葉運(yùn)超

（濮陽(yáng)永金化工有限公司，河南濮陽(yáng) 457000）

0 引言

濮陽(yáng)永金化工有限公司20 萬(wàn)噸乙二醇項(xiàng)目裝置的原料氣凈化配套項(xiàng)目采用四川天一科技股份有限公司的氣相變壓吸附工藝。使用3 臺(tái)濰坊生建生產(chǎn)的6MD-298/35 型往復(fù)式壓縮機(jī)，此壓縮機(jī)主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)尾氣加壓后送至后系統(tǒng)，采用MD型往復(fù)式，六列六缸四級(jí)壓縮，氣缸為雙作用單級(jí)單列，3 個(gè)一級(jí)缸，二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)各1 個(gè)（表1）。容積流量調(diào)節(jié)通過(guò)一回一自動(dòng)調(diào)節(jié)、四回一自動(dòng)調(diào)節(jié)，但由于機(jī)組各級(jí)做功能力不匹配，如果一回一開(kāi)度過(guò)小，將導(dǎo)致二級(jí)缸進(jìn)汽超壓，日常一回一開(kāi)度20%左右，造成極大能源和冷卻水浪費(fèi)，因此選用HRCS 壓縮機(jī)節(jié)能改造系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)負(fù)荷勢(shì)在必行。

表1 6MD-298/35 往復(fù)機(jī)參數(shù)

1 氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)概述

“回流省功”就是在壓縮行程中，使得部分氣體未經(jīng)壓縮而重新返回到進(jìn)氣總管中。氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的是“回流省功”原理，以壓縮機(jī)負(fù)荷為50%時(shí)為例，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 工作關(guān)系如圖1 所示?；钊趬嚎s機(jī)氣缸的一個(gè)正常工作循環(huán)包括：①余隙容積中殘留高壓氣體的膨脹過(guò)程（圖1 中AB 曲線），此時(shí)壓縮機(jī)的進(jìn)氣閥和排氣閥均處于正常的關(guān)閉狀態(tài)；②進(jìn)氣過(guò)程（圖1 中BC 曲線），此時(shí)進(jìn)氣閥在氣缸內(nèi)外差的作用下開(kāi)啟，進(jìn)氣管線中的氣體通過(guò)進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，至C 點(diǎn)完成相當(dāng)于氣缸100%容積的進(jìn)氣量，進(jìn)氣閥關(guān)閉；③CD 為壓縮曲線，氣缸內(nèi)氣體在活塞的作用下壓縮達(dá)到排氣壓力；④D→A 為排氣過(guò)程，排氣閥打開(kāi)，被壓縮的氣體經(jīng)過(guò)排氣閥進(jìn)入下一級(jí)過(guò)程。

圖1 回流省功

如果在進(jìn)氣過(guò)程達(dá)到C 點(diǎn)后，進(jìn)氣閥在執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用下仍被強(qiáng)制的保持開(kāi)啟狀態(tài)，那么壓縮過(guò)程并不能沿原壓縮曲線由位置C 到位置D，而是由位置C 先到達(dá)位置（Cr，50）。此時(shí)原吸入氣缸中的部分氣體通過(guò)被頂開(kāi)的進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣管而不被壓縮，待活塞運(yùn)動(dòng)到特定的位置（Cr，50）時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)使頂開(kāi)進(jìn)氣閥的強(qiáng)制外力消失，進(jìn)氣閥片回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開(kāi)始被壓縮，壓縮過(guò)程開(kāi)始沿著位置（Cr，50）到達(dá)位置（Dr，50）。氣體達(dá)到額定排氣壓力后從排氣閥排出。

由于往復(fù)式壓縮機(jī)的指示功消耗與實(shí)際容積流量成正比，因此HTEC 往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠最大限度地節(jié)省能耗。其與旁通閥氣量調(diào)節(jié)相比，系統(tǒng)的特點(diǎn)如表2 所示。

表2 HTEC 往復(fù)式氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)

2 節(jié)能效益分析

2.1 技術(shù)方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝流程需求，綜合考慮節(jié)能等因素，改造方案為：投用1 套氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；壓縮機(jī)一級(jí)氣缸（1A、1B、1C）進(jìn)氣閥全部安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括進(jìn)氣閥（帶卸荷叉）、液壓執(zhí)行器等。

2.2 節(jié)能效益分析

往復(fù)壓縮機(jī)安裝HTEC 后，電機(jī)的能耗隨著壓縮機(jī)實(shí)際排氣量的降低成比例的降低。

2.2.1 改造前主電機(jī)功率確認(rèn)

壓縮機(jī)用主電機(jī)電壓U 為6 kV，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電流為255 A，功率因數(shù)（cosφ）為0.9，則改造前壓縮機(jī)主電機(jī)功率為：（1.732×UI測(cè)×cosφ）/1000≈2384.96 kW。

以壓縮機(jī)主電機(jī)按每年運(yùn)行時(shí)間8000 h 計(jì)算，投入氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)前，年耗電量為：2384.96×8000=19 079 680 kW·h≈1907.97×104kW·h。

按平均0.68 元/（kW·h）計(jì)算，則壓縮機(jī)主電機(jī)每年產(chǎn)生電費(fèi)M=1907.97×0.68≈1297.42 萬(wàn)元。

2.2.2 改造后主電機(jī)功率確認(rèn)

現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)有一回一和四回一兩臺(tái)旁通閥，其中一回一旁通閥投用、開(kāi)度約19%。當(dāng)投入HTEC 往復(fù)式壓縮機(jī)氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)一回一旁通閥回流流量Q回與現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)排氣量Q排的比值，確定壓縮機(jī)有效負(fù)荷L=［1-（Q回/Q排）］×100%。現(xiàn)場(chǎng)旁通閥使用工況見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)一回一旁通閥使用工況

旁通閥供應(yīng)廠家的技術(shù)人員根據(jù)閥門(mén)選型參數(shù)，參考現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)使用工況對(duì)旁通閥流量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為4500 Nm3/h。

現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)排氣量Q排1為14 300 Nm3/h，則可計(jì)算得到壓縮機(jī)有效負(fù)荷L1=［1-（4500/14 300）］×100%=68.5%。壓縮機(jī)一級(jí)氣缸指示功功率Nil：

式中 mI——膨脹過(guò)程多變指數(shù)，取1.2

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，5.5 r/s

P1I——一級(jí)缸實(shí)際吸氣壓力（絕壓），115.09×103Pa

P2I——一級(jí)缸實(shí)際排氣壓力（絕壓），2.6×105Pa

λ——排氣系數(shù)，λ=λPλTλIλV，λP、λT、λI、λV分別為壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù)和容積系數(shù)，其中λP、λT、λI均取0.97

以L1作為現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)一整年的平均負(fù)荷，可以計(jì)算出投入氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，壓縮機(jī)主電機(jī)節(jié)省的功率為：Nil×（1-L1）=547.1×0.315=172.35 kW。

按每年運(yùn)行8000 h、0.68 元/（kW·h）計(jì)算，則可得到投入調(diào)節(jié)系統(tǒng)后節(jié)約的電費(fèi)93.76 萬(wàn)元。

2.3 節(jié)能效果

實(shí)際有效負(fù)荷率以68.5%（可能更低）計(jì)，在一臺(tái)壓縮機(jī)上投用一套氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的改造節(jié)能效果見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)一回一旁通閥（19%開(kāi)度）節(jié)能效果

3 實(shí)施效果

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）二三級(jí)無(wú)回流閥，四回一回流閥開(kāi)度很小，一回一回流閥調(diào)節(jié)約20%左右，因此僅在一級(jí)氣缸蓋側(cè)安裝9 套HRCS 執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)排氣量50%～100%的氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

（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）能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機(jī)的零負(fù)荷起機(jī)、逐步加載/卸載、切機(jī)及停機(jī)等功能。

（4）當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)出故障信號(hào)至DCS，DCS 則依據(jù)故障信號(hào)切除環(huán)瑞HRCS 系統(tǒng)，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）根據(jù)各方確認(rèn)的主控變量（如進(jìn)氣、排氣壓力等）對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤并穩(wěn)定此值，且可調(diào)整級(jí)間壓縮比。

3.2 控制方案

HRCS 壓縮機(jī)節(jié)能改造系統(tǒng)的整個(gè)控制過(guò)程見(jiàn)圖2：HRCS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)，系統(tǒng)投用后，壓縮機(jī)的氣量則由HRCS 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。HRCS 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，其與DCS 之間控制信號(hào)采用硬線連接的方式。

圖2 控制系統(tǒng)與DCS 的關(guān)系

3.3 控制時(shí)序

以一個(gè)氣缸為例，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，蓋側(cè)與軸側(cè)進(jìn)氣閥的動(dòng)作在時(shí)序上相差半個(gè)周期（對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角π），所以在調(diào)節(jié)控制過(guò)程中，同一個(gè)氣缸的蓋側(cè)進(jìn)氣閥保持同時(shí)動(dòng)作，同一個(gè)氣缸的軸側(cè)進(jìn)氣閥保持同時(shí)動(dòng)作，蓋側(cè)與軸側(cè)之間動(dòng)作時(shí)序上相差半個(gè)周期（對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角π）（圖3）。實(shí)際壓縮機(jī)每一列氣缸在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)以曲柄夾角計(jì)算出動(dòng)作時(shí)序差值。

圖3 控制時(shí)序圖

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)極調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)投用，順利實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)一級(jí)負(fù)荷50%～100%范圍內(nèi)的自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后會(huì)自動(dòng)切除，切除后，壓縮機(jī)在原控制系統(tǒng)下運(yùn)行，完全不影響壓縮機(jī)和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

系統(tǒng)投運(yùn)后，壓縮機(jī)的耗電量隨氣量的減小呈線性降低，節(jié)能效果非常顯著，1～2 年可以收回投入成本。