姚 紅 左 鵬 景 曄

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司)

壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在連續(xù)重整裝置上的應(yīng)用

姚 紅*左 鵬 景 曄

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司錦州石化分公司)

介紹了錦州石化連續(xù)重整裝置增壓機(jī)的現(xiàn)狀和存在的問題，闡述了壓縮機(jī)K-202的基本情況、氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理、新舊控制方案的對(duì)比、系統(tǒng)基本配置和在K-202C上的使用效果，解決了蓄能器系統(tǒng)支架不穩(wěn)、試運(yùn)行過程中由于液壓油系統(tǒng)故障造成工藝條件大幅波動(dòng)以及個(gè)別氣閥閥窩溫度過高產(chǎn)生倒氣等問題。

壓縮機(jī) 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 連續(xù)重整裝置

錦州石化公司連續(xù)重整裝置由中國(guó)石化工程建設(shè)公司SEI北京設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)[1]，采用UOP的超低壓連續(xù)重整反應(yīng)工藝和UOP第三代Cyclemax再生工藝技術(shù)。該裝置于2005年首次開車，2011年進(jìn)行了擴(kuò)能改造，改造后裝置的處理能力由60萬(wàn)t/a擴(kuò)大到80萬(wàn)t/a。原料來(lái)源為蒸餾車間的直餾石腦油、加氫處理過的焦化汽油、加氫改質(zhì)石腦油和加氫裂化重石腦油。主要產(chǎn)品為高辛烷值汽油、C6組分，并副產(chǎn)氫氣及液化氣。

1 工藝流程

連續(xù)重整裝置具體可分為4部分：原料預(yù)處理、催化重整、產(chǎn)品分離和催化劑再生。其中催化重整部分為核心反應(yīng)。重整反應(yīng)在增加精制油芳烴含量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，這就要對(duì)產(chǎn)物作進(jìn)一步處理，分離成氫氣、輕烴和重整油。

因重整反應(yīng)壓力較低，在低壓下產(chǎn)物氣液平衡，分離罐分離出的氣體中會(huì)有大量的輕烴，既降低了氫氣的純度又減少了重整油的收率。故需設(shè)置再接觸系統(tǒng)增壓冷卻，使含氫氣體中輕烴溶解在油中，也使產(chǎn)出的氫氣達(dá)到壓力并入氫氣管網(wǎng)之中[2]。

本系統(tǒng)再接觸流程如圖1所示。

圖1 重整反應(yīng)后再接觸流程示意圖

重整反應(yīng)生成的氫氣進(jìn)入分離罐D(zhuǎn)-217，D-217頂部出的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)K-202一級(jí)壓縮，再經(jīng)空冷A-203，水冷E-203，冷卻后進(jìn)入D-202(1#再接觸罐)。D-202頂部出的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)K-202二級(jí)壓縮，再經(jīng)空冷A-204，換熱器E-205，氨冷凍E-206，冷卻后進(jìn)入D-203(2#再接觸罐)。D-203頂部出的氫氣經(jīng)D-204脫氯罐脫氯后出裝置。

本次加設(shè)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓縮機(jī)即為K-202C。K-202有A、B、C3臺(tái)，正常情況下兩開一備。因裝置所需的氫氣量為一臺(tái)壓縮機(jī)滿負(fù)荷，另一臺(tái)開額定負(fù)荷的50%～80%，而在原控制系統(tǒng)下兩臺(tái)壓縮機(jī)均滿負(fù)荷運(yùn)行，多余的氫氣必須通過旁路控制閥返回壓縮機(jī)入口前，造成壓縮機(jī)能耗浪費(fèi)。所以有必要加設(shè)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)0%～100%負(fù)荷無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，提高節(jié)能水平和經(jīng)濟(jì)效益。

2 無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1壓縮機(jī)K-202基本情況

K-202壓縮機(jī)為重整氫增壓機(jī)[3]，型號(hào)4M40-151/2.3-6.9-69/5.9-15.5-BX ，M形對(duì)動(dòng)平衡式結(jié)構(gòu)，由沈陽(yáng)氣體壓縮機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)制造，其基本參數(shù)如下：

列數(shù) 4

壓縮級(jí)數(shù) 2

氣缸潤(rùn)滑方式 少量機(jī)油

電動(dòng)機(jī)額定功率 2 100kW

電動(dòng)機(jī)額定電壓 6kV

電動(dòng)機(jī)額定電流 239A

軸功率 1 890kW

曲軸轉(zhuǎn)速 300r/min

一段排氣量 25 459Nm3/h

二段排氣量 26 427Nm3/h

一級(jí)入口壓力 0.23MPa

一級(jí)出口壓力 0.69MPa

二級(jí)入口壓力 0.59MPa

二級(jí)出口壓力 1.55MPa

2.2氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

本次加設(shè)的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(英文名稱HydroCOM)是賀爾碧格公司專門為往復(fù)式壓縮機(jī)開發(fā)的液壓式氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量在0%～100%范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的目的是要讓壓縮機(jī)壓縮正好需要的氣量。吸氣時(shí)活塞向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣閥被氫氣頂開，氫氣流入腔中?；钊蜃筮\(yùn)動(dòng)時(shí)，氫氣壓縮，進(jìn)氣閥關(guān)死，到一定壓力排氣閥打開，被壓縮氫氣流出，完成一個(gè)循環(huán)。現(xiàn)應(yīng)用回流省功原理，當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥不關(guān)閉，而是在卸荷器作用下保持全開狀態(tài)，使一部分氫氣又流回進(jìn)氣罐中(這部分氫氣即為原來(lái)多壓縮的氣量，現(xiàn)不被壓縮)，之后將進(jìn)氣閥關(guān)死，完成正常的壓縮排氣過程。HydroCOM系統(tǒng)就是能讓進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉的系統(tǒng)[4]。

HydroCOM有高度集成的電子控制系統(tǒng)，能夠完全嵌入到裝置現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)中?，F(xiàn)場(chǎng)由電子液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和進(jìn)氣閥卸荷器根據(jù)4～20mA的控制信號(hào)延遲進(jìn)氣閥關(guān)閉的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)活塞行程所壓縮的氣量。DCS中的PI調(diào)節(jié)器根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求計(jì)算出控制信號(hào)并傳送給CIU(中間接口單元)，CIU把4～20mA的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子指令傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成上述在適當(dāng)時(shí)間開啟、關(guān)閉進(jìn)氣閥的動(dòng)作。裝備了氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)只對(duì)實(shí)際需要的氣量進(jìn)行壓縮，能夠最大限度地節(jié)約資源。

2.3新舊控制方案對(duì)比

在裝備氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)前，氣量調(diào)節(jié)主要通過旁路閥來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂品桨溉鐖D2所示。經(jīng)K-202一段壓縮后的氫氣在D-202后通過PV2002A/B可回流至D201前。經(jīng)K-202二段壓縮后的氫氣在D-203后通過PV2003可回流至D-202前。如此可實(shí)現(xiàn)壓縮多余的氫氣流回，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

圖2 原控制方案

增加氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的控制方案如圖3所示，新控制方案并未取消旁路閥。因?yàn)槌鲇趯?duì)進(jìn)氣溫度的考慮，HydroCOM壓縮機(jī)最低負(fù)荷不可低于30%。如想壓縮低于30%的氣量，要用壓縮機(jī)壓縮30%的氣量，再通過旁路閥流回多余氣量。現(xiàn)實(shí)際出于對(duì)生產(chǎn)調(diào)節(jié)的考慮，負(fù)荷在80%左右，而旁路閥并未完全關(guān)閉，有20%左右的開度，若將旁路閥20%開度關(guān)閉會(huì)進(jìn)一步節(jié)能。

圖3 新控制方案

2.4氣量無(wú)極調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本組成

圖4為氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本組成。

圖4 HydroCOM系統(tǒng)的基本組成

由圖4可以看出氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

a. CIU中間接口單元，CIU是執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上死點(diǎn)傳感器和DCS系統(tǒng)之間的接口，由CIU連接協(xié)調(diào)整個(gè)HydroCOM系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)，作為信號(hào)交流紐帶。

b. 直流48V供電電源(EPS)，EPS負(fù)責(zé)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供48V直流電源。

c. 液壓油站(HU)，HU向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)氣閥動(dòng)作的液壓動(dòng)力。

d. 隔離放大器[5](IA)，IA用于隔離危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域，把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為到安全區(qū)域的晶體管輸出。

e. 上死點(diǎn)傳感器(TDC)，TDC同步測(cè)量曲軸的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過推算，能實(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)據(jù)此來(lái)控制進(jìn)氣閥的開啟和閉合時(shí)間，TDC也能測(cè)量壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(Actuator，圖5)從CIU接收指令驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣閥卸荷器，通過控制卸荷器來(lái)控制進(jìn)氣閥的開啟與閉合(圖6)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由外部電源供電，液壓油站供油。

壓縮機(jī)的每一個(gè)進(jìn)氣閥都裝配一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由外部電源提供 48V供電源，由液壓油站提供液壓油。CIU通過數(shù)據(jù)總線將進(jìn)氣閥開啟或關(guān)閉的信息傳輸給這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。CIU通過上死點(diǎn)傳感器和一個(gè)隔離放大器與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持同步。CIU通過接收DCS系統(tǒng)的4～20mA的信號(hào)，獲知每級(jí)需要的氣量。CIU反饋每個(gè)進(jìn)氣閥的閥窩溫度，再以4～20mA信號(hào)的方式傳輸給DCS。信號(hào)也可通過Modbus接口轉(zhuǎn)換給DCS。

圖5 HydroCOM執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖6 HydroCOM執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制組成

2.5氣量無(wú)極調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用聯(lián)鎖情況

如圖7所示，當(dāng)壓縮機(jī)電機(jī)運(yùn)行、液壓油站電機(jī)運(yùn)行且氣量調(diào)節(jié)負(fù)荷大于0%這3個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)CIU可以投用。

在維護(hù)旁路運(yùn)行的情況下，當(dāng)發(fā)生：CIU投用且錯(cuò)誤時(shí)；液壓油站電機(jī)運(yùn)行且壓力低低報(bào)警時(shí)；液壓油站液位低時(shí)或液壓油站溫度高高報(bào)警時(shí)(目前此聯(lián)鎖摘除)聯(lián)鎖停液壓油站電機(jī)。一旦出現(xiàn)問題聯(lián)鎖停液壓油站電機(jī)后，HydroCOM系統(tǒng)切除，旁路閥接手壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)。

3 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用狀況

本系統(tǒng)投用后，連續(xù)重整裝置在進(jìn)料量91t/h的工況下，壓縮機(jī)負(fù)荷為80%，節(jié)能效果明顯：按負(fù)荷80%，電流165A計(jì)算，每小時(shí)節(jié)電320kW·h，每年節(jié)電187.86萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。而且如果旁路閥全關(guān)，還將有更大經(jīng)濟(jì)效益。

K-202C壓縮機(jī)裝備了氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)之后，可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)30%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，達(dá)到了平穩(wěn)過渡。因?yàn)闇p少了無(wú)謂做功，也使得排氣閥壽命有所提高，從而降低了維修成本。在系統(tǒng)出故障時(shí)可自動(dòng)切除，壓縮機(jī)變?yōu)?00%負(fù)荷，原旁路調(diào)節(jié)方式接手氣量調(diào)節(jié)任務(wù)。另外，開停機(jī)也更加簡(jiǎn)便，提高了壓縮機(jī)的可靠性和安全性。

圖7 氣量無(wú)極調(diào)節(jié)系統(tǒng)

針對(duì)蓄能器系統(tǒng)支架固定不穩(wěn)的改進(jìn)措施為[6]：變更施工方案，加設(shè)部分鋼梁及更換蓄能器支架型鋼，以確保蓄能器支架穩(wěn)固。

試運(yùn)行過程中，由于液壓油系統(tǒng)有故障[7]，在切除油站的過程中，機(jī)組負(fù)荷并未按計(jì)劃情況維持100%負(fù)荷，而是瞬間降至0負(fù)荷，10s后自動(dòng)恢復(fù)至100%負(fù)荷，造成工藝條件大幅波動(dòng)。相應(yīng)的改進(jìn)措施為：將聯(lián)鎖邏輯中“液壓油站電機(jī)運(yùn)行”后增加60s延時(shí)，確保在液壓油站故障時(shí)把殘余的液壓油油壓泄完后再將CIU切除，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定。

針對(duì)個(gè)別氣閥閥窩溫度過高，存在倒氣現(xiàn)象的對(duì)策為：在適當(dāng)時(shí)機(jī)拆裝檢修，并準(zhǔn)備相關(guān)備件。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)4M40壓縮機(jī)進(jìn)行氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改造后，系統(tǒng)自2013年11月初投用以來(lái)，表現(xiàn)良好，壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)更加平穩(wěn)。改造可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)負(fù)荷30%～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，節(jié)能效果明顯，亦可為壓縮機(jī)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行提供有效保障，年節(jié)約近200萬(wàn)元，而且還有提升空間。

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TQ051.21

B

0254-6094(2016)01-0107-05

*姚 紅，男，1981年3月生，工程師。遼寧省錦州市，121000。

2015-04-20，

2015-05-20)