李國(guó)紅，賈正首，薛忠峰，邱麗靜

(中石化南陽(yáng)能源化工有限公司，河南 南陽(yáng) 473231)

余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)在往復(fù)式壓縮機(jī)中的應(yīng)用

李國(guó)紅，賈正首，薛忠峰，邱麗靜

(中石化南陽(yáng)能源化工有限公司，河南 南陽(yáng) 473231)

針對(duì)汽油加氫裝置工藝操作條件變化導(dǎo)致新氫壓縮機(jī)及循環(huán)氫壓縮機(jī)的實(shí)際工況與原設(shè)計(jì)工況發(fā)生較大偏離的問(wèn)題，選擇應(yīng)用余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行改造，改造后，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)能效果明顯。

往復(fù)壓縮機(jī) ; 余隙容積 ; 無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) ; 節(jié)能

0 引言

往復(fù)壓縮機(jī)在石油化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它屬于容積式壓縮機(jī)，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間以提高靜壓力的設(shè)備[1]。往復(fù)式壓縮機(jī)在高參數(shù)、低相對(duì)分子質(zhì)量氣體等輸送場(chǎng)合，尤其在煉油企業(yè)的應(yīng)用是其他類(lèi)型壓縮機(jī)所不能替代的[2]。

實(shí)際生產(chǎn)中，隨著煉油裝置生產(chǎn)指標(biāo)的調(diào)整，入口條件的改變(如介質(zhì)組分、入口壓力、溫度等)、工藝流程或耗氣設(shè)備的需求量改變，當(dāng)耗氣量小于壓縮機(jī)的排氣量時(shí)，便需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，以使壓縮機(jī)的排氣量適應(yīng)耗氣量的要求，保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。往復(fù)壓縮機(jī)的額定設(shè)計(jì)流量與實(shí)際需求的流量往往存在著很大的差異，這就造成了能源的大量浪費(fèi)，不利于節(jié)約成本。因此，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量和排氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，有利于往復(fù)壓縮機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前往復(fù)壓縮機(jī)的節(jié)能技術(shù)主要有旁通流量調(diào)節(jié)、變頻器調(diào)節(jié)、頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)、余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)等幾種[3]。其中旁通流量調(diào)節(jié)節(jié)能效果差，變頻器調(diào)節(jié)在低排氣量工況下會(huì)對(duì)機(jī)組本體及排氣閥的性能產(chǎn)生較大的影響，頂開(kāi)吸氣閥調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)雜且運(yùn)行維護(hù)成本較高；而余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)改造成本低、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單可靠、節(jié)能效果顯著，并且能夠改善機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了利用余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造的有關(guān)情況。

1 改造前的設(shè)備概況及存在問(wèn)題

中石化南陽(yáng)能源化工有限公司Hydro-GAP汽油加氫裝置的新氫壓縮機(jī)及循環(huán)氫壓縮機(jī)為往復(fù)式，由無(wú)錫壓縮機(jī)股份有限公司制造，兩者的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

生產(chǎn)過(guò)程中，由于進(jìn)料量下降及反應(yīng)條件變化，反應(yīng)需要的氫氣量由825 Nm3/h降為500 Nm3/h。為滿足反應(yīng)所需氫量，制氫裝置隨之降低氫氣產(chǎn)量，但氫氣流量遠(yuǎn)小于新氫壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)流量，由于沒(méi)有流量調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致氫氣入口緩沖罐的壓力由1.0 MPa降至0.4 MPa，新氫壓縮機(jī)的壓縮比偏離原設(shè)計(jì)，新氫壓縮機(jī)能耗加大。因此，有必要增設(shè)流量調(diào)節(jié)，以降低壓縮機(jī)能耗及氫氣緩沖罐到壓縮機(jī)入口之間的壓力能損失。

就循環(huán)氫壓縮機(jī)而言，由于工藝變化，與原設(shè)計(jì)相比，反應(yīng)進(jìn)料量從8 750 kg/h降至5 000 kg/h，在維持氫油體積比(350∶1)不變的情況下，需要的循環(huán)氫量減少約1 823m3/h；冷氫量從原來(lái)的4 000m3/h降至1 600m3/h，需要的循環(huán)氫量減少2 400m3/h左右，兩者合計(jì)循環(huán)氫量減少4 200m3/h左右；但由于同樣缺少流量調(diào)節(jié)手段，導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)一直按原設(shè)計(jì)流量運(yùn)轉(zhuǎn)，超過(guò)裝置正常生產(chǎn)所需的氫油比，造成壓縮機(jī)能耗高于實(shí)際需求，裝置的加熱及冷卻負(fù)荷偏大，導(dǎo)致裝置生產(chǎn)成本增加。故現(xiàn)有壓縮機(jī)流量過(guò)大，必須進(jìn)行改造。

2 改造情況

由于工藝調(diào)整，循環(huán)氫壓縮機(jī)和新氫壓縮機(jī)壓縮機(jī)排氣量富裕量約40%，導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)循環(huán)量過(guò)大造成能耗浪費(fèi)，新氫壓縮機(jī)依靠降低入口壓力適應(yīng)管網(wǎng)要求，新氫壓縮機(jī)的壓縮比提高，增大了新氫壓縮機(jī)能耗。為降低循環(huán)氫壓縮機(jī)流量，恢復(fù)新氫機(jī)入口工況，以降低壓縮機(jī)運(yùn)行電耗，從而降低裝置能耗，決定對(duì)循環(huán)氫和新氫各1臺(tái)壓縮機(jī)的進(jìn)出口氣缸增設(shè)余隙自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.1 余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理

圖1 存在余隙Vc的示意圖和示功圖

圖1為壓縮機(jī)存在固定余隙Vc的示意圖和理想氣體示功圖。圖中，橫坐標(biāo)V表示氣缸容積變化，縱坐標(biāo)p表示氣缸壓力變化，p1、p2分別是進(jìn)、排氣壓力。

在圖1中，1-2-3-4表示存在余隙容積Vc時(shí)全排氣的循環(huán)圖。由于有余隙容積Vc的存在，使工作活塞在右行之初，因留存在余隙容積Vc內(nèi)的氣體壓力大于進(jìn)氣管道的壓力而不能吸入氣體，直到活塞右行到位置4時(shí)，氣缸內(nèi)氣體體積由Vc膨脹到V4、壓力由p2下降到p1時(shí)才開(kāi)始進(jìn)氣。1-2-3-4-1包圍的面積即為一個(gè)往復(fù)行程需要的功。

圖2為壓縮機(jī)在固定余隙容積由Vc增加到Vc′的示意圖和理想氣體示功圖。對(duì)比圖1、圖2可以看出，余隙由Vc增大Vc′后，進(jìn)氣量由原來(lái)的Vs-V4變?yōu)閂s-V4′，排氣量和所需要的能耗均明顯減小。如果壓縮機(jī)的余隙連續(xù)可調(diào)，則壓縮機(jī)的排氣量和能耗也連續(xù)可調(diào)。

圖2 存在余隙Vc′示意圖和示功圖

自動(dòng)余隙調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是在固定余隙腔調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，將固定余隙腔改變成余隙容積連續(xù)可調(diào)的調(diào)節(jié)方法，取消控制輔助余隙腔與氣缸之間的聯(lián)接的氣動(dòng)閥，余隙腔與外側(cè)氣缸直接相通并與智能控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣量自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制，對(duì)雙作用氣缸來(lái)說(shuō)，采用比較普通的電液控制設(shè)施就可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量55%～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)?？烧{(diào)余隙調(diào)節(jié)裝置由PLC或DCS控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣量自動(dòng)實(shí)時(shí)的控制。

2.2 余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由一、二級(jí)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)余隙缸、液壓油控制系統(tǒng)、儀表與電氣控制系統(tǒng)組成，如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)主控變量或通過(guò)手動(dòng)給定參數(shù)，通過(guò)可編程控制器(PLC)、電磁換向閥、位移傳感器、伺服油缸組成的電液位置控制系統(tǒng)，使余隙活塞按輸入信號(hào)作直線位移，從而實(shí)現(xiàn)各氣缸余隙容積變化的伺服控制，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量和級(jí)間壓縮比的控制。

圖3 系統(tǒng)基本組成圖

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)專利技術(shù)(專利號(hào)ZL2010 2 0630620.0)設(shè)計(jì)的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由余隙氣缸、余隙活塞、油缸、油活塞及位置傳感器等組成。

2.2.2 液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由電動(dòng)油泵、電磁閥、壓力變送器、液位開(kāi)關(guān)、過(guò)濾器、油箱等部件組成，而控制系統(tǒng)由PLC和顯示器等組成，提供系統(tǒng)內(nèi)部和用戶系統(tǒng)之間的信號(hào)交換、處理功能。

2.2.3 泄漏檢測(cè)及保護(hù)系統(tǒng)

為了確保系統(tǒng)的可靠，系統(tǒng)設(shè)置有泄漏檢測(cè)及保護(hù)系統(tǒng)，確保氣體不會(huì)泄漏到液壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的液體不會(huì)進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸。

2.3 改造內(nèi)容

2.3.1 在原缸蓋處安裝余隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為達(dá)到通過(guò)余隙無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和級(jí)間壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，兩臺(tái)壓縮機(jī)的所有原缸蓋部分拆除，加裝余隙調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝電液控制柜

兩臺(tái)壓縮機(jī)共用一套控制系統(tǒng)，電液控制柜已經(jīng)集成控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

2.3.3 控制回路及工藝管線

新增流量控制回路共2路，報(bào)警回路共3路；新增液壓油泵至壓縮機(jī)進(jìn)出口氣缸的液壓油管線及漏液線；新增余隙氣排氣管線及現(xiàn)場(chǎng)排空。

3 改造后的效果

改造后，汽油加氫裝置的兩臺(tái)壓縮機(jī)可根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，取得了下述效果。

循環(huán)氫壓縮機(jī)能根據(jù)確認(rèn)的主控變量對(duì)壓縮機(jī)的排氣量進(jìn)行控制，在原有氣量55%～80%的范圍內(nèi)自動(dòng)和手動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)氣量為60%時(shí)，循環(huán)氫壓縮機(jī)電流由原來(lái)的31 A下降到26 A，節(jié)能約16%。

新氫壓縮機(jī)能根據(jù)確認(rèn)的主控變量對(duì)壓縮機(jī)的排氣量和級(jí)間壓力進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)原有氣量55%～100%的自動(dòng)和手動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，當(dāng)氣量為60%時(shí)，新氫壓縮機(jī)油電流由原來(lái)113 A下降到96 A，節(jié)能約15%。

壓縮機(jī)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)排氣量與指示功成正比，有效降低能耗，兩臺(tái)機(jī)組全年約節(jié)約電耗約60×104kW·h。

新氫壓縮機(jī)壓縮比降低后，壓縮機(jī)夏天的排氣溫度由原來(lái)的115 ℃降至95 ℃左右，提高了機(jī)組的運(yùn)行性能，降低了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

余隙容積無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投資和維護(hù)費(fèi)用較低、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能效果顯著，能夠有效地改善機(jī)組的運(yùn)行性能，有較好的推廣應(yīng)用前景。

2017-01-21

李國(guó)紅(1965-)，男，高級(jí)工程師，從事煉油工藝技術(shù)管理工作，電話：13837736885。

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