無級氣量調節系統在300萬t/a柴油加氫裝置中的應用

宋亞斌 楊海軍

(中國石油蘭州石化設備維修公司，蘭州 730060)

傳統往復式壓縮機氣量控制是通過控制返回閥來實現的，當裝置下游所需氣體流量較大時，通過關小返回閥使較多的氣體進入裝置下游；當裝置下游需氣體流量較小時，通過開大返回閥使較少的氣體進入裝置下游，此類控制方案為旁通閥控制。叢蕊等通過對其振動信號進行SPWVD分布時頻處理，得到振動信號時頻分布圖，以振動信號的頻率幅值作為灰度值，將三維真彩圖像轉換為二維灰度圖像，采用灰度-梯度共生矩陣提取出圖像中的紋理特征參量，表明不同故障對應不同的特征參量，得以定量識別壓縮機的故障[1]。雷娜等通過理想信號進行了仿真對比研究，分析了二階循環譜具有抑制平穩噪聲及其頻率相關特性，并將該方法用于往復壓縮機氣閥故障的檢測[2]。

中國石油蘭州石化分公司新建300萬t/a柴油加氫裝置共有兩臺往復式氫氣壓縮機K101A和K101B，正常工況下一開一備。該公司決定首次在往復式壓縮機上使用無級氣量調節系統，為了保證裝置的平衡運行，只在K101A上配備無級氣量調節系統。在此，筆者在介紹無級氣量調節系統的構成與控制信號的基礎上，給出無級氣量調節系統在300萬t/a柴油加氫裝置往復式壓縮機調節系統中的組態與實施。

1 往復式壓縮氣量調節系統對比①

中國石油蘭州石化分公司的300萬t/a柴油加氫裝置的旁通閥控制原理如圖1所示(未配備無級氣量調節系統)。

圖1 旁通閥控制原理

往復式壓縮機的無級氣量調節系統融入了數字計算和控制技術，通過液壓驅動卸荷裝置使得進氣閥延遲關閉，使多余氣體不經壓縮而重返進氣總管，壓縮循環中只壓縮了需要壓縮的氣量。通過這種方式，每一個行程的氣體流量可以得到控制，即回流省功控制。該公司的300萬t/a柴油加氫裝置的回流省功控制原理(裝備有無級氣量調節系統)如圖2所示。

圖2 回流省功控制原理

由圖1、2可以看出，旁通閥控制方案將所有進入氣閥的氣體全部壓縮，但只利用了其中的一部分，其余氣體返回，此控制方案極大地浪費了能源，同時也縮短了壓縮機的壽命。而無級氣量調節系統在壓縮過程中，使部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管，因此該方案最大程度地節約了能耗。

2 無級氣量調節系統的構成

中國石油蘭州石化分公司的300萬t/a柴油加氫裝置采用HydroCOM無級氣量調節系統，由執行機構Actuator、中間接口單元CIU、級接口模塊SIM、總接口模塊GIM、直流48V供電電源EPS、液壓油站HU、上死點TDC傳感器及服務軟件HSS等軟、硬件組成，如圖3所示。其中執行機構Actuator執行實際的控制任務，它在部分負荷下延遲進氣閥的關閉；中間接口單元CIU給執行機構提供控制信號，并作為DCS/PLC與HydroCOM間進行信號交流的紐帶，從而實現閉環控制，執行機構與CIU之間的信號傳遞是通過RS485總線實現的；直流48V供電電源EPS負責執行機構需要的48V(DC)供電；每一個CIU都配有一個GIM總接口模塊(圖3中從右側開始的第3塊)，用于處理二進制輸入/輸出信號，GIM卡前有一個RS-232接口，通過RS-232數據線與裝有HydroCOM服務軟件HSS的PC連接，進行設置與故障診斷；液壓油站HU通過液壓管路供給執行機構所需的動力；上死點傳感器不僅同步測量壓縮機的轉速，更重要的功能是實時提供活塞在氣缸中的即時位置給CIU，執行機構正是據此來控制進氣閥的開啟和閉合時間的。這樣，對壓縮機的氣量調節更簡化為在控制室內輸入所需參數值即可；基于Windows環境下的HSS軟件對系統進行設置，同時HSS也是一個在數據顯示和HydroCOM服務方面很實用的工具。HydroCOM系統還附帶有進氣閥蓋溫度檢測功能，溫度探頭集成在安裝于閥蓋上的執行機構內。

圖3 無級氣量調節系統的結構

3 無級氣量調節系統的控制信號

壓縮機的流量控制回路由DCS或PLC實現，控制變量和參數根據工藝要求確定。選取其中的一個過程變量(如排氣壓力、吸氣壓力或流量等)作為主控變量，用戶為這個變量賦值，PI控制器被分配到壓縮機的每一級上，第一級根據過程變量控制。第一個控制器的輸出主要作用于第一級，在高壓級和選取級間的壓力作為過程控制變量。各級的負荷百分比信號轉換為4～20mA信號傳輸給CIU。控制器提供起步操作，包括起步卸荷和起步斜坡，以保證壓縮機平緩啟動。300萬t/a柴油加氫裝置的HydroCOM無級氣量調節系統控制信號如圖4所示。

4 組態設計與實施

4.1 控制方案

圖4 無級氣量調節系統控制信號示意圖

為了幫助讀者充分理解HydroCOM氣量無級調節系統的控制原理，筆者通過在CS3000 DCS中的編程組態來實現該控制。將HydroCOM的組態分為壓縮機氣量控制和HydroCOM控制邏輯兩部分(圖5)，其中氣量控制部分實現壓縮機氣量的調節和控制；HydroCOM控制邏輯實現HydroCOM的投用和切除。

圖5 無級氣量調節系統控制方案

4.2 HydroCOM控制邏輯組態

HydroCOM的控制邏輯如圖6所示，當HydroCOM允許加載、HydroCOM油站啟動和壓縮機主電機啟動條件滿足時，DCS輸出CIU投運信號至CIU，激活HydroCOM系統。在系統正常運行的前提下，當CIU出錯、油站壓力低低、油站溫度高高及液位低等聯鎖信號中的任何一個出現時，油站電機聯鎖停機，HydroCOM切除。

圖6 HydroCOM系統控制邏輯組態

4.3 壓縮機氣量控制組態

以壓縮機氣量控制的一級組態為例進行說明，二級參照一級編程。一級分程模塊實現的功能如下：

a. S1=0(即CIU未投用)時，HydroCOM不起作用，即一級HydroCOM手操器選擇自動或手動(S2=1或0)對控制系統均無影響，此時完全由一級旁通閥對壓縮機氣量進行調節，操作工可根據實際情況對一級旁通閥手操器狀態進行手動/自動設置。也就是說，S1=0時X1=0～100，對應B1=0～100(A1為任意值，S2為任意狀態)。

b. 當S1=1(即CIU投用)時，HydroCOM開始起作用，此時分兩種情況。

當S1=1時，HydroCOM的兩種情況分別為：

a. 當S2=1，即一級HydroCOM手操器為自動時(圖7)， X1=0～80，對應A1=100～20(即A1=100-X1)，B1=0(即旁通閥全關)；X1=80～100，對應A1=20，B1=0～100。

b. 當S2=0，即一級HydroCOM手操器的狀態設置為手動時(圖8)，X1=0～100，對應B1=0～100(A1為手動輸入值)。其中，一級HydroCOM手操器從手動變為自動，或自動變為手動，即S2從0→1或1→0，需要實現無擾動切換，即通過分程點的漸變實現2.1與2.2間的切換功能，如圖7、8所示，其中橫坐標均表示低選器輸出X1；圖7的縱坐標表示旁通閥開度值B1；圖8的縱坐標表示一級HydroCOM手操器負荷值A1。具體組態如圖9所示。

圖7 手動切自動時分程點從0%變為80%

圖8 自動切手動時分程點從0%變為100%

圖9 分程漸變邏輯組態

5 結束語

在中國石油蘭州石化分公司的300萬t/a柴油加氫裝置的往復式壓縮機上進行無級氣量調節系統的組態與實施后，極大地節約了能源，同時也穩定了加氫裝置的氫氣壓力和流量，為柴油裝置的長周期運行提供了保證。