力以及氣體回流產(chǎn)生的阻力損失，即使壓縮機(jī)處于零負(fù)荷也會損失一定的軸功率，此數(shù)值約占壓縮機(jī)額定軸功率的5%。試驗(yàn)結(jié)果顯示，壓縮機(jī)的軸功率與排氣量呈準(zhǔn)線性關(guān)系，則壓縮機(jī)在W 負(fù)載下的軸功率為：

按照壓縮機(jī)年運(yùn)行T 小時(shí)，一年節(jié)省的電量M 為：

由節(jié)電量計(jì)算公式（2）推知，額定軸功率越大，節(jié)電量越多；壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷越低，節(jié)電量越多；運(yùn)行時(shí)間越長，節(jié)電量越多。例如壓縮機(jī)軸功率為2000kW，負(fù)載為60%，年運(yùn)行8000h，則一年節(jié)電量為：

4 存在問題

因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)布置，使安裝在機(jī)體側(cè)氣缸上的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)缺少必要的檢修空間，尤其是壓縮機(jī)中間軸側(cè)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置人員難以到達(dá)，定期維護(hù)及檢修困難；電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部安裝一個(gè)熱電阻，如果該傳感器損壞，備件更換費(fèi)時(shí)費(fèi)力；電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用的高壓橡膠軟管是專門定制的非標(biāo)產(chǎn)品，更換時(shí)成本較高。

5 結(jié)論

新奧（舟山）LNG 接收站的天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行一年多時(shí)間，采用HRCS 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為負(fù)荷調(diào)節(jié)，以自動控制代替了手動控制，以無級調(diào)節(jié)代替了旁路回流調(diào)節(jié)，操作方便，節(jié)約了大量電能，達(dá)到了降本增效的目的。