往復式壓縮機控制方案的探討

胡春榮，康少華，王一程，馬震宇，柏義鳴，胡永宏，張 超，陳振軍

（廣西石化公司，廣西 欽州 535000）

當前，各現(xiàn)代化煉廠對自動控制的應用日趨成熟，但針對不同的設備和不同的工況，自動化的程度并不同，人工和自動控制系統(tǒng)的結(jié)合程度也不同。本文對幾套加氫裝置的新氫壓縮機進行分析，研究其控制方案并進行優(yōu)化，以期達到省電節(jié)能的目的。具體分析如下。

1 往復式壓縮機常見的幾種控制方式

往復式壓縮機主要為加氫裝置的反應系統(tǒng)提供新鮮氫氣，為維持反應系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定提供能量。根據(jù)系統(tǒng)耗氫量的不同，壓縮機提供的氫氣量也會不斷變化。由于往復式壓縮機的功率較大，電壓較高，通常選用6000V 或者10000V 三相同步電機作為原動機，較少采用變頻電機進行負荷調(diào)節(jié)。往復式壓縮機一般以各級之間的壓力控制來平衡每一級的壓縮比，達到讓其正常運行的目的。

為了讓各級之間的壓力達到設定值，常見的控制方法有級間返回控制、末級返回控制、缸體余隙調(diào)節(jié)控制和各級的進氣負荷調(diào)節(jié)控制。其中，進氣負荷調(diào)節(jié)又分為無級負荷調(diào)節(jié)和階梯負荷調(diào)節(jié)兩類。級間返回控制在多級壓縮機中的應用較多。在此基礎上，壓縮機又增加了其他控制方式與其組合，最常用的，是通過選擇性分程控制，將負荷調(diào)節(jié)與級間返回進行組合。

2 末級返回控制

以某煉廠的加氫裝置為例，該裝置采用三級壓縮機，選用的控制方案是末級返回控制，各缸體之間不設級間返回閥，只通過各級的負荷調(diào)節(jié)器和三返一調(diào)節(jié)閥進行選擇性控制組合，理論上該方案應可以達到較為理想的控制效果。

該控制方案在實際運用中，負荷調(diào)節(jié)器雖然為Hydro COM 無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但卻因三級壓縮機的振動大，難以保持自動投用狀態(tài)，只能以手動給定負荷為主，返回閥開度通常在40%以上，造成壓縮機做功浪費嚴重。具體控制方案見圖1。

圖1 末級返回與負荷調(diào)節(jié)器組合的控制

3 級間返回控制

級間返回控制，就是在兩級以上壓縮機的各缸體管路之間設置返回閥，工作時，能將每一級缸體壓出的氣體再返回入口管路，通過控制每一級的返回閥開度，來控制各級缸出口的壓力[1]，以達到控制各級壓縮比，進而控制往復機做功的目的。這種控制方式的優(yōu)點是控制比較精細，對各個缸體氣閥實際做功的影響小，壓縮機的振動較小，對反向角[2]的影響小，對壓縮機的十字銷和連桿的小頭瓦受力的影響減小，對壓縮比的控制最容易實現(xiàn)。缺點是設備設置復雜，易泄漏點增多，控制模塊組態(tài)要求高，操作難度大。另外，由于壓縮機是按最大氣量設計的，實際運行中往往達不到最大負荷工況，所以返回閥總是有較大開度，造成壓縮機各級氣量的返回較大，對主電機的做功浪費嚴重。具體控制見圖2。

圖2 帶級間返回的三級壓縮機控制圖

該壓縮機為三級壓縮機，各級出入口的壓力控制信號通過低選器進行組合，以控制級間返回閥的開度。正常情況下，缸體出口壓力控制輸出MV 與低選器的信號x 之間存在線性關系，具體如圖3 所示。

圖3 輸出信號局部范圍的線性關系圖

由圖3(a)可推出曲線方程為：MV=- 1—2x+100%，然后閥的開度與x的關系為：x=100%-閥，即信號取反。

則一、二級缸體出口壓力的控制輸出MV 與閥位的關系式為：閥。類似，由圖3(b)曲線可推出，第三級返回閥與系統(tǒng)壓力的控制輸出MV局部線性關系為閥。

在入口氣體壓力正常的情況下，該控制系統(tǒng)能很好地控制各級的壓力，但是在入口壓力突然大幅度降低時，由于PID 整定的參數(shù)不同，有的壓縮機需要較長時間才能讓低選器出現(xiàn)反選，來保護入口壓力不至于過低，這時會出現(xiàn)壓縮比太高、級間溫度過高的情況，甚至會引起連鎖停機。

4 級間負荷調(diào)節(jié)

級間負荷調(diào)節(jié)大體分2 種，一種是階梯負荷調(diào)節(jié)，特點是通過外接氣源控制壓縮機缸體部分進氣閥的開關，來控制壓縮機負荷，壓縮機可以在0、50%、100%等負荷下工作，調(diào)節(jié)比較粗糙，對工況的適應性較低，往往與級間返回控制或者末級返回控制進行組合，但階梯負荷調(diào)節(jié)只能依靠手動控制。在新建的煉化企業(yè)，這種壓縮機一般作為備機使用。

另一種方式為無級負荷調(diào)節(jié)，比較主流的有約翰克蘭和福斯公司的Hydro COM 無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不是單獨使用的，而是與級間返回或者末級返回進行選擇性組合，這種控制在理論上可以實現(xiàn)自動控制。具體見圖4。

圖4 帶級間返回和無級調(diào)節(jié)的四級壓縮機控制圖

該控制組合比單純的級間控制復雜，各級的出入口壓力依然通過低選器進行選擇性控制，但在低選器之后，信號進行分程輸出，分別給級間返回閥和無級調(diào)節(jié)器。由控制邏輯可以看出，前三級缸體中，低選器的中間值MV 與閥門開度和無級負荷調(diào)節(jié)器負荷值h 的關系如圖5(a)所示，級間壓力控制輸出MV 與低選器值mv 的關系如圖5(b)所示。

前三級可由圖5(a)推導出關系式：

其中0 ＜MV ＜50%，

圖5 帶級間返回和無級調(diào)節(jié)的控制信號線性關系圖

其中50%＜MV ＜100%。

由圖5(b)可以推導出線性方程：

則將式(1)、式(2)分別代入式(3)中，可以得出：

類似地，可以推出第四級缸體出口返回閥和負荷調(diào)節(jié)器與系統(tǒng)壓控的關系式為：

經(jīng)計算，帶級間返回閥和無級負荷調(diào)節(jié)器的四級壓縮機，其各級壓控可以實現(xiàn)自動控制。當這種控制投自動之后，在正常工況下，級間返回閥關至零，這就解決了只有級間控制的壓縮機能量浪費大的問題。經(jīng)實驗，只在二、三級返回閥和無級調(diào)節(jié)器完全投自動的情況下，就可以將電流減少12A 左右，對于10kV 的主電機，這種節(jié)能效果是很明顯的，1 臺機器1 年可以省電約180 萬kWh。電流趨勢如圖6 所示。

圖6 無級調(diào)節(jié)投自動前后電流趨勢

5 無級負荷自動控制對振動的影響

從往復式壓縮機的結(jié)構(gòu)特點可知，曲軸旋轉(zhuǎn)過程中，壓縮機整體受活塞、連桿、活塞桿的慣性影響，同時受周期性載荷的影響。如何平衡壓縮機受力，是設計時要考慮的一個重要因素。以圖7 中的三級和四級壓縮機為例，可以看出四級缸體布局比三級缸體布局更容易平衡，三級缸體的曲軸在空間上轉(zhuǎn)動1 圈，則3 個活塞連桿相位角為120°；四級缸體的曲軸在空間上轉(zhuǎn)動1 圈，4 個活塞連桿相位角為90°，在空間上的連續(xù)性是不同的，均勻性相差較大。

圖7 三級和四級壓縮機的缸體布局圖

無級氣量調(diào)節(jié)對壓縮機的平衡也會產(chǎn)生影響。往復式壓縮機往復慣性力I的表達式為[3]：

其中，ms為一個缸體往復運動件總質(zhì)量；a為往復運動件的加速度；ω為曲柄角速度；α為曲柄的轉(zhuǎn)角；λ為曲柄銷旋轉(zhuǎn)半徑與連桿長度之比。

無級氣量調(diào)節(jié)，是對每一級缸體進氣閥的開關頻率進行調(diào)節(jié)，使活塞壓縮的氣體量根據(jù)需要而改變。這雖然能使氣量和功率消耗得到控制，但對活塞往復運動的受力產(chǎn)生了影響。比如若進氣閥因人為控制而打開，則活塞在壓縮側(cè)的受力突然變小，加速度改變，使得曲柄角速度改變，則活塞和活塞桿的慣性力改變，壓縮機整體的振動會因負荷的調(diào)節(jié)而變大。

以前面提到的四級壓縮機為例，在無級氣量調(diào)節(jié)投自動之后，振動曲線產(chǎn)生了明顯的變化(圖8)。不過，一級負荷的人工調(diào)整，可使這種振動值在壓縮機正常工況的可接受范圍內(nèi)，并未產(chǎn)生太大的影響。

圖8 無級負荷調(diào)節(jié)器投自動前后壓縮機振動趨勢

6 總結(jié)

大型往復式壓縮機的控制方法有很多，一般單獨使用的很少，往往是將幾種方式進行組合。對控制方式的選擇，不單是為了節(jié)能，還涉及到控制的可行性，需與機械工程相結(jié)合，考慮對機組受力的影響。

現(xiàn)階段應用較為廣泛的控制是無級負荷調(diào)節(jié)控制，將其與級間返回控制相結(jié)合，不但對電量的節(jié)省很明顯，而且經(jīng)過精心操作，能將機組振動控制在合理范圍內(nèi)。