況成虎 趙全升 付超偉 周寶江

(中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng)，471012)

工藝與設(shè)備

國(guó)產(chǎn)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在重整氫增壓機(jī)K202A上的應(yīng)用

況成虎 趙全升 付超偉 周寶江

(中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽(yáng)分公司，河南洛陽(yáng)，471012)

介紹了洛陽(yáng)分公司0.7Mt/a連續(xù)重整裝置重整氫增壓機(jī)改造前后的狀況，針對(duì)原運(yùn)行方式有大量的能耗浪費(fèi)，現(xiàn)采用國(guó)產(chǎn)環(huán)瑞HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后節(jié)能效果明顯。闡述了HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理和控制方法。它改變了傳統(tǒng)的對(duì)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)的方法，并利用智能化液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，快速、準(zhǔn)確地控制壓縮機(jī)的壓力和流量，實(shí)現(xiàn)氣量0%～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)，還可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、切換和停機(jī)。

連續(xù)重整裝置 重整氫增壓機(jī) 氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 節(jié)能

1 前言

洛陽(yáng)分公司連續(xù)重整裝置原設(shè)計(jì)采用法國(guó)IFP第一代連續(xù)重整專利技術(shù)，2005年7月起實(shí)施了國(guó)產(chǎn)化連續(xù)重整技術(shù)改造，設(shè)計(jì)年加工能力為70萬(wàn)噸，以石腦油(初餾點(diǎn)-175℃)為原料，生產(chǎn)富含芳烴的重整生成油(重整生成油的辛烷值RONC=102，芳烴含量78%)，作為芳烴原料和汽油調(diào)合組分，同時(shí)富產(chǎn)氫氣和少量的液化氣[1]。

重整裝置重整氫氣增壓機(jī)K202A/B/C/D共 4臺(tái)，為二級(jí)四列往復(fù)式壓縮機(jī)，由沈陽(yáng)氣體壓縮機(jī)廠制造，K202A/B/C單臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)流量為16330Nm3 /h,K202D單臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)流量為25000Nm3 /h[2]。K202A/B/C/D的原設(shè)計(jì)負(fù)荷控制只有五檔(0%、25%、50%、75%、100%)調(diào)節(jié)，它不能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)且流量調(diào)節(jié)跨度較大，正常情況下由于重整負(fù)荷及產(chǎn)氫量的變化，必須配合使用K202A/B/C/D共用的旁通回流的調(diào)節(jié)方式滿足工藝系統(tǒng)對(duì)氣量的要求，這種方式滿足了工藝生產(chǎn)的需要，但造成了能源的巨大浪費(fèi)。此外,為了保證重整的反應(yīng)壓力及用氫量的變化,在原有控制方案下操作工需要根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)的壓力頻繁到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整壓縮機(jī)負(fù)荷,增加了操作工的工作量。目前我們對(duì)K202A安裝使用HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)控制壓力和流量實(shí)現(xiàn)了氣量0%～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)，而且通過(guò)智能化的液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，快速、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)、切換、停機(jī)和調(diào)整壓縮機(jī)所需要的氣量，最大限度的節(jié)約能源。

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

HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是基于部分行程頂開(kāi)進(jìn)氣閥原理的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)排氣量0%～100%范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。電-液伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)控制模塊輸出的信號(hào)控制進(jìn)氣閥的開(kāi)和關(guān)。通過(guò)控制進(jìn)氣閥的關(guān)閉時(shí)刻可以調(diào)節(jié)壓縮行程實(shí)際壓縮的氣量，達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量的目的。

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

頂開(kāi)氣閥的無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理如圖1所示，高速電磁閥控制著液壓缸的液壓通路，當(dāng)電磁閥帶電時(shí)，閥芯動(dòng)作使液壓缸與液壓站的高壓油路連通，液壓力推動(dòng)液壓活塞，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓活塞的作用下被壓下，強(qiáng)制打開(kāi)進(jìn)氣閥；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，閥芯復(fù)位使液壓缸與液壓站的低壓回油路連通，壓叉在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位，氣閥在氣體力與閥片彈簧作用下關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開(kāi)始被壓縮。壓縮機(jī)達(dá)到所需氣量的關(guān)鍵，是確定進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉時(shí)間，進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉時(shí)間又是由電磁閥的帶電時(shí)間長(zhǎng)短決定的。

圖1 頂開(kāi)氣閥的無(wú)級(jí)氣量系統(tǒng)原理圖

圖2 氣量調(diào)節(jié)時(shí)的p-V圖

具有氣量調(diào)節(jié)功能的壓縮機(jī)工作過(guò)程氣缸內(nèi)的p-V圖如圖2所示。當(dāng)壓縮機(jī)處于膨脹過(guò)程AB時(shí)，電磁閥未接通；進(jìn)入吸氣階段BC，進(jìn)氣閥在氣體力的作用下開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，電磁閥接通，柱塞在高壓油作用下推動(dòng)壓叉使進(jìn)氣閥片貼合在限制器表面；壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段時(shí)，電磁閥仍然處于通電狀態(tài)，閥片仍然被壓叉固定在限制器上，此階段CCr即為回流階段，它將多余的氣量不經(jīng)過(guò)壓縮自動(dòng)排進(jìn)進(jìn)氣管路中；在CrDr階段，電磁閥斷電，閥片在氣體力作用下自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段；DrA即為壓縮機(jī)的排氣階段。這一整個(gè)過(guò)程中，氣缸內(nèi)氣體通過(guò)進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣腔或者進(jìn)氣管路中，達(dá)到減小排氣量的目的，從p-V圖上也可以發(fā)現(xiàn)后者節(jié)省了循環(huán)指示功，相比于現(xiàn)有的旁通管路氣量調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的節(jié)能。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

(1)可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量0%～100%范圍內(nèi)的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)在30%負(fù)荷以下時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能降低，節(jié)能效果降低，且影響電磁閥的壽命，因此在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和效果，一、二級(jí)的負(fù)荷手動(dòng)值建議不要在在低于30%負(fù)荷情況下長(zhǎng)期運(yùn)行；

(2)壓縮機(jī)軸功率隨著排氣量的降低成比例減小，節(jié)能效果顯著；

(3)與原DCS系統(tǒng)可以兼容并行，具有手動(dòng)模式與自動(dòng)模式，手動(dòng)模式下可以主動(dòng)設(shè)定壓縮機(jī)負(fù)荷，也可以讓負(fù)荷以一個(gè)平穩(wěn)的速率自動(dòng)上升或降低，達(dá)到系統(tǒng)平穩(wěn)投入和切除的目的；

(4)當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可發(fā)出故障信號(hào)至DCS，此時(shí)DCS可依據(jù)故障信號(hào)切除HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)，在必要時(shí)也可以手動(dòng)切除，系統(tǒng)切除后壓縮機(jī)在原控制系統(tǒng)下運(yùn)行；

(5)控制壓縮機(jī)的各級(jí)排氣壓力，將其穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。

3 HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。

3.1 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括專用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥和液壓執(zhí)行器組件，主要功能是接受來(lái)自控制模塊的信號(hào)，適時(shí)啟閉電磁閥，從而接通或斷開(kāi)來(lái)自液壓油站的高壓油，以控制頂開(kāi)進(jìn)氣閥的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量的調(diào)節(jié)。

3.1.1 專用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥

圖3即為HRCS配備的專用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，閥片的結(jié)構(gòu)型式采用網(wǎng)狀閥，閥片材料一般選擇PEEK，它能夠承受更大的閥片沖擊力，且它相對(duì)壓叉材料更軟，當(dāng)壓叉撞擊閥片時(shí)不易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖3 專用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥

3.1.2 液壓執(zhí)行器組件

圖4為HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)配備的液壓執(zhí)行器組件，設(shè)置進(jìn)油口，出油口，漏氣口，漏油口以及充氮口。漏油口的主要功能是將系統(tǒng)泄漏的少量液壓油統(tǒng)一回收，一般情況下一個(gè)月開(kāi)一次現(xiàn)場(chǎng)排放閥；漏氣口是防止工藝氣泄漏到防爆接線盒中，影響系統(tǒng)安全性；充氮口的設(shè)置類似于壓縮機(jī)活塞桿的填料密封，防止高壓工況下的工藝氣躥升到防爆接線盒中。

圖4 液壓執(zhí)行器組件

3.2 液壓系統(tǒng)(液壓站)

液壓系統(tǒng)是HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)力源，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作提供動(dòng)力，通過(guò)油泵的作用把液壓油的壓力從常壓提升到所需壓力(最高為22MPa，通過(guò)出口溢流閥可對(duì)油壓進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果最終確定油壓的大小，K202A一般控制在10.5MPa，溢流閥設(shè)定好后無(wú)需再進(jìn)行調(diào)整)。它主要包括液壓泵及其驅(qū)動(dòng)機(jī)，溢流閥、換向閥、節(jié)流閥等液壓控制閥，還有蓄能器、過(guò)濾器、散熱器、油分配器等輔助元件。液壓系統(tǒng)的流程圖如下圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)流程圖

液壓站配備了壓力變送器、溫度變送器和液位變送器，具體參數(shù)如下：

(1)溫度變送器

溫度變送器用來(lái)監(jiān)測(cè)液壓站油箱液壓油的溫度，輸出信號(hào)4—20mA，接入HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)顯示油溫。油溫過(guò)高導(dǎo)致油的粘度下降，泄漏增大，油壓降低；油溫過(guò)低會(huì)使油的粘度增大，使油路流動(dòng)阻力增大，影響系統(tǒng)正常工作。液壓站啟動(dòng)時(shí)如果油溫過(guò)低，應(yīng)用電加熱器進(jìn)行加熱。

(2)壓力變送器

壓力變送器用于監(jiān)測(cè)液壓站的油壓，輸出信號(hào)4—20mA，接入HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)顯示油站出口與回油油壓。

(3)液位變送器

液位變送器用于監(jiān)測(cè)油站油箱液壓油的液位，當(dāng)液壓油低于下限液位時(shí)液壓站不允許啟動(dòng)，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要設(shè)置油位低報(bào)警。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的作用主要是根據(jù)反饋的壓力值與設(shè)定值比較，由控制器計(jì)算出氣閥延遲關(guān)閉的時(shí)間，發(fā)送出電子指令，實(shí)時(shí)控制進(jìn)氣閥的狀態(tài)。控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)，在超出安全范圍時(shí)報(bào)警或聯(lián)鎖?？刂颇K與原DCS控制系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)共享。

另外，控制系統(tǒng)進(jìn)行控制的起始點(diǎn)信號(hào)是通過(guò)止點(diǎn)信號(hào)傳感器獲得的。止點(diǎn)位置信號(hào)傳感器由感應(yīng)螺母和傳感器探頭組成，感應(yīng)螺母安裝于壓縮機(jī)飛輪上，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)隨飛輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，探頭固定于支架上，飛輪上的感應(yīng)螺母每一次經(jīng)過(guò)探頭時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)傳輸至控制模塊，作為控制邏輯上時(shí)間的零參考點(diǎn)。

（3）估計(jì)該家庭使用節(jié)水龍頭后，一年能節(jié)省多少水？（一年按365天計(jì)算，同一組中的數(shù)據(jù)以這組數(shù)據(jù)所在區(qū)間中點(diǎn)的值作代表．）

4 控制方案

HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整個(gè)控制過(guò)程可參考圖6。當(dāng)HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)未投用時(shí)，壓縮機(jī)氣量是通過(guò)旁通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后，壓縮機(jī)的氣量則由HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)控制壓縮機(jī)進(jìn)氣閥強(qiáng)行開(kāi)啟的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的排氣量。

圖6 控制系統(tǒng)與DCS的關(guān)系

4.1 控制變量

控制模塊的作用是保持控制變量的穩(wěn)定，根據(jù)需要，可以選用進(jìn)氣壓力、排氣壓力、排氣量作為主控變量，本系統(tǒng)選用一級(jí)、二級(jí)進(jìn)氣壓力作為主控變量。

4.2 HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入/切除邏輯

壓縮機(jī)運(yùn)行后，HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入和切除的邏輯如圖7所示。

圖7 HRCS系統(tǒng)投入/切除邏輯

4.3 HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)鎖機(jī)制

HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)一些影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的參數(shù)，主要有液壓站的油溫、油壓、液位與調(diào)節(jié)閥閥腔溫度。

(1)液壓站油溫：油溫超過(guò)60℃，觸發(fā)油溫高報(bào)警信號(hào)，表明液壓站冷卻系統(tǒng)或者油路回路故障，這時(shí)需要立刻進(jìn)行檢查處理，如果處理沒(méi)有效果，油溫繼續(xù)上升，超過(guò)70℃時(shí)觸發(fā)油溫高高報(bào)警信號(hào)，高高報(bào)警后HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)鎖，切除HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進(jìn)行液壓站與油路檢修，壓縮機(jī)在原DCS控制下繼續(xù)運(yùn)行。

(2)液壓站油壓：供油油壓低于設(shè)定的報(bào)警值(現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)確定報(bào)警值9.5MPa)，觸發(fā)油壓低報(bào)警信號(hào)，表明液壓站故障或油路泄漏嚴(yán)重，油壓低執(zhí)行機(jī)構(gòu)將無(wú)法正常動(dòng)作。低于設(shè)定的聯(lián)鎖值9.0MPa時(shí)觸發(fā)低低報(bào)警，低低報(bào)警后液壓站聯(lián)鎖停止運(yùn)行，HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)切除，壓縮機(jī)在原DCS控制下繼續(xù)運(yùn)行。

(3)液壓站液位：液壓站液位低于70%，觸發(fā)液位低報(bào)警，需要立即給液壓站加油。

(4)各級(jí)液壓執(zhí)行器溫度：同一級(jí)某個(gè)調(diào)節(jié)閥液壓執(zhí)行器溫度高于60℃時(shí)，觸發(fā)溫度高報(bào)警，表明此調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器或者氣閥故障，需要手動(dòng)切除HRCS氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)，如果溫度仍然過(guò)高，表明氣閥故障，需停機(jī)檢修。

5 改造效果

5.1 節(jié)能效果

本系統(tǒng)投用后，在連續(xù)重整裝置進(jìn)料量 85 t/h 的工況下，壓縮機(jī)負(fù)荷為 76%，節(jié)能效果明顯。表1為K202A氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比。

表1 K202A在不同負(fù)荷下的電流

按負(fù)荷76%、電流115 A 計(jì)算，每小時(shí)節(jié)電249.4kWh；按每度電 0.67元計(jì)算，每小時(shí)可節(jié)約電費(fèi) 160.1元；按每年運(yùn)行8000h計(jì)算每年節(jié)約電費(fèi)約133.7萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

5.2 系統(tǒng)效果

(1)將原來(lái)控制五檔調(diào)節(jié)與旁通回流閥結(jié)合改造為控制進(jìn)氣閥，通過(guò)控制進(jìn)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(jìn)氣總管，壓縮循環(huán)中只壓縮了需要壓縮的氣量，減少了重復(fù)做功，從而達(dá)到了節(jié)能的目的，同時(shí)延長(zhǎng)了排氣閥壽命，從而降低了維修成本。

(2)K202A安裝無(wú)級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)可操作性增強(qiáng)。操作工可根據(jù)主控變量的要求實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)0%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，同時(shí)減少了因生產(chǎn)需要突然增加負(fù)荷對(duì)機(jī)組造成的沖擊傷害，達(dá)到平穩(wěn)過(guò)渡。在系統(tǒng)出故障時(shí)可自動(dòng)停止工作，而壓縮機(jī)將以 100%負(fù)荷運(yùn)行，并借助原旁路調(diào)節(jié)方式進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)。另外，開(kāi)停機(jī)也更加簡(jiǎn)便，提高了壓縮機(jī)的可靠性和安全性。

[1] 徐承恩.催化重整工藝與工程[D].北京:中國(guó)石化出版社,2009.

[2] 沈陽(yáng)氣體壓縮機(jī)研究所,等. 壓縮機(jī)[D].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

The Application of Stepless Regulation of Gas-flow System Made in China on K202A Hydrogen Compressor of Continuous Catalytic Reforming Unit

KuangChenghu,ZhaoQuansheng,FuChaowei,ZhouBaojiang(LuoyangPetrochemicalCompany,Ltd．,SINOPEC,Luoyang471000,Henan,China)

This paper introduced the situation of the before and after reform on hydrogen compressor of 700 thousand tons/year of continuous catalytic reforming unit (CCR) in SINOPEC Luoyang Company. Owing to the large quantity of energy consumption with original operation mode, there is a visible result with the application of Huanrui HRCS stepless regulation of tolerance system made in China. The work theory and control method of HRCS stepless regulation of tolerance system are introduced in the paper. It changed traditional method of gas-flow regulation of compressor, and control the pressure and flow of compressor quickly and accurately with intelligent conformation of hydraulic pressure. It can continuously adjust gas-flow in the scale of 0%～100%, and also can steady start, switch and stop the compressor.

continuous catalytic reforming unit (CCR); hydrogen compressor of CCR; the stepless regulation of gas-flow; energy conservation