文_盧江波 馮坤 北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司

活塞壓縮機(jī)是依靠活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)氣體增壓和輸送氣體的壓縮機(jī)，是煤化工、石化企業(yè)核心的設(shè)備，這種壓縮機(jī)具備壓力高、而且穩(wěn)定，在加氫裝置中應(yīng)用十分廣泛。在生產(chǎn)條件正常情況下，活塞壓縮機(jī)出口流量是基本不變的，但是由于生產(chǎn)需要，生產(chǎn)單位的工藝需求經(jīng)常變動，生產(chǎn)單位的用氣量就會有變化，因此壓縮機(jī)在使用過程中往往要滿足不同工況的流量要求。當(dāng)生產(chǎn)單位的工藝下游需要的氣量小于壓縮機(jī)實(shí)際排出的氣量時，必需對壓縮機(jī)的排氣量開展調(diào)節(jié)，使壓縮機(jī)的實(shí)際排氣量適應(yīng)需氣量的要求，滿足生產(chǎn)單位工藝需求。所以采用何種方式進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，就成為一個需要認(rèn)真考慮的問題。

1 活塞壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法

1.1 變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方式是將活塞壓縮機(jī)的驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變，進(jìn)而使得單位時間內(nèi)活塞壓縮機(jī)的壓縮的次數(shù)發(fā)生變化，最終達(dá)到氣量調(diào)節(jié)的目的。但是，這種調(diào)節(jié)方式需要配套變頻器，對于驅(qū)動電機(jī)，變頻器的價格昂貴，對壓縮機(jī)零部件的耗損也比較大，影響活塞壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，所以這種調(diào)節(jié)方法應(yīng)用很少。

1.2 余隙調(diào)節(jié)

余隙調(diào)節(jié)方法是在原壓縮機(jī)固定余隙容積的基礎(chǔ)上，又增加了一定容積的空腔，進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)時連通氣缸內(nèi)的工作腔，使的壓縮機(jī)的余隙容積增大，壓縮機(jī)容積系數(shù)減小，實(shí)現(xiàn)氣量的調(diào)節(jié)。但是，這種調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)的時間比較長，需要很多人工去配合完成相關(guān)工作，一旦有故障發(fā)生，需要壓縮機(jī)立即停機(jī)進(jìn)行維修，會影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，所以這種調(diào)節(jié)方法應(yīng)用也并不廣泛。

1.3 旁路調(diào)節(jié)

旁路調(diào)節(jié)方法是通過將活塞壓縮機(jī)的排氣管路由旁路和旁路閥與壓縮機(jī)的進(jìn)氣管路相連通，進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)的時，只需要將旁路閥打開，工藝下游不需要的氣量就通過旁路閥回流到進(jìn)氣管路中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)精度高，也是目前應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。但是因?yàn)槎嘤嗷亓鳉怏w均是壓縮做功后的氣體，所以此調(diào)節(jié)方式的經(jīng)濟(jì)性差，造成能源的巨大浪費(fèi)。

1.4 頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

根據(jù)進(jìn)氣閥被頂開過程時間持續(xù)長短，可分為全行程頂開進(jìn)氣閥和部分行程頂開進(jìn)氣閥兩種方式。

全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)：在壓縮機(jī)吸氣過程中，氣體被吸入氣缸，在壓縮機(jī)壓縮過程中，因?yàn)檫M(jìn)氣閥被全部頂開，吸入的氣體又被全部回流至氣缸。此種調(diào)節(jié)方法僅適用于壓縮機(jī)起機(jī)、停機(jī)時使用。

部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)：通過在壓縮機(jī)壓縮過程中控制進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉的時間，實(shí)現(xiàn)氣量在頂開的進(jìn)氣閥側(cè)回流至氣缸，實(shí)現(xiàn)工藝下游需要多少氣量，壓縮機(jī)就排出多少氣量，并且返回的氣量是由頂開的進(jìn)氣閥側(cè)回流到進(jìn)氣管路中，未經(jīng)過壓縮做功，減少了壓縮機(jī)的做功過程，可以根據(jù)實(shí)際需求氣量而壓縮多少氣量。此種調(diào)節(jié)方法可以實(shí)現(xiàn)最大程度地節(jié)約電量，經(jīng)濟(jì)回報高。

本文所述氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是采用了部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)方式。

2 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理及組成

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)相結(jié)合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要應(yīng)用在活塞式壓縮機(jī)，通過僅壓縮工藝下游所需要的氣量，最大限度地節(jié)省能源，通過智能化的液壓控制機(jī)構(gòu)，精確、快速地控制活塞式壓縮機(jī)的排氣量，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)負(fù)荷的0%～100%的連續(xù)調(diào)節(jié)。

2.1 工作原理

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理為“回流省功”，如下圖1所示?；钊麎嚎s機(jī)正常工作過程如以下：

圖1 “回流省功”工作原理

膨脹過程，如圖A～B曲線，這個工作過程中壓縮機(jī)的氣閥均處于關(guān)閉狀態(tài)。

進(jìn)氣過程，如圖B～C曲線，壓縮機(jī)氣缸產(chǎn)生內(nèi)外差，進(jìn)氣閥在壓力差作用下開啟，氣體通過進(jìn)氣管線進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸，到C點(diǎn)后，壓縮機(jī)完成吸氣過程，進(jìn)氣閥關(guān)閉。

壓縮過程，如圖C～D曲線，此時氣缸內(nèi)的氣體通過壓縮機(jī)的活塞力的作用下達(dá)到排氣壓力。

排氣過程，如圖D～A曲線，此時壓縮機(jī)氣缸內(nèi)排氣閥在排氣壓力作用下打開，氣缸內(nèi)的氣體通過排氣閥進(jìn)入下一級。

當(dāng)投入氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，因?yàn)檫M(jìn)氣閥在壓縮過程中由于氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用力下而被強(qiáng)制頂開，所以壓縮機(jī)的工作過程由位置C先到達(dá)位置E（回流過程），此時吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的進(jìn)氣閥側(cè)回流到進(jìn)氣管路，而不被壓縮，壓縮機(jī)做功要比滿負(fù)荷時減少很多，當(dāng)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)動到位置E時，消除氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)頂開進(jìn)氣閥的作用力，進(jìn)氣閥會在彈簧力的作用下復(fù)位，壓縮機(jī)氣缸內(nèi)余下的氣體就會被壓縮，氣缸內(nèi)的活塞由位置E到達(dá)位置F，氣體達(dá)到排氣壓力后，通過打開的排氣閥，進(jìn)入工藝下游。因此氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，還能夠最大程度地節(jié)約能源。

2.2 系統(tǒng)組成

氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由控制單元、液壓系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和上死點(diǎn)傳感器等組成，如圖2所示。

圖2 氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成

2.2.1 控制單元

活塞式壓縮機(jī)一般在工廠中都是裝置的核心，工藝操作都是采用的是DCS控制系統(tǒng)。壓縮機(jī)的壓力（或流量）是工藝生產(chǎn)的主要參數(shù)，所以氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元的功能如下：

中控室DCS系統(tǒng)輸出的壓縮機(jī)負(fù)荷信號（4～20mA），通過氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制單元，換算成作用于每一級進(jìn)氣閥的頂開、復(fù)位的時間信號。

通過上死點(diǎn)接近開關(guān)傳感器實(shí)時采集壓縮機(jī)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)動位置，依據(jù)采集到的上死點(diǎn)信號傳輸至控制單元，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控氣缸內(nèi)活塞位置信息和實(shí)時計算壓縮機(jī)的工作周期。

可實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的油液溫度、油液壓力和油液的液位等相關(guān)參數(shù)的采集。

可以提供Modbus RS-485接口或PN接口，完全兼容到企業(yè)的DCS等上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)高度自動化控制。

可以實(shí)現(xiàn)氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的正常切除以及故障聯(lián)鎖切除，切除后使得壓縮機(jī)恢復(fù)到滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，由原控制方案進(jìn)行控制，壓縮機(jī)可進(jìn)行正常的生產(chǎn)工作，不影響企業(yè)生產(chǎn)。

2.2.2 液壓系統(tǒng)

氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)由液壓油站、管線和隔膜蓄能器等構(gòu)成，液壓油站的齒輪泵將油箱內(nèi)的油循環(huán)升壓到工作壓力（工作壓力取決于壓縮機(jī)最后一級的進(jìn)氣壓力），并且由此向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動力。液壓油站的供油管路中安裝有蓄能器，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力有波動時，蓄能器可以及時釋放液壓油穩(wěn)定油壓，此外，將液壓油站的油壓、油溫設(shè)置在DCS界面上實(shí)時顯示，并為了保證氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全，會設(shè)置液壓油站油壓、油溫和液位的聯(lián)鎖保護(hù)。

2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心，它主要有電磁閥、密封系統(tǒng)和液壓缸等組成。電磁閥接收來自控制單元的信號，控制電磁閥適時的打開或關(guān)閉，根據(jù)電磁閥的不同位置，液壓缸內(nèi)活塞承受從液壓系統(tǒng)中傳遞的液壓油壓力。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的液壓桿會通過高壓液壓力的作用下驅(qū)動卸荷器，進(jìn)而頂開進(jìn)氣閥，從而把壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的一部分氣體在未經(jīng)壓縮就從壓縮機(jī)氣缸的進(jìn)氣閥側(cè)返回到壓縮機(jī)的進(jìn)氣管路中。密封系統(tǒng)是用來防止液壓油和氣體的泄露。圖3為執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能簡圖。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能簡圖

2.2.4 上死點(diǎn)接近開關(guān)傳感器

上死點(diǎn)接近開關(guān)傳感器可以實(shí)時采集氣缸內(nèi)活塞的位置。上死點(diǎn)接近開關(guān)傳感器和控制單元之間通過脈沖信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。由于無法在氣缸上對活塞進(jìn)行定位，所以需要在壓縮機(jī)飛輪或曲軸垂直于傳感器的方向上增加一個金屬感應(yīng)塊兒，上死點(diǎn)接近開關(guān)接收金屬物的位置信號作為控制輸出的初始時刻。上死點(diǎn)傳感器信號傳入控制單元進(jìn)行處理后與從DCS/PLC來的各級控制器的信號進(jìn)行計算，然后輸出值執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)高頻響電磁閥以延遲進(jìn)氣閥關(guān)閉的時間。

3 應(yīng)用

在某石化企業(yè)聚丙烯裝置中，有兩臺型號為4K-165MG-42/0.75-22活塞式壓縮機(jī)組，本機(jī)組為四列兩級立式，氣缸為無油潤滑，水冷式雙作用，工藝氣為丙烯氣，壓縮機(jī)主要參數(shù)如表1所示。壓縮機(jī)用驅(qū)動電機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表1 壓縮機(jī)主要參數(shù)

表2 壓縮機(jī)用主電機(jī)主要參數(shù)

投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)前，壓縮機(jī)主電機(jī)實(shí)測電流值為33A，主電機(jī)實(shí)際功率為457kW，若以壓縮機(jī)主電機(jī)每年運(yùn)行時間按8000h計算，可以得出年耗電量為365.6萬kWh，平均電費(fèi)按0.69元/kWh工業(yè)電費(fèi)單價核算，每年壓縮機(jī)產(chǎn)生的電費(fèi)為252萬元左右。

投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)起機(jī)過程平穩(wěn)，逐步升負(fù)荷至100%，對壓縮機(jī)沖擊小，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

通過在壓縮機(jī)主電機(jī)配電柜中安裝的電能表和累時器來實(shí)際測算投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的節(jié)能效果，當(dāng)壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行790h左右，根據(jù)在壓縮機(jī)主電機(jī)配電柜中安裝的電能表讀數(shù)的變化和壓縮機(jī)主電機(jī)運(yùn)行時間的變化，測算出了在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時間內(nèi)壓縮機(jī)功率降至396kW左右，節(jié)省的功率為61kW，從而得出了在調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行790h這段時間內(nèi)，壓縮機(jī)節(jié)約電費(fèi)約4.7萬元（電費(fèi)單價均價為0.69元/kWh），年節(jié)電費(fèi)約47萬元，而該項(xiàng)目投資在80萬元左右，兩年左右即可收回成本，投資回報率較高。

4 結(jié)語

在聚丙烯裝置中的活塞式壓縮機(jī)上節(jié)能改造投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是成功的，投用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅解決了多余工藝氣返回造成的電機(jī)電能浪費(fèi)，提高了迷宮壓縮機(jī)組穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能耗費(fèi)的目的，同時還優(yōu)化了工藝系統(tǒng)中壓力控制方案，使得工藝系統(tǒng)壓力控制相對平穩(wěn)，對企業(yè)的高壓設(shè)備的安全長期運(yùn)行起到了積極作用。