宋亞斌 楊海軍

(中國石油蘭州石化設(shè)備維修公司，蘭州 730060)

傳統(tǒng)往復(fù)式壓縮機(jī)氣量控制是通過控制返回閥來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)裝置下游所需氣體流量較大時(shí)，通過關(guān)小返回閥使較多的氣體進(jìn)入裝置下游；當(dāng)裝置下游需氣體流量較小時(shí)，通過開大返回閥使較少的氣體進(jìn)入裝置下游，此類控制方案為旁通閥控制。叢蕊等通過對其振動(dòng)信號進(jìn)行SPWVD分布時(shí)頻處理，得到振動(dòng)信號時(shí)頻分布圖，以振動(dòng)信號的頻率幅值作為灰度值，將三維真彩圖像轉(zhuǎn)換為二維灰度圖像，采用灰度-梯度共生矩陣提取出圖像中的紋理特征參量，表明不同故障對應(yīng)不同的特征參量，得以定量識別壓縮機(jī)的故障[1]。雷娜等通過理想信號進(jìn)行了仿真對比研究，分析了二階循環(huán)譜具有抑制平穩(wěn)噪聲及其頻率相關(guān)特性，并將該方法用于往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障的檢測[2]。

中國石油蘭州石化分公司新建300萬t/a柴油加氫裝置共有兩臺往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)K101A和K101B，正常工況下一開一備。該公司決定首次在往復(fù)式壓縮機(jī)上使用無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了保證裝置的平衡運(yùn)行，只在K101A上配備無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在此，筆者在介紹無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成與控制信號的基礎(chǔ)上，給出無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在300萬t/a柴油加氫裝置往復(fù)式壓縮機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的組態(tài)與實(shí)施。

1 往復(fù)式壓縮氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)對比①

中國石油蘭州石化分公司的300萬t/a柴油加氫裝置的旁通閥控制原理如圖1所示(未配備無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng))。

圖1 旁通閥控制原理

往復(fù)式壓縮機(jī)的無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)融入了數(shù)字計(jì)算和控制技術(shù)，通過液壓驅(qū)動(dòng)卸荷裝置使得進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉，使多余氣體不經(jīng)壓縮而重返進(jìn)氣總管，壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量。通過這種方式，每一個(gè)行程的氣體流量可以得到控制，即回流省功控制。該公司的300萬t/a柴油加氫裝置的回流省功控制原理(裝備有無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng))如圖2所示。

圖2 回流省功控制原理

由圖1、2可以看出，旁通閥控制方案將所有進(jìn)入氣閥的氣體全部壓縮，但只利用了其中的一部分，其余氣體返回，此控制方案極大地浪費(fèi)了能源，同時(shí)也縮短了壓縮機(jī)的壽命。而無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在壓縮過程中，使部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣總管，因此該方案最大程度地節(jié)約了能耗。

2 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成

中國石油蘭州石化分公司的300萬t/a柴油加氫裝置采用HydroCOM無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)Actuator、中間接口單元CIU、級接口模塊SIM、總接口模塊GIM、直流48V供電電源EPS、液壓油站HU、上死點(diǎn)TDC傳感器及服務(wù)軟件HSS等軟、硬件組成，如圖3所示。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)Actuator執(zhí)行實(shí)際的控制任務(wù)，它在部分負(fù)荷下延遲進(jìn)氣閥的關(guān)閉；中間接口單元CIU給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制信號，并作為DCS/PLC與HydroCOM間進(jìn)行信號交流的紐帶，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)與CIU之間的信號傳遞是通過RS485總線實(shí)現(xiàn)的；直流48V供電電源EPS負(fù)責(zé)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的48V(DC)供電；每一個(gè)CIU都配有一個(gè)GIM總接口模塊(圖3中從右側(cè)開始的第3塊)，用于處理二進(jìn)制輸入/輸出信號，GIM卡前有一個(gè)RS-232接口，通過RS-232數(shù)據(jù)線與裝有HydroCOM服務(wù)軟件HSS的PC連接，進(jìn)行設(shè)置與故障診斷；液壓油站HU通過液壓管路供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的動(dòng)力；上死點(diǎn)傳感器不僅同步測量壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，更重要的功能是實(shí)時(shí)提供活塞在氣缸中的即時(shí)位置給CIU，執(zhí)行機(jī)構(gòu)正是據(jù)此來控制進(jìn)氣閥的開啟和閉合時(shí)間的。這樣，對壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)更簡化為在控制室內(nèi)輸入所需參數(shù)值即可；基于Windows環(huán)境下的HSS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)HSS也是一個(gè)在數(shù)據(jù)顯示和HydroCOM服務(wù)方面很實(shí)用的工具。HydroCOM系統(tǒng)還附帶有進(jìn)氣閥蓋溫度檢測功能，溫度探頭集成在安裝于閥蓋上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)。

圖3 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制信號

壓縮機(jī)的流量控制回路由DCS或PLC實(shí)現(xiàn)，控制變量和參數(shù)根據(jù)工藝要求確定。選取其中的一個(gè)過程變量(如排氣壓力、吸氣壓力或流量等)作為主控變量，用戶為這個(gè)變量賦值，PI控制器被分配到壓縮機(jī)的每一級上，第一級根據(jù)過程變量控制。第一個(gè)控制器的輸出主要作用于第一級，在高壓級和選取級間的壓力作為過程控制變量。各級的負(fù)荷百分比信號轉(zhuǎn)換為4～20mA信號傳輸給CIU。控制器提供起步操作，包括起步卸荷和起步斜坡，以保證壓縮機(jī)平緩啟動(dòng)。300萬t/a柴油加氫裝置的HydroCOM無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制信號如圖4所示。

4 組態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)施

4.1 控制方案

圖4 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制信號示意圖

為了幫助讀者充分理解HydroCOM氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制原理，筆者通過在CS3000 DCS中的編程組態(tài)來實(shí)現(xiàn)該控制。將HydroCOM的組態(tài)分為壓縮機(jī)氣量控制和HydroCOM控制邏輯兩部分(圖5)，其中氣量控制部分實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量的調(diào)節(jié)和控制；HydroCOM控制邏輯實(shí)現(xiàn)HydroCOM的投用和切除。

圖5 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制方案

4.2 HydroCOM控制邏輯組態(tài)

HydroCOM的控制邏輯如圖6所示，當(dāng)HydroCOM允許加載、HydroCOM油站啟動(dòng)和壓縮機(jī)主電機(jī)啟動(dòng)條件滿足時(shí)，DCS輸出CIU投運(yùn)信號至CIU，激活HydroCOM系統(tǒng)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，當(dāng)CIU出錯(cuò)、油站壓力低低、油站溫度高高及液位低等聯(lián)鎖信號中的任何一個(gè)出現(xiàn)時(shí)，油站電機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)，HydroCOM切除。

圖6 HydroCOM系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)

4.3 壓縮機(jī)氣量控制組態(tài)

以壓縮機(jī)氣量控制的一級組態(tài)為例進(jìn)行說明，二級參照一級編程。一級分程模塊實(shí)現(xiàn)的功能如下：

a. S1=0(即CIU未投用)時(shí)，HydroCOM不起作用，即一級HydroCOM手操器選擇自動(dòng)或手動(dòng)(S2=1或0)對控制系統(tǒng)均無影響，此時(shí)完全由一級旁通閥對壓縮機(jī)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作工可根據(jù)實(shí)際情況對一級旁通閥手操器狀態(tài)進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)設(shè)置。也就是說，S1=0時(shí)X1=0～100，對應(yīng)B1=0～100(A1為任意值，S2為任意狀態(tài))。

b. 當(dāng)S1=1(即CIU投用)時(shí)，HydroCOM開始起作用，此時(shí)分兩種情況。

當(dāng)S1=1時(shí)，HydroCOM的兩種情況分別為：

a. 當(dāng)S2=1，即一級HydroCOM手操器為自動(dòng)時(shí)(圖7)， X1=0～80，對應(yīng)A1=100～20(即A1=100-X1)，B1=0(即旁通閥全關(guān))；X1=80～100，對應(yīng)A1=20，B1=0～100。

b. 當(dāng)S2=0，即一級HydroCOM手操器的狀態(tài)設(shè)置為手動(dòng)時(shí)(圖8)，X1=0～100，對應(yīng)B1=0～100(A1為手動(dòng)輸入值)。其中，一級HydroCOM手操器從手動(dòng)變?yōu)樽詣?dòng)，或自動(dòng)變?yōu)槭謩?dòng)，即S2從0→1或1→0，需要實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，即通過分程點(diǎn)的漸變實(shí)現(xiàn)2.1與2.2間的切換功能，如圖7、8所示，其中橫坐標(biāo)均表示低選器輸出X1；圖7的縱坐標(biāo)表示旁通閥開度值B1；圖8的縱坐標(biāo)表示一級HydroCOM手操器負(fù)荷值A(chǔ)1。具體組態(tài)如圖9所示。

圖7 手動(dòng)切自動(dòng)時(shí)分程點(diǎn)從0%變?yōu)?0%

圖8 自動(dòng)切手動(dòng)時(shí)分程點(diǎn)從0%變?yōu)?00%

圖9 分程漸變邏輯組態(tài)

5 結(jié)束語

在中國石油蘭州石化分公司的300萬t/a柴油加氫裝置的往復(fù)式壓縮機(jī)上進(jìn)行無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組態(tài)與實(shí)施后，極大地節(jié)約了能源，同時(shí)也穩(wěn)定了加氫裝置的氫氣壓力和流量，為柴油裝置的長周期運(yùn)行提供了保證。