趙慶林

（中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉油分公司，廣東惠州516086）

某加氫裂化裝置配置有3臺往復(fù)壓縮機K101A／B／C，該壓縮機將來自PSA的氫氣經(jīng)三級壓縮、增壓至15.5MPa后送至加氫反應(yīng)系統(tǒng)，以補充反應(yīng)系統(tǒng)自身循環(huán)氫量的不足，滿足耗氫量的需求。其單機設(shè)計氣量為9.83×104m3／h，在正常工況下裝置僅需要單機設(shè)計氣量的150%～160%，故3臺壓縮機的運行方式為2臺并聯(lián)操作，1臺備用，富余的氣量通過壓縮機的旁路控制閥返回一級入口，造成壓縮機能耗的大量浪費；此外，壓縮機的原氣量控制方案需要根據(jù)加氫反應(yīng)系統(tǒng)的壓力頻繁調(diào)整壓縮機旁路控制閥與反應(yīng)系統(tǒng)進氣閥，增加了操作難度。為解決上述問題，將其中1臺壓縮機K101A的負(fù)荷控制改造為HydroCOM氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后，壓縮機的負(fù)荷調(diào)節(jié)簡化為僅需輸入期望的壓力設(shè)定值，系統(tǒng)即自動跟蹤并穩(wěn)定該值，實現(xiàn)了0～100%內(nèi)的無級、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，在保證氣量供給的同時降低了壓縮機的實際功率，進而達到了節(jié)約能耗的目的。

1 原氣量控制方案

該壓縮機原氣量控制方案采用全行程頂開進氣閥負(fù)荷調(diào)節(jié)和旁路回流氣量調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，即先用全行程頂開進氣閥的調(diào)節(jié)方式將壓縮機的負(fù)荷控制在某一檔位，再通過壓縮機的旁路回流閥將出口的富余氣量返回到一級入口。

1.1 全行程頂開進氣閥負(fù)荷調(diào)節(jié)

該壓縮機的負(fù)荷控制采用全行程頂開進氣閥的分級調(diào)節(jié)方式。該壓縮機的機械結(jié)構(gòu)形式為三級壓縮，每列2個氣缸，其中第1，第2列氣缸各安裝4臺進氣閥、第3列氣缸各安裝2臺進氣閥，共20臺進氣閥，這些進氣閥通過不同的開關(guān)組合，構(gòu)成0，50%，75%，90%，100%共5檔負(fù)荷調(diào)節(jié)。CCS通過負(fù)荷控制邏輯分別控制4臺電磁閥XV70901／2／3／4，4臺電磁閥又分別控制20臺進氣閥膜式執(zhí)行器的儀表風(fēng)的通斷。儀表風(fēng)通則膜式執(zhí)行器下行，從而全行程頂開進氣閥的閥片，使進氣閥在活塞每個工作循環(huán)過程中始終處于全開狀態(tài)，氣體可通過進氣閥自由進出氣缸，使進氣行程中被吸入缸內(nèi)的氣體重新返回到進氣管中，這就是所謂“回流調(diào)節(jié)”原理，氣閥不作功；反之氣閥失去被強制頂開的動力，成為依靠壓差工作的自動閥，在氣缸進氣過程中，進氣閥外側(cè)壓力高于內(nèi)側(cè)壓力，氣閥打開，在氣缸壓縮和排氣過程中，進氣閥內(nèi)側(cè)壓力高于外側(cè)壓力，氣閥關(guān)閉。

全行程頂開進氣閥的調(diào)節(jié)方法簡單，操作方便，只壓縮實際需要的氣體，從而有效地降低能耗。但只能分檔粗調(diào)，實際生產(chǎn)過程中常與旁路調(diào)節(jié)相結(jié)合，只損失小于25%（或50%）的能量就可實現(xiàn)流量精細調(diào)節(jié)，是目前比較廣泛使用的往復(fù)壓縮機氣量調(diào)節(jié)方法。

1.2 旁路回流調(diào)節(jié)

控制方案如圖1所示，氫氣自壓縮機三級出口，經(jīng)旁路控制閥PV11303減壓后，再經(jīng)過冷卻和分液處理進入壓縮機一級入口，如此反復(fù)循環(huán)，達到調(diào)節(jié)壓縮機氣量的目的。

PIC11303為壓縮機入口分液罐壓力控制器、PIC11001為反應(yīng)系統(tǒng)冷高分罐壓力控制器，二者的控制輸出通過高選器PU11303控制旁通閥的開度，旁通閥的故障作用方式為F.O，控制信號為0時閥門全開，控制信號為100%時閥門全關(guān)。在正常工況下PIC11001作為主控制器，控制壓縮機出口的回流量，以穩(wěn)定反應(yīng)系統(tǒng)壓力，PIC11303作為超馳控制器，當(dāng)壓縮機入口壓力高于正常操作值時，超馳PIC11001接管旁通閥的控制，減小閥門開度，減少壓縮機出口氣體返回量。

圖1 “三返一”旁路回流調(diào)節(jié)方案

2 HydroCOM系統(tǒng)的控制原理

HydroCOM是專門為往復(fù)壓縮機開發(fā)的液壓式氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要由液壓執(zhí)行機構(gòu)（HA）、液壓油站（HU）和中間接口單元（CIU）組成。HA接受來自CIU的數(shù)字控制信號，在活塞的一個往復(fù)周期內(nèi)通過卸荷器控制進氣閥的開閉時間。HU通過高壓液壓油為執(zhí)行機構(gòu)提供所需的動力。CIU是HA和DCS之間信號交流的橋梁，它接受來自DCS的壓縮機各級氣閥的4～20mA控制信號，同時通過上死點傳感器同步獲取壓縮機的轉(zhuǎn)速和曲軸位置即活塞在氣缸中的即時位置，實時計算出進氣閥的動作時間，通過RS－485總線傳遞給HA，控制進氣閥的開啟和閉合時間，實現(xiàn)壓縮機排氣量0～100%全行程無級調(diào)節(jié)，在活塞的三個往復(fù)周期內(nèi)便可改變壓縮機的氣量輸出，從而完成了閉環(huán)控制。通過進氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進氣總管，壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量，從而達到節(jié)能的目的。

3 控制方案的確定

壓縮機K101A配置HydroCOM氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后需實現(xiàn)如下控制功能：

a）實現(xiàn)壓縮機0～100%負(fù)荷內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，考慮到氣體回流對溫升的影響，建議壓縮機在最低負(fù)荷（一般在20%左右）以上長期自動運行。

b）對壓縮機總?cè)肟诨虺隹趬毫M行自動控制，僅需輸入壓力設(shè)定值，系統(tǒng)即可自動跟蹤并穩(wěn)定此壓力。

c）對壓縮機的級間壓力進行自動控制，確保級間壓力穩(wěn)定，壓縮機在最佳壓比狀態(tài)下運行。

d）具備手動操作、自動操作和系統(tǒng)切除的功能。當(dāng)HydroCOM系統(tǒng)自身故障時可自動切除，原來的旁路回流調(diào)節(jié)方案接管氣量控制任務(wù)，使用旁通回流閥調(diào)節(jié)氣量，壓縮機在100%負(fù)荷下運行。

e）實現(xiàn)壓縮機的平穩(wěn)啟動、加載、無沖擊切換和停機。

4 控制方案的實現(xiàn)

4.1 各系統(tǒng)之間互聯(lián)信號的確定

該壓縮機配置氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，需要DCS，CCS，CIU協(xié)調(diào)控制，才能實現(xiàn)壓縮機的開機、停機控制和運行監(jiān)控。

DCS實現(xiàn)壓縮機氣量控制和HydroCOM控制邏輯部分，其中，氣量控制部分用來實現(xiàn)壓縮機各級氣量的調(diào)節(jié)和控制；HydroCOM控制邏輯部分用來實現(xiàn)HydroCOM系統(tǒng)的投用和切除。CCS實現(xiàn)壓縮機本體運行狀態(tài)的監(jiān)控和自動開機、停機控制。CIU單元接受來自DCS的控制信號并提供信號處理功能，通過它的中間轉(zhuǎn)換接口作用，使HydroCOM系統(tǒng)簡化為一臺接受4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號的調(diào)節(jié)閥，更易與現(xiàn)有的DCS集成在一起。

CIU承擔(dān)的主要功能如下：

a）接收TDC傳感器測量的曲軸轉(zhuǎn)角脈沖信號以確定執(zhí)行器動作的準(zhǔn)確時間。

b）將DCS輸出的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)化為作用于各級進氣閥的啟與閉的時間信號。

c）將HA反饋的閥腔溫度信號，CIU投用、報警、出錯等信號傳輸?shù)紻CS。

結(jié)合現(xiàn)有DCS，CCS的控制功能和信號分配及HydroCOM控制的需要，確定DCS，CCS，CIU之間的互聯(lián)信號，如圖2所示。

圖2 DCS，CCS，CIU之間的互聯(lián)信號

4.2 控制邏輯的實現(xiàn)

4.2.1 開機控制邏輯的優(yōu)化

該壓縮機的開機控制為全自動模式，其開機控制邏輯如圖3所示。為實現(xiàn)與氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無縫銜接，對該開機控制邏輯做如下優(yōu)化：

a）取消壓縮機原來的全行程頂開進氣閥分級負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，相應(yīng)地取消CCS控制器實現(xiàn)的負(fù)荷控制邏輯和開機控制邏輯中的“負(fù)荷控制為就地方式”條件。

b）“負(fù)荷控制在0”的條件判斷由分級負(fù)荷控制方案中的0檔位改為DCS的一級氣量控制輸出為0。

c）壓縮機允許啟動邏輯中增加“液壓油站壓力正?！痹试S啟動條件，以強制打開氣閥，保證壓縮機在0負(fù)荷啟動。

d）允許負(fù)荷控制信號發(fā)送給DCS，作為HydroCOM系統(tǒng)的啟動條件之一。

e）負(fù)荷控制投用的判斷條件由分級負(fù)荷控制方案中的非0檔位改為DCS的一級氣量控制，輸出大于5%。

4.2.2 HydroCOM系統(tǒng)啟停邏輯

該邏輯實現(xiàn)HydroCOM系統(tǒng)的啟動、停止控制。在液壓油站油泵、壓縮機主電機正常啟動后，當(dāng)接到CCS傳來的允許壓縮機加載信號時，HydroCOM系統(tǒng)具備啟動條件，按下系統(tǒng)“使能”按鈕，CIU Enable信號有效，發(fā)送給CIU單元，啟動CIU信號處理功能，接受DCS氣量控制信號，控制進氣閥的開關(guān)時間。

圖3 壓縮機開機控制邏輯

當(dāng)液壓油站的液位過低、溫度過高、壓力過低、CIU錯誤時，聯(lián)鎖停運油站油泵，氣閥失去動力源，HydroCOM專用氣閥失去負(fù)荷控制功能，轉(zhuǎn)換為普通氣閥承擔(dān)正常的進氣任務(wù)，壓縮機在100%負(fù)荷運行，30s后自動停止CIU信號處理功能。

4.2.3 氣量控制方案優(yōu)化

壓縮機配置HydroCOM系統(tǒng)后，氣量調(diào)節(jié)控制方案原理如圖4所示。

圖4 HydroCOM氣量調(diào)節(jié)控制方案

其中一級負(fù)荷控制分程模塊的功能如下：

a）輸出給旁通閥手操器HV11303的信號分程范圍為X1～100%轉(zhuǎn)換為0～100%，X1為信號分程點。當(dāng)CIU Enable ＆HV72001A.mode＝1，即CIU投用且HydroCOM一級負(fù)荷手操器處于串級模式時，X1＝80%；當(dāng)CIU Enable ＆HV72001A.mode＝0，即CIU未投用或HydroCOM一級負(fù)荷手操器處于手動模式時，X1＝0。

b）輸出給HydroCOM一級負(fù)荷手操器HV72001A的信號分程范圍為0～80%轉(zhuǎn)換為100%～20%。

c）由于分程模塊接收的輸入信號是控制壓縮機旁通閥的開度，亦即控制壓縮機出口氣體回流量（0＝全關(guān)，100%＝全開），而一級負(fù)荷控制信號控制壓縮機的進氣量，0時為零負(fù)荷，100%時為滿負(fù)荷，故二者為反相關(guān)系。

d）壓縮機不能長時間在20%負(fù)荷以下運行，否則壓縮機的進氣溫度可能超高，故在氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入自動時，將信號分程點X1設(shè)定為80%。當(dāng)分程模塊接收的輸入信號低于80%時，旁通閥全關(guān)，由進氣閥在20%～100%內(nèi)控制壓縮機的負(fù)荷；當(dāng)分程模塊接收的輸入信號高于80%時，進氣閥將壓縮機負(fù)荷保持在20%，由旁通閥在0～100%開度內(nèi)控制壓縮機的返回氣量，維持壓縮機的出入口壓力在正常操作范圍內(nèi)。

e）HV72001A.mode表示HydroCOM一級負(fù)荷手操器HV72001A的操作模式，1＝串級，0＝手動。

該壓縮機原來的氣量調(diào)節(jié)方式為“三返一”旁路回流調(diào)節(jié)，沒有級間壓力控制手段，原來的分級負(fù)荷控制邏輯控制著一、二、三級氣閥在各級負(fù)荷下的動作。改造為氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，需要增加二、三級負(fù)荷控制器，為此利用“一入二出”安全柵將二、三級入口壓力信號引入DCS，新做2臺單回路PIC控制器，以控制二、三級的壓縮負(fù)荷。為穩(wěn)定壓縮機的運行，避免壓縮機劇烈振動，分別將一、二、三級氣閥的控制信號進行非線性處理，以避開壓縮機的高振區(qū)。

5 結(jié)束語

HydroCOM系統(tǒng)通過進氣閥的延遲關(guān)閉，使多余部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進氣總管，節(jié)省了壓縮機外回流所做的無用功，獲得了顯著的節(jié)能效果。從實際應(yīng)用來看，投用HydroCOM系統(tǒng)后，在裝置滿負(fù)荷工況下，壓縮機50%的負(fù)荷即可滿足工藝系統(tǒng)的要求，此時主電機的電流為100A，較之以前減少100A。主電機的電壓為6 000V，若電機功率因數(shù)按0.8，每度電價按0.68元，一年運行按8 400h計算，一年可節(jié)省電費475萬元。

HydroCOM系統(tǒng)投用后，即維持了壓縮機自身的自動控制邏輯不變，又優(yōu)化了氣量控制方案，使壓縮機的整個控制功能更趨合理，操作更簡單方便，可以實現(xiàn)壓縮機的平穩(wěn)加載、無沖擊切換及停機，改善了機組的運行狀況。同時，降低了開機時對工藝系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)工藝參數(shù)更加穩(wěn)定，壓縮機的運行更加平穩(wěn)。

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