氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在制氫原料氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用研究

孫強(qiáng)

（大慶石化公司煉油廠，黑龍江 大慶 163711）

煉油廠制氫裝置有2 臺(tái)往復(fù)式原料氣壓縮機(jī)（K-1201A/B）為二級(jí)壓縮，設(shè)計(jì)排氣量19600Nm3/h，在裝置正常生產(chǎn)運(yùn)行期間，當(dāng)化工氫充足或其他用氫裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，壓縮機(jī)出口流量?jī)H需11000Nm3/h 左右，原料氣只能通過(guò)壓縮機(jī)工藝氣路的二返一調(diào)節(jié)閥將大量原料氣返回至壓縮機(jī)入口，相當(dāng)于壓縮機(jī)做許多無(wú)用功。2018年該壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，新增一套博華BHSCCS 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)氣量全行程可調(diào)節(jié)功能，使得壓縮機(jī)排氣量可適應(yīng)實(shí)際的消耗量變化，降低電機(jī)功率，降低電能消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 BHSCCS 工作原理

液壓式氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是采用“回流省功”原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將信號(hào)反饋至執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)電子模塊，通過(guò)液壓執(zhí)行器來(lái)實(shí)時(shí)控制進(jìn)氣閥的開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量0 ～100%全行程范圍無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。通過(guò)進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣總管，只壓縮了需要壓縮的氣量，從而最大限度地節(jié)約了能源。在氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下，壓縮機(jī)的進(jìn)氣閥不再是依靠壓差工作的自動(dòng)閥，而是一個(gè)由外置動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)制閥。如果該系統(tǒng)故障導(dǎo)致無(wú)法正常運(yùn)行，還可以自動(dòng)恢復(fù)為原DCS 系統(tǒng)的原旁通回流控制方式，最大限度地保證生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。

氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)從本質(zhì)上講是一個(gè)可以接受4 ～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的調(diào)節(jié)閥，可以方便地嵌入用戶(hù)現(xiàn)有的DCS 控制系統(tǒng)中。根據(jù)裝置的實(shí)際需求通過(guò)DCS 系統(tǒng)計(jì)算出壓縮機(jī)的負(fù)荷值，輸送到氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成流量控制的目的。

2 BHSCCS 系統(tǒng)組成

BHSCCS 系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：液壓機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如圖1 所示。

圖1

液壓機(jī)構(gòu)部分：油站采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵供油的方式，泵輸出的油液供給高速換向閥和蓄能器，多余的油液經(jīng)穩(wěn)壓閥流回油箱，保證高速換向閥與油站之間的管路壓力穩(wěn)定。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分：在原壓縮機(jī)進(jìn)氣閥基礎(chǔ)上加裝卸荷器組件，執(zhí)行油缸安裝在壓縮機(jī)進(jìn)氣閥蓋上，執(zhí)行油缸內(nèi)介質(zhì)為液壓油，油缸上安裝有溫度傳感器。

控制系統(tǒng)部分：智能控制器(RIC-001)是氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)核心部件，提供控制信號(hào)的處理、轉(zhuǎn)化、輸出和算法控制，是連接高速控制閥與上位系統(tǒng)的橋梁，智能控制器含有在線監(jiān)測(cè)功能模塊，可實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和異常報(bào)警功能。與DCS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，自動(dòng)計(jì)算機(jī)組負(fù)荷值，通過(guò)智能控制算法轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)輸出。對(duì)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障自動(dòng)診斷及故障自動(dòng)切除。

上位機(jī)系統(tǒng)是廠家安裝在服務(wù)器上的控制軟件，主要功能塊包括：數(shù)據(jù)采集及通訊模塊、負(fù)荷計(jì)算模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)化模塊、投用切除模塊、系統(tǒng)自檢模塊、故障與監(jiān)測(cè)模塊。相關(guān)參數(shù)引入DCS 系統(tǒng)，DCS 系統(tǒng)上新增制氫卸荷器聯(lián)鎖邏輯畫(huà)面、報(bào)警信息畫(huà)面、修改原操作流程畫(huà)面、修改原氣量調(diào)節(jié)控制方案。工藝人員在DCS 系統(tǒng)上進(jìn)行氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分：具備通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、溫度傳感器、鍵相監(jiān)測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)全方位、多參數(shù)分析與診斷功能，確保設(shè)備能夠長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行

3 BHSCCS 控制功能

新增氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)原DCS 系統(tǒng)相關(guān)控制方案進(jìn)行了修改，同時(shí)增加了聯(lián)鎖邏輯控制功能，并滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)功能要求：

（1）實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)0 ～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；

（2）對(duì)壓縮機(jī)總?cè)肟诨虺隹趬毫M(jìn)行自動(dòng)控制；

（3）對(duì)壓縮機(jī)的級(jí)間壓力進(jìn)行自動(dòng)控制，確保級(jí)間壓力穩(wěn)定，壓縮機(jī)在最佳壓比狀態(tài)下運(yùn)行；

（4）具備手動(dòng)操作、自動(dòng)操作和系統(tǒng)切除的功能；

（5）系統(tǒng)故障時(shí)可自動(dòng)切除，原旁通調(diào)節(jié)方式接手氣量調(diào)節(jié)任務(wù)；

（6）能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、加載、切換和停機(jī)；

（7）降低旁通回流帶來(lái)的負(fù)面影響，降低冷卻器的負(fù)荷，提高壓縮機(jī)的可靠性和安全性。

DCS 系統(tǒng)上新增氣量無(wú)級(jí)調(diào)速聯(lián)鎖邏輯畫(huà)面，見(jiàn)圖2。

圖2

3.1 BHSCCS 系統(tǒng)機(jī)組零負(fù)荷起機(jī)功能

通過(guò)在橫河CS3000 系統(tǒng)上編程組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了K1201A 壓縮機(jī)手動(dòng)起機(jī)功能，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，可轉(zhuǎn)換到BHSCCS系統(tǒng)自動(dòng)控制狀態(tài)。在DCS 畫(huà)面上手動(dòng)設(shè)置BHSCCS 系統(tǒng)負(fù)荷（1ST-LD、2ST-LD）為0，BHSCCS 系統(tǒng)切換到“手動(dòng)”模式。液壓油站啟動(dòng)后，檢查油站運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警信息。隨后啟動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要求卸荷器強(qiáng)制保持在開(kāi)啟狀態(tài)，壓縮機(jī)電機(jī)在空載狀態(tài)下啟動(dòng)，等待壓縮機(jī)達(dá)到正常轉(zhuǎn)速，在DCS 操作界面點(diǎn)擊“投用無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)”，自檢無(wú)故障運(yùn)行指示燈亮，BHSCCS系統(tǒng)正常投入運(yùn)行，逐漸手動(dòng)增加壓縮機(jī)負(fù)荷，直到各級(jí)壓力值到達(dá)設(shè)定點(diǎn)附近，把BHSCCS 系統(tǒng)的工作模式切換到“自動(dòng)”模式，壓縮機(jī)投用自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 BHSCCS 系統(tǒng)故障切除及恢復(fù)功能

當(dāng)BHSCCS 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，DCS 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切除BHSCCS 系統(tǒng)，同時(shí)切換旁通閥至自動(dòng)模式，恢復(fù)到原來(lái)旁路調(diào)節(jié)模式。在DCS 操作界面上專(zhuān)門(mén)有故障報(bào)警信息畫(huà)面，便于及時(shí)查找分析問(wèn)題。當(dāng)BHSCCS 系統(tǒng)故障排除后，再點(diǎn)擊“故障復(fù)位”按鈕進(jìn)行復(fù)位操作。DCS 畫(huà)面上BHSCCS 系統(tǒng)處在“手動(dòng)”模式，負(fù)荷給定值為100%?，F(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟動(dòng)液壓油站，待油壓穩(wěn)定。點(diǎn)擊“投用無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)”，同時(shí)運(yùn)行指示燈亮，系統(tǒng)正常運(yùn)行。逐漸手動(dòng)調(diào)節(jié)減少壓縮機(jī)負(fù)荷，當(dāng)各級(jí)壓力值到達(dá)設(shè)定點(diǎn)附近時(shí)，工作模式切換到“自動(dòng)”模式，壓縮機(jī)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 機(jī)組正常停機(jī)功能

將BHSCCS 系統(tǒng)首先切換到手動(dòng)操作模式，然后手動(dòng)逐漸降低壓縮機(jī)的負(fù)荷到0，此時(shí)，可停壓縮機(jī)主電機(jī)。在DCS 操作界面上點(diǎn)擊“手動(dòng)切除無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)”，手動(dòng)切除BHSCCS 系統(tǒng)，然后點(diǎn)擊“手動(dòng)停止油站”，可遠(yuǎn)程停油站電機(jī)。

4 應(yīng)用情況

BHSCCS 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)2018年正式投用以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了原料氣壓縮機(jī)0 ～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)的級(jí)間壓力控制穩(wěn)定，壓比恒定，提高了壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

原料氣壓縮機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷實(shí)際功耗為1085kW 左右，壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為55% 左右，當(dāng)投用氣量無(wú)極調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)每小時(shí)實(shí)際節(jié)約能耗為：1085×（1-0.55）=488.25kW。每年壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間按8000h，電費(fèi)單價(jià)按每度0.6 元計(jì)算，當(dāng)投入氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，每年可節(jié)約的電費(fèi)為：488.25×8000×0.6=234.36 萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

BHSCCS 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用以來(lái)，節(jié)能效果顯著，同時(shí)融合了在線監(jiān)測(cè)功能，為機(jī)組在節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)上提供了安全運(yùn)行保障。