HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在催化劑再生循環(huán)氣體節(jié)能增效中的應(yīng)用

班輝 陳祥 李韶華 陳都府

（中海油氣(泰州)石化有限公司）

大型往復(fù)式壓縮機在煉油化工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，基于安全所考量的過余量設(shè)計在保證機組穩(wěn)定運行方面起到十分明顯的作用，但由此造成的高能耗制約著企業(yè)的長久發(fā)展，更不利于設(shè)備的高效運行。針對催化劑再生循環(huán)系統(tǒng)多余氣體流量的無效壓縮循環(huán)造成的電能浪費，通過改變流體做功模式，在原有工藝基礎(chǔ)上實施技術(shù)升級，選擇往復(fù)式壓縮機領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行催化劑再生循環(huán)氣體的“節(jié)流省功”改造，提升能源利用效率，使其達(dá)到降耗減排的目的。HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)在國內(nèi)各大煉油化工企業(yè)往復(fù)式壓縮機控制系統(tǒng)的優(yōu)化操作以及節(jié)能增效應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。

1 催化劑再生單元簡介

泰州石化1.0 Mt/a 連續(xù)重整裝置由中國石化工程建設(shè)有限公司（以下簡稱SEI）設(shè)計，生產(chǎn)C6+重整生成油、高純氫、戊烷、液化氣、拔頭油和燃料氣等產(chǎn)品。其中催化劑再生單元采用SEI 專利技術(shù)：催化劑“無閥”逆壓差輸送、兩段燒焦工藝，再生循環(huán)氣冷卻干燥流程。設(shè)計催化劑燒焦負(fù)荷1 000 kg/h。再生循環(huán)氣由兩臺往復(fù)式壓縮機（一開一備） 增壓輸送，單臺軸功率746 kW，驅(qū)動電動機額定功率900 kW，壓縮機滿負(fù)荷運行時的電動機功率840 kW。壓縮機基本信息見表1 所示。

表1 壓縮機基本信息Tab.1 Basic information of compressor

2 存在的問題與改造目的

裝置自投產(chǎn)以來，催化劑再生系統(tǒng)循環(huán)氣體總量為19 209 Nm3/h，實際循環(huán)使用氣量為10 384 Nm3/h，實際使用量占到氣體循環(huán)總量的55%左右，剩余氣量8 825 Nm3/h 通過壓縮機旁通閥調(diào)節(jié)返回，多余氣體的壓縮無疑增加裝置能源消耗，不利于企業(yè)長久高效發(fā)展。

經(jīng)過用能分析，可降低45%的返回余量，應(yīng)用HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實時跟蹤系統(tǒng)需求量來進(jìn)行氣體的調(diào)節(jié)壓縮，從而形成壓縮機的功率消耗與容積變化成正比例調(diào)節(jié)的優(yōu)化方案，從根本上解決旁路調(diào)節(jié)所造成的能源浪費現(xiàn)象[1]。

在原有工藝設(shè)備運行基礎(chǔ)上，通過對壓縮氣體流量重新平衡計算，遵循“用多少壓縮多少”的原則路線，利用HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)將往復(fù)式壓縮機的做功效能提高到最優(yōu)工況。

3 壓縮機做功分析

3.1 旁路調(diào)節(jié)工作循環(huán)

壓縮機實際工作循環(huán)見圖1。將壓縮機的做功過程分為四個階段，按照實際做功的過程進(jìn)行分析[2-4]。

圖1 壓縮機實際工作循環(huán)Fig.1 Actual working cycle of compressor

膨脹過程（“3-4”段）：為防止活塞與缸蓋碰撞，并考慮到氣閥結(jié)構(gòu)要求，在氣缸端部留有一定的空隙（余隙容積Vc）。在“3-4”段，高壓殘余氣體隨活塞右移，體積增大壓力降低，氣體介質(zhì)間分子力減小，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力低于管路壓力時進(jìn)行下一個步序的工作。膨脹曲線為cd。

吸氣過程（“4-1”段）：吸氣過程從膨脹過程結(jié)束、吸氣閥片在內(nèi)外壓差作用下打開為起點，直到右死點為止。出現(xiàn)最低點d是因為：為補充壓差平衡需要，在吸氣閥兩側(cè)壓差相等時，吸氣閥不能打開吸氣，吸氣閥必須在管路與氣缸壓差作用下打開，活塞右移Vc膨脹，壓力繼續(xù)下降到d點時，吸氣閥開啟。當(dāng)氣缸內(nèi)與管路壓力相同時，曲線趨向平穩(wěn)，吸氣壓力的穩(wěn)定受吸氣閥制造精度、弧面閥盤、閥彈簧、儀表風(fēng)壓力等因素影響，吸氣曲線為da。吸入氣缸內(nèi)的氣體所具有的能量主要用來克服活塞阻力做功，并使氣缸內(nèi)氣體內(nèi)能增加。

壓縮過程（“1-2”段）：吸氣結(jié)束，吸氣閥關(guān)閉，活塞自內(nèi)止點左移，氣缸內(nèi)容積減小、壓力增大，當(dāng)壓力高于排氣管路壓力時，排氣閥打開，壓縮曲線為ab。出現(xiàn)最高點b是因為：氣體壓縮至2點時，排氣閥兩側(cè)壓差相等，活塞需要繼續(xù)做功達(dá)到b點，排氣閥才能打開排氣。如果bc曲線呈現(xiàn)劇烈波動狀，說明排氣閥故障或者管路氣體大幅波動。

排氣過程（“2-3”段）：曲線自右向左呈現(xiàn)下降趨勢，活塞回到外止點，排氣過程結(jié)束，排氣曲線為bc。實際吸排氣階段曲線是波浪形的，主要原因是吸排氣閥的阻力與吸排氣管路脈動造成的，如圖2 的da段與bc段所示。

圖2 吸排氣管路呈現(xiàn)波浪形曲線Fig.2 Wavy curve referring to the suction and exhaust piping

保證需求循環(huán)氣量所剩余的氣體實時經(jīng)旁路繼續(xù)返回到壓縮機入口進(jìn)行下一個循環(huán)做功，旁路節(jié)流只調(diào)節(jié)工藝氣體管路平衡，無法達(dá)到壓縮機節(jié)能降耗要求。壓縮機旁路調(diào)節(jié)流程見圖3。

圖3 壓縮機旁路調(diào)節(jié)流程Fig.3 Bypass regulation process of compressor

3.2 HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)工作循環(huán)

HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是專門針對往復(fù)壓縮機設(shè)計的一種高效快速調(diào)節(jié)技術(shù)。它通過計算機實時接收信號并計算對比，然后做出調(diào)節(jié)指令，通過液壓執(zhí)行機構(gòu)快速反應(yīng)，在壓縮機壓縮循環(huán)開始之前用壓叉頂開吸氣閥，在特定的時間點（系統(tǒng)要求的氣量）撤銷執(zhí)行力，多余氣體沿著進(jìn)氣管道返回，只壓縮工藝所需要的氣量，做到最大限度的節(jié)能[5]。

HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)工作循環(huán)見圖4。壓縮機安裝有HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，其PV圖與旁通節(jié)流調(diào)節(jié)在膨脹、吸氣、排氣過程相同。唯一的不同點在氣體壓縮階段，當(dāng)設(shè)定控制器的SV 值（儀表設(shè)定值）后，輸出4～20 mA 電流信號由中間接口單元（CIU）傳達(dá)給液壓執(zhí)行機構(gòu)，控制進(jìn)氣閥閥片動作（頂開）時間，壓縮點從Cr開始，至Dr結(jié)束，多余氣體回流至進(jìn)氣管路，根據(jù)工藝實際使用氣量進(jìn)行壓縮，壓縮機的指示功消耗與實際容積流量成正比。其控制過程線性變化，漸變調(diào)節(jié)。圖中橘黃色面積是節(jié)省的PV 值（儀表測量值），大約是旁路節(jié)流調(diào)節(jié)的一半功耗。減少不必要氣體做功，節(jié)能、減排、降耗的效益十分明顯。

圖4 HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)工作循環(huán)Fig.4 Working cycle of HydroCOM gas volume stepless regulation

4 HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)控制特點

1） 技術(shù)成熟。HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)自1997 年在歐洲推廣以來，在壓縮機節(jié)能改造領(lǐng)域占有絕對的市場份額，其核心部件電磁控制閥、液壓傳動系統(tǒng)及機械執(zhí)行機構(gòu)高度集成，并結(jié)合計算機應(yīng)用、外置液壓動力驅(qū)動技術(shù)?；凇盎亓魇」Α痹恚谕鶑?fù)式壓縮機進(jìn)氣過程結(jié)束后，利用外力強制頂開進(jìn)氣閥，實現(xiàn)氣量無級調(diào)節(jié)和節(jié)能的效果，通過智能化的液壓執(zhí)行機構(gòu)，快速、精準(zhǔn)地控制壓縮機排氣壓力，實現(xiàn)排量0～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)，最大限度地節(jié)約能源[6]。該系統(tǒng)在煉化企業(yè)大型往復(fù)式壓縮機的節(jié)能降耗技術(shù)改造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。截至目前，該系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)已有上百套的成功應(yīng)用案例[7]。因其調(diào)節(jié)精確、動作靈敏、運行故障率低等優(yōu)點，天津石化、茂名石化等石化企業(yè)都引進(jìn)了該系統(tǒng)并取得良好的機組控制與節(jié)能效果。

2）結(jié)構(gòu)緊湊。液壓油站（HU）由液壓泵、驅(qū)動電動機、油箱組合在一起，工作時的質(zhì)量約200 kg。液壓油管線入口段安裝具有蓄能器的高壓脈沖橡膠軟管，輸送壓力油至執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行吸氣閥的調(diào)節(jié)動作，蓄能器吸收消減管路油壓波動造成的影響，橡膠軟管通過耐壓試驗、長度變化試驗、爆破試驗、脈沖試驗等專業(yè)試驗；信元輸入單元（CIU）執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)換（接收4～20 mA 的電信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的動作信號），由執(zhí)行機構(gòu)（HA）、服務(wù)器單元（HSS）、TDC 傳感器等組成。

3） 操作簡便。HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅需操作員通過DCS 進(jìn)行初次開機條件下的手動控制， 待機組運行平穩(wěn)后即可投入自動運行。HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)與壓縮機吸、排氣溫度，吸、排氣壓力，吸、排氣流量，（冷卻水、潤滑油）溫度等參數(shù)共同組成機組控制系統(tǒng)[8]。其系統(tǒng)植入故障報警、聯(lián)鎖模塊與自動檢測功能，全程實時在線診斷檢查，對PV 圖、振動及活塞支撐環(huán)磨損情況進(jìn)行監(jiān)測，提高壓縮機的可靠性、高效性、安全性，保障機組長周期運行。

5 儀表控制與邏輯描述

控制原則為調(diào)節(jié)器輸出高選值由分程控制執(zhí)行操作，再生反應(yīng)器入口流量輸出MV 值（控制閥輸出值）至高選器，其信號與壓力設(shè)定值比較后輸出取反，控制HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)與旁路調(diào)節(jié)氣閥開度，使需求氣量進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到氣量調(diào)節(jié)目的。 儀表測量、選擇器與控制閥的作用見表2。

表2 選擇器與控制閥作用Tab.2 Selector and control valve functions

5.1 控制調(diào)節(jié)過程

高選器FU25201B 的輸出值作為節(jié)流返回調(diào)節(jié)與HydroCoM 系統(tǒng)的輸入值，如果FIC25205 MV 值大于PIC25201 MV 值，經(jīng)FU25201B 選擇后輸出變化范圍在100 與FIC25205 值之差；如果PIC25201 MV 值大于FIC25205 MV 值，經(jīng)FU25201B 選擇后輸出變化范圍在100 與PIC25201 值之差。FU25201B選擇分程段為：100%～70%、70%～0。其中分程段在100%～70%范圍為HIC25201B 控制，70%～0 范圍內(nèi)為HydroCOM 控制?？刂普{(diào)節(jié)過程見圖5，控制器分程輸出見圖6。

圖5 控制調(diào)節(jié)過程Fig.5 Control regulation process

圖6 控制器分程輸出Fig.6 Partition output of controller

1） 當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)氣量變化增加，F(xiàn)IC25205 與PIC25201 比較后送出高選信號，隨著控制器輸出信號的不斷下降， HydroCOM 控制氣閥分程段70%～0 時逐漸增大，一段燒焦氣體流量增大，實現(xiàn)再生循環(huán)氣流量穩(wěn)定循環(huán)，而HIC25201B 脫離100%～70%分程段，處于全關(guān)狀態(tài)。

2） 當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)氣量變化降低，F(xiàn)IC25205 與PIC25201 比較后送出高選信號，隨著控制器輸出信號的不斷增加，HydroCOM 控制氣閥分程段0～70%時逐漸減小，一段燒焦氣體流量下降，實現(xiàn)再生循環(huán)氣流量穩(wěn)定循環(huán)；當(dāng)控制器的輸出值繼續(xù)減小到分程段70%～100%時，由HIC25201B 進(jìn)行旁通節(jié)流調(diào)節(jié)，而HydroCOM 控制氣閥固定在30%閥位，并且脫離0～70%分程段。

3）分程段在100%～70%時，IC25201B 調(diào)節(jié)隨著控制器輸出值的增減呈現(xiàn)正作用動作；分程段在70%～0 時，HydroCOM 調(diào)節(jié)隨著控制器輸出值的增減呈現(xiàn)反作用動作。 旁通閥控制出口流量，HydroCOM 控制入口流量。

5.2 聯(lián)鎖邏輯部分

1）CIU 允許啟動條件：a.HydocoM 設(shè)定值大于0；b.壓縮機運行狀態(tài)正常，延遲時間不小于20 s；c.HydocoM 油站電動機運行狀態(tài)正常，延遲時間不小于30 s；當(dāng)且僅當(dāng)a、b、c 同時滿足的情況下，HydocoM 的CIU 才允許激活[9]。啟動條件見圖7。

圖7 啟動條件Fig.7 Starting conditions

2）聯(lián)鎖條件：a.HydroCOM 液壓油站電動機運行狀態(tài)；b.油站壓力兩路信號做“與”選擇；當(dāng)a、b 同時輸出為“1”時，AND 輸出為高頻信號，當(dāng)a、b 任何一路或同時輸出為“0”時，AND 輸出為低頻信號；c.CIU 運行故障出錯；d.HydroCOM 液壓油站油箱液位低低；e.液壓油站油溫度大于80 ℃；當(dāng)a、b、c、d、e 任意一路輸出低頻信號時，邏輯延遲3 s 聯(lián)鎖停HydroCoM 油站。同時HydroCOM 強行輸出100%負(fù)荷，機組處于滿負(fù)荷運行。聯(lián)鎖條件見圖8。聯(lián)鎖旁路狀態(tài)下，所有聯(lián)鎖條件都會失效。

圖8 聯(lián)鎖條件Fig.8 Interlock condition

6 投用與機組間切換注意事項

6.1 投用

1） 檢查系統(tǒng)無異常，啟動油站，旁路閥與HydroCOM 系統(tǒng)的啟動與切換必須是在手動狀態(tài)下進(jìn)行，HydroCOM 氣量無極調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投用是從初始狀態(tài)負(fù)荷為0 開始的[10]。此時氣閥壓叉在電磁閥的作用下動力油壓歸0，氣閥全開，壓縮機空負(fù)荷運轉(zhuǎn)。

2）啟動壓縮機運行，待壓縮機達(dá)到正常轉(zhuǎn)速時，緩慢增加HydroCOM 輸出值。當(dāng)HydroCOM 負(fù)荷大于0 時，HydroCOM 控制自動激活，氣閥介入調(diào)節(jié)氣量，直到HydroCOM 的MV 值接近或等于100%至高選器輸出值時，HydroCOM 系統(tǒng)切換至自動狀態(tài)運行。

6.2 切換注意事項

當(dāng)需要切換壓縮機運行時，HydroCOM 系統(tǒng)手動調(diào)節(jié)至全開狀態(tài)，滿足100%負(fù)荷要求，對應(yīng)分程在0 點位。旁路調(diào)節(jié)FIC25201 再生循環(huán)氣量，按照100%→50%→0 步序逐漸降低K251A 的負(fù)荷，以0→50%→100%步序逐漸增加K251B 的負(fù)荷，最終完成壓縮機組的切換工作。

7 能耗分析

壓縮機負(fù)荷每增加10%，其功率、電流值變化不一，二者沒有明顯的線性關(guān)系。部分負(fù)荷區(qū)間，電流變化不明顯，曲線比較平緩，在90%～100%負(fù)荷區(qū)間，功率、電流波動比較大，曲線增值分別達(dá)到19.15%、12.85%。HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后，壓縮機負(fù)荷在50%左右變化，對應(yīng)功率為438.73 kW，以年8 400 h 的運行工時計算，預(yù)計每年可節(jié)省費用236 萬元左右。投資收益期限短，運行1 a 可全部回收成本。壓縮機運行負(fù)荷與功率變化關(guān)系見圖9，壓縮機運行負(fù)荷與電流變化關(guān)系見圖10。

圖9 壓縮機運行負(fù)荷與功率變化關(guān)系Fig.9 Relationship between compressor operating load and power change

圖10 壓縮機運行負(fù)荷與電流變化關(guān)系Fig.10 Relationship between compressor operating load and current change

8 結(jié)論

1） 旁路調(diào)節(jié)不能改變壓縮機的做功循環(huán)流程，通過壓縮機出口返回控制系統(tǒng)流量，壓縮機在最高功率負(fù)荷下運行，多余氣量返回至吸氣管路中，重復(fù)壓縮做功，能耗高、效率低，增加企業(yè)運行成本，不利于能源利用與“雙碳”控制排放要求，增加企業(yè)長周期運行負(fù)擔(dān)。

2）HydroCOM 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)實際循環(huán)氣流量進(jìn)行壓縮，通過壓縮機入口流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，節(jié)能效果明顯，且投資收益期短，技術(shù)成熟，便于日常運行管理。

3） 壓縮機運行負(fù)荷在50%左右跟蹤變化調(diào)節(jié)，對應(yīng)功率為483.73 kW 左右，年累計節(jié)省費用236 萬元，節(jié)能效果明顯，投資收益期限短。