新氫壓縮機(jī)節(jié)能改造及其效益分析

朱文濤，李寶強(qiáng)，梅 勝，何 迎

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司延安石油化工廠，陜西延安 727406）

0 引言

延安石油化工廠240 萬噸/年柴油加氫精制裝置投產(chǎn)于2014 年8 月，主要生產(chǎn)符合國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的柴油產(chǎn)品。新氫壓縮機(jī)（011-K-101AB）是該裝置的關(guān)鍵設(shè)備，也是主要耗能設(shè)備，其作用是將氫氣管網(wǎng)來的氫氣增壓，供其參與加氫精制反應(yīng)。該壓縮機(jī)為兩列兩級、對稱平衡式布置，采用卸荷器調(diào)節(jié)（機(jī)械式氣量調(diào)節(jié)控制閥控制儀表風(fēng)壓開吸氣閥調(diào)節(jié)），可實現(xiàn)0%、50%及100%三檔氣量調(diào)節(jié)，并配有旁通調(diào)節(jié)進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)。

主要技術(shù)參數(shù)：排氣量（吸入狀態(tài)）為29.6 m3/min，轉(zhuǎn)速為333 r/min，電動機(jī)額定功率2400 kW，額定電壓10 000 V，功率因數(shù)為0.89。

1 應(yīng)用中存在的問題

（1）能耗較大。當(dāng)裝置滿負(fù)荷運行時，新氫壓縮機(jī)僅需約55%負(fù)荷，即可滿足工藝生產(chǎn)對新氫量的需求。但該壓縮機(jī)僅有0、50%及100%三檔氣量調(diào)節(jié)，因此約45%負(fù)荷的氣量需要通過旁通返回至壓縮機(jī)入口分液罐，造成了能源浪費。

（2）進(jìn)氣閥及活塞環(huán)壽命短。當(dāng)加工量低于260 t/h 時，壓縮機(jī)僅需50%以下負(fù)荷，即可滿足工藝的需求。當(dāng)壓縮機(jī)處于50%負(fù)荷運行時，氣缸外側(cè)的進(jìn)氣閥處于長期壓開的狀態(tài)，部分氣量始終在該吸氣閥處吸入和排出，使吸氣閥、活塞環(huán)長期處于高溫狀態(tài)，加速了氣閥非金屬閥片和活塞環(huán)的老化。

（3）機(jī)械故障風(fēng)險高。當(dāng)長期處于50%負(fù)荷工況運行時，壓縮機(jī)氣缸單側(cè)卸載，活塞桿較長時間處于單向受力狀態(tài)，造成十字頭銷等部位潤滑不良，加速磨損，發(fā)生機(jī)械故障的風(fēng)險較高。

2 改造方案的選擇

往復(fù)壓縮機(jī)常用的氣量調(diào)節(jié)方式有旁通調(diào)節(jié)、卸荷器調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、余隙腔調(diào)節(jié)和氣量無級調(diào)節(jié)。

2.1 增設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于交流異步電動機(jī)的無級調(diào)速，不僅有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、操作簡單、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點，而且能大大降低設(shè)備（額定電流內(nèi)）啟動電流，實行軟起動，緩解對電網(wǎng)的沖擊[1]。但是，新氫壓縮機(jī)的運動機(jī)構(gòu)（曲軸、連桿、十字頭等）采用強(qiáng)制潤滑，而運動機(jī)構(gòu)重量較大，低速運轉(zhuǎn)不利于油膜的建立。

往復(fù)式壓縮機(jī)的曲軸在旋轉(zhuǎn)時有一個運動死點，一般在曲軸的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置配重盤（即飛輪），來增加曲軸旋轉(zhuǎn)時的慣性力。如果實際運轉(zhuǎn)速度低于額定轉(zhuǎn)速的60%，則會造成運轉(zhuǎn)到死點時電機(jī)功耗達(dá)到極限或燒電機(jī)，其調(diào)節(jié)范圍過窄。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于驅(qū)動功率很小的壓縮機(jī)，該大型壓縮機(jī)不適合增設(shè)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.2 增設(shè)余隙腔調(diào)節(jié)系統(tǒng)

余隙腔調(diào)節(jié)是指在固定余隙調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，將固定余隙改造成連續(xù)可調(diào)的可變余隙[2]。即增加一個余隙缸，與原外側(cè)氣缸相連通，通過控制余隙的大小實現(xiàn)氣量的控制。

該方案的改造費用略低于氣量無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造，但是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍較窄，僅能進(jìn)行70%～100%負(fù)荷的無級氣量調(diào)節(jié)，在實際應(yīng)用中有一定局限性。因此，該改造方案非最佳選擇。

2.3 增設(shè)HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過液壓驅(qū)動的卸荷機(jī)構(gòu)讓進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣系統(tǒng)，僅壓縮實際需要壓縮的氣量。通過該方式可以有效控制每一個行程的氣量，理論上可實現(xiàn)0 至100%氣量的調(diào)節(jié)。

HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造，僅需更換6 套進(jìn)氣閥、配置一個小型液壓油站，增設(shè)相應(yīng)的控制線纜及元件。設(shè)備自身結(jié)構(gòu)不需任何改變，改造較為簡單（圖1）。因此，增設(shè)HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)為新氫壓縮機(jī)最佳節(jié)能改造方案。

圖1 HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

3 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能原理介紹

HydroCOM 源于英文“hydraulically actuated computerised compressor control system”，即氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)或無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)實際循環(huán)情況，沒有氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的情況下，d→a 是氣體在氣缸內(nèi)的膨脹過程，a→b 是吸氣過程，b→c是壓縮過程，c→d 是排氣過程（圖2）。a→b→c→d→a 所組成的面積，即為一個行程內(nèi)所消耗的功。在氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，進(jìn)氣閥通過卸荷器來約束密封元件，而卸荷器又是通過Hydro－COM 執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動。當(dāng)進(jìn)氣閥開啟之前，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部的電磁閥換向，液壓油瞬間進(jìn)入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓缸，高壓活塞推動卸荷器向閥蓋側(cè)移動。活塞通過b 點之后，當(dāng)壓縮機(jī)運行在設(shè)定負(fù)荷時，卸荷器使進(jìn)氣閥的關(guān)閉時間延遲，故而氣缸指示壓力由b 點變到e 點。當(dāng)氣體從氣缸回流到進(jìn)氣緩沖罐時，氣缸內(nèi)實際壓縮的氣體將減少。當(dāng)在e 點時，電磁閥換向，液壓油又從高壓缸內(nèi)卸出，卸荷器向上移動，進(jìn)氣閥關(guān)閉[3]。壓縮曲線由e 到f。e 和f 的位置隨負(fù)荷設(shè)定值的減小而向左移動，a→b→c→d→e→f 所圍成的面積（即消耗的功）成比例的減小。

圖2 實際循環(huán)指示功

4 效益分析

（1）通過對新氫壓縮機(jī)節(jié)能方案的比較選擇，確定了增設(shè)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案，并于2020 年大修過程中完成改造。改造后，壓縮機(jī)組運行良好，完全符合生產(chǎn)及安全的需求，并且降低了耗電量，經(jīng)濟(jì)效益顯著（圖3）。該壓縮機(jī)電機(jī)功率因數(shù)cosφ=0.89，電壓10 000 V，電流較改造前降低了20 A。由UIcosφ 可算出節(jié)約功率為308 kW，按每年運行8000 h 計算，每年可節(jié)電246.4 萬千瓦時。按照工業(yè)用電成本0.5 元/（kW·h）計算，全年可節(jié)約用電成本123.2 萬元。該系統(tǒng)改造費用約85 萬元，不到一年即可收回成本。

圖3 增設(shè)無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后現(xiàn)場效果

（2）改造后，任何負(fù)荷運行過程中，進(jìn)氣閥處溫度始終處于正常范圍，且活塞兩側(cè)載荷均勻，進(jìn)氣閥及十字頭銷的使用壽命得以有效延長，機(jī)械故障的風(fēng)險降低。

5 結(jié)論

通過對新氫壓縮機(jī)節(jié)能改造方案的分析、比較，選擇并實施了增設(shè)HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不僅新氫壓縮機(jī)能耗過大的問題得到了很好的解決，還滿足了工藝生產(chǎn)的需求，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。