吳文偉 湯毓紅 丁鑄洪

（上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司)

中國石化上海高橋分公司煉油事業(yè)部加氫裂化裝置新氫壓縮機采用往復(fù)式壓縮機，共有三臺機組，即兩臺進口的同機型Dresser-Rand壓縮機組及一臺國產(chǎn)機組，兩開一備，機組編號為K3101A/B/C。K3101A/B機型為3HHE-VL-3，由Dresser-Rand制造；K3101C機型為4M80-27.6/21-178-BX，由沈陽氣體壓縮機廠制造。該機組的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)排氣量為30800 Nm3/h，軸功率為2855 kW。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，通常實際流量僅為設(shè)計負(fù)荷的30%，70%通過旁通回流到進氣總管。機組富裕量相當(dāng)大，能耗極高，與當(dāng)前降本增效、節(jié)能生產(chǎn)的要求極不相符。因此，試圖通過改進氣量調(diào)節(jié)方法來降低能耗，這也是一種最為有效的方法。綜合三臺機組的運行情況，決定先在K3101C機組上對氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行改造。

1 現(xiàn)有調(diào)節(jié)方法的優(yōu)缺點

K3101C機組原采用氣量旁路調(diào)節(jié)法。旁路調(diào)節(jié)法的原理是將吸氣管與排氣管用旁通管路及旁通閥連通，通過旁通閥的開度來達(dá)到排氣量的調(diào)節(jié)。根據(jù)旁通閥開度的變化，可實現(xiàn)排氣量在0～100%范圍內(nèi)的分級或連續(xù)調(diào)節(jié)，這種方法是目前往復(fù)壓縮機普遍使用的。K3101機組采用一返一、二返一和三返一共三路旁路調(diào)節(jié)。

旁路調(diào)節(jié)法的優(yōu)點是調(diào)節(jié)方法比較靈活，設(shè)備簡單，投入低。缺點是經(jīng)壓縮的氣體由旁路回流至壓縮機入口，因此無用功耗大，尤其在耗氣量低的工況時造成能量的巨大浪費；人工調(diào)節(jié)復(fù)雜，系統(tǒng)可操控性較低，只適用于偶爾調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)幅度小的場合。由此可見，旁路調(diào)節(jié)并不能很好地達(dá)到氣量調(diào)節(jié)的目的，在現(xiàn)有的工況下旁路調(diào)節(jié)只適用小幅度的偶爾調(diào)節(jié)，不適用長時間、大范圍的氣量調(diào)節(jié)。從加氫裂化裝置K3101機組在現(xiàn)有工況下長期性、安全性、可靠性運行考慮，尤其是從節(jié)能角度考慮，調(diào)節(jié)系統(tǒng)迫切需要改造。

為了更便捷、準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)壓縮機的排量以滿足系統(tǒng)的實際生產(chǎn)需要，同時滿足對壓縮機各級進排氣壓力進行精確控制，我們決定在K3101C（常開）機組上增加一套賀爾碧格公司生產(chǎn)的HydroCOM壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對壓縮機的排氣量0～100% （理論上）范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)耗氣量降低的同時，其消耗的功率也成比例地降低，從而達(dá)到節(jié)能降耗、減虧增效的目的。

2 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理和構(gòu)成

2.1 理論依據(jù)及工作原理

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的是壓縮機的 “回流省功”原理。如圖1所示，隨著活塞在壓縮機氣缸中的往復(fù)運動，每個氣缸側(cè)的一個正常工作循環(huán)包括下述過程： （1）余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過程，如圖1中曲線A-B，此時壓縮機進氣閥和排氣閥均處于正常的關(guān)閉狀態(tài)； （2）進氣過程，如曲線B-C，此時進氣閥在氣缸內(nèi)外壓差的作用下開啟，進氣管線中的氣體通過進氣閥進入氣缸，至點C完成相當(dāng)于氣缸100%容積流量的進氣量，進氣閥關(guān)閉；（3）曲線C-D為壓縮曲線，氣缸內(nèi)的氣體在活塞的作用下壓縮達(dá)到排氣壓力；（4）曲線D-A為排氣過程，排氣閥打開，被壓縮的氣體經(jīng)過排氣閥進入下一級過程。如果在進氣過程到達(dá)點C后，進氣閥在執(zhí)行機構(gòu)作用下仍被強制地保持開啟狀態(tài)，那么壓縮過程并不能沿原壓縮曲線由點C到達(dá)點D，而是先由點C到達(dá)點Cr，此時原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進氣閥回流到進氣管而不被壓縮。待活塞運動到特定的位置點Cr（對應(yīng)所要求的氣量）時，執(zhí)行機構(gòu)使頂開進氣閥片的強制外力消失，進氣閥片回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程開始沿著點Cr到達(dá)點Dr。氣體達(dá)到額定排氣壓力后從排氣閥排出，容積流量減少。這種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點是壓縮機的指示功消耗與實際容積流量成正比，這是一種簡單高效的壓縮機流量調(diào)節(jié)方式。賀爾碧格公司生產(chǎn)的HydroCOM壓縮機氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的正是這種調(diào)節(jié)方式，其工作原理如圖2所示。

圖1 回流省功P-V圖

圖2 HydroCOM系統(tǒng)的工作原理

它的主要工作原理是計算機即時處理壓縮機運行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將信號反饋至執(zhí)行機構(gòu)內(nèi)的電子模塊，由液壓執(zhí)行器來實時控制進氣閥的開啟與關(guān)閉時間，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。這正是運用了上述的“回流省功”原理。在HydroCOM系統(tǒng)的控制下，壓縮機的進氣閥不再是依靠壓差工作的自動閥，而是一個由外置動力驅(qū)動的強制閥。當(dāng)然，如果由于某種原因?qū)е翲ydroCOM系統(tǒng)無法正常工作，HydroCOM專用氣閥仍能像普通氣閥一樣承擔(dān)正常的進氣任務(wù)，最大限度地保證生產(chǎn)裝置安全運行。

2.2 系統(tǒng)組成

HydroCOM系統(tǒng)主要由中間接口單元CIU、液壓執(zhí)行器HA、液壓油站HU、上死點傳感器TDC及服務(wù)器單元SU五部分組成。圖3是HydroCOM系統(tǒng)的基本組成圖。

圖3 HydroCOM系統(tǒng)組成

液壓油站提供液壓執(zhí)行機構(gòu)所需的高壓動力油。中間接口單元將控制器 （DCS）輸出的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)化成作用于各級進氣閥的啟與閉的時間信號，傳輸給液壓執(zhí)行機構(gòu)。由 “回流省功”原理可知，在每一氣缸吸氣終了時液壓執(zhí)行機構(gòu)才開始動作，強制打開吸氣閥，因此還需吸氣終了的信號，以確定執(zhí)行器動作的準(zhǔn)確時間，上死點傳感器拾取的曲軸轉(zhuǎn)角脈沖信號正是起到了此作用。液壓執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)這些信號準(zhǔn)確執(zhí)行各級進氣閥的啟與閉，實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。同時執(zhí)行器內(nèi)裝有閥腔溫度等傳感器，監(jiān)測機組運行狀況，經(jīng)中間接口單元反饋給DCS。

服務(wù)器單元包含一臺IBM兼容電腦和基于WINDOWS平臺的服務(wù)軟件。該服務(wù)器用于對系統(tǒng)的分析、診斷及對中間接口單元CIU的組態(tài)。一旦發(fā)生系統(tǒng)故障，可通過服務(wù)器單元SU對中間接口單元CIU進行分析診斷。

由此可見，HydroCOM系統(tǒng)采用了先進的控制理論，是先進的控制理論和機電技術(shù)的結(jié)合，除最大限度節(jié)省能源外，還擁有極高的控制動態(tài)特性。

3 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造的可操作性

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造對機組本體改動不大，僅需對吸氣閥部分等進行下述幾項改造。

（1）更換全部吸氣閥及卸荷器，改用HydroCOM系統(tǒng)專用吸氣閥和液壓執(zhí)行機構(gòu)。

（2）安裝液壓油站，液壓油站是一種簡單的箱式集成部件，用四只?10 mm膨脹螺栓與地面固定，安裝簡單易行。

（3）安裝上死點傳感器。

（4）連接液壓油站至液壓執(zhí)行機構(gòu)的液壓油管線。

（5）在儀表方面，將HydroCOM控制系統(tǒng)嵌入DCS系統(tǒng)。

整個改造設(shè)備安裝工作共歷時一周左右，因此無論是從改造工作量還是改造周期看，氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造具有很強的可操作性。

4 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益

2009年4月HydroCOM系統(tǒng)在煉油事業(yè)部加氫裂化裝置K3101C上正式投運，在裝置處理量不變、壓縮機工況基本相同的情況下，壓縮機組的電流由原來的270～280 A下降至150～160 A，電流下降100 A左右，每小時節(jié)電900 kW·h，按每年8000 h運行時間、電費0.5元/度計算，每年節(jié)約的電費約為360萬元，一年內(nèi)就可收回該系統(tǒng)的全部投資。由此可見，實施HydroCOM改造項目帶來的直接經(jīng)濟效益是非常可觀的。

另外，壓縮機裝備HydroCOM系統(tǒng)后，還帶來了很好的間接經(jīng)濟效益。一方面，調(diào)節(jié)壓縮機的流量非常簡單，僅需輸入期望的設(shè)定壓力值，系統(tǒng)即可自動跟蹤進行工作，能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機的平穩(wěn)加載、無沖擊切換及停機，可操控性大大提高。另一方面，HydroCOM系統(tǒng)控制下的每一級進氣卸荷機構(gòu)在壓縮機的每一轉(zhuǎn)均同時動作，基本不改變活塞桿的受力狀態(tài)，可實現(xiàn)0～100%范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)，不存在氣動50%卸荷 (膜式汽缸調(diào)節(jié))時產(chǎn)生活塞桿單側(cè)受力的情況。此外，機組的安全性也得到了很大的提高。這些間接的經(jīng)濟效益無法用具體數(shù)字計算，但作為裝置的心臟設(shè)備壓縮機組的平穩(wěn)安全運行，為裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)生產(chǎn)帶來的經(jīng)濟效益是無法估量的。

5 應(yīng)用前景

隨著國內(nèi)原油深加工發(fā)展的需要，各類加氫裝置不斷涌現(xiàn)，大型往復(fù)式壓縮機在煉油裝置中的應(yīng)用越來越多。這類壓縮機具有軸功率大、能耗大的特點。如中國石化上海高橋分公司煉油事業(yè)部的連續(xù)重整裝置新氫壓縮機K202A/B/C,軸功率為2600 kW；潤滑油加氫裝置新氫壓縮機K301A/B，軸功率為2800 kW等，均采用落后的旁路調(diào)節(jié)法，且返回量均在30%以上。因此氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)這一技術(shù)的應(yīng)用前景是相當(dāng)廣闊的，其帶來的直接和間接經(jīng)濟效益是相當(dāng)可觀的。