ISC無級氣量調節系統在往復式壓縮機上的應用

陳靜

(南京金凌石化工程設計有限公司，南京 210042)

往復式壓縮機是容積式壓縮機的一種，它依靠氣缸內活塞的往復運動來壓縮缸內氣體，在氣閥的配合作用下，實現氣體的吸入、壓縮和排出，從而提高氣體壓力，滿足工藝生產要求。往復式壓縮機由于具有適用壓力范圍廣、效率高、適用性強的特點，目前已在石油化工等領域得到廣泛的應用。一般情況下總是根據裝置或系統所需的最大容積流量來選擇壓縮機，但由于石油化工生產裝置工況不斷變化，往復式壓縮機的實際工況必須隨工藝工況的需要進行調整，當耗氣量小于壓縮機的排氣量時，需要對壓縮機進行氣量調節，以使壓縮機的排氣量適應耗氣量的要求，并同時保持管網中的壓力穩定。

1 往復式壓縮機氣量調節方法

1) 轉速調節。轉速調節是通過改變壓縮機的轉速來調節排氣量，優點： 氣量連續，比功率消耗小，壓縮機各級壓力比保持不變，壓縮機上不需設專門的調節機構等。但它僅廣泛使用在驅動機為內燃機和汽輪機的壓縮機上；如果驅動機為電動機，則需要配置變頻器，但由于大功率、高壓變頻器價格昂貴，而且需要大量的維護、維修工作，因而目前在電動機驅動的往復式壓縮機上很少采用該方法。此外，轉速調節會產生氣閥顫振，部件磨損大、振動增加，潤滑不充分等現象，對往復式壓縮機的工作產生不良影響，也限制了該方法的廣泛應用。

2) 余隙腔調節。在壓縮機的氣缸上，除固定余隙容積外，另外設有一定的空腔，調節時接入氣缸工作腔，使余隙容積增大，容積系數減小，排氣量降低。主要缺點： 通常手動調節、響應速度慢，一般需與其他調節方式配合使用。

3) 旁通調節。壓縮機排氣管經由旁通管路和旁通調節閥與進氣管相連接，調節時只要開啟旁通閥，部分排氣便又回到進氣管路中。該調節方法比較靈活，而且簡單易行，配上自動控制系統調節精度較高，但是因為多余氣體的全部壓縮功都損耗掉，所以經濟性差。因此，該方法適用于偶爾調節、調節幅度小或配合其他調節的場合。

4) 壓開進氣閥調節。根據進氣閥被壓過程的長短，可分為全行程壓開進氣閥和部分行程壓開進氣閥兩種方式。

a) 對于全行程壓開進氣閥調節，在吸氣過程中，氣體被吸入氣缸，在壓縮過程中，因為進氣閥全開，吸入的氣體又被全部推出氣缸。全行程壓開進氣閥可以通過調節氣閥開關的數量調節負荷，其調節幅度較大，適用于粗調節。

b) 部分行程壓開進氣閥調節的原理與全行程壓開進氣閥相似，但它通過控制壓縮過程中進氣閥的關閉時刻，控制壓縮過程中返回氣量的多少，從而實現氣量的連續調節。該方式由于壓縮功幾乎與排氣量成正比地減少，因而具有很高的運行經濟性，但在調節過程中需要精確計算氣閥開啟/關閉的時間，對控制系統和氣閥動作精度都有極高的要求。

2 ISC系統原理

ISC系統是德萊賽蘭公司針對往復式壓縮機開發的一種加載、卸載控制系統，它允許往復式壓縮機在20%～100%(取決于機組運行條件)負荷內無級控制。ISC無級氣量調節系統采用“回流省功”原理，如圖1所示。在壓縮機活塞的往復運行過程中，借助PLC采集往復壓縮機的運行狀態，經過計算后通過PLC高速脈沖輸出模塊將負荷給定信號轉換為同步信號送至電液伺服閥，精確改變液壓控制信號來控制壓縮機汽缸的每個入口氣閥卸荷器，實現對壓縮機氣量的無級調節。當壓縮機進氣過程結束時，往復式壓縮機進氣閥不再依靠差壓自動關閉，而是加載伺服閥通電，進氣閥在液壓作用下強制卸荷器保持開啟狀態，壓縮過程由原壓縮曲線C-D改為由C-Dr，此時原吸入氣缸中的部分氣體通過被頂開的氣閥回流到進氣管而不被壓縮；待活塞運動到特定的位置Cr(對應所要求的氣量)時，卸載伺服閥通電，液壓強制進氣閥關閉，氣缸內剩余的氣體開始被壓縮，壓縮過程為Cr-Dr，氣體達到額定排氣壓力后從排氣閥排出，完成一個壓縮過程。采用“回流省功”原理，壓縮機負荷的增減是依靠精確地控制液壓伺服閥動作時間實現往復壓縮機負荷的無級控制，由于壓縮機的功率和實際壓縮容量成正比，所以采用ISC無級氣量調節系統可實現簡單而高效的負荷調節。

圖1 “回流省功”工作原理示意

采用ISC無級氣量調節系統可通過對卸荷器的不同控制，實現機組的零負荷起動或滿負荷起動。當ISC系統由于某種原因不能正常工作，加載、卸載伺服閥均失電時，氣閥仍能像普通氣閥一樣承擔正常的進氣任務，從而保證機組設備和生產裝置的安全運行。

3 ISC系統的組成

ISC無級氣量控制系統由PLC控制器、液動控制組件和卸荷器三部分組成。

3．1 PLC控制器

PLC控制器是ISC系統的核心組成部分，包括高速PLC控制器和人機界面HMI。主要功能包括：

1) 采集往復機飛輪轉動時上死點信號計算曲軸角度，依據負荷設定值控制電液伺服閥，從而精確控制壓縮機入口氣閥的開關時間。

2) 液壓油站溫度、油壓和液位等相關參數的采集，監控以及油泵的就地、遠程控制。

3) 壓縮機組開停機的自動控制。

4) ISC系統控制器的故障檢測和聯鎖保護。

5) 提供HMI和Modbus, RS-485接口，實現ISC系統的就地控制和與DCS等上位設備的遠程控制。

ISC系統自身擁有獨立的PLC控制器，可以獨立完成整個氣量控制過程。氣量調節過程、機泵開停邏輯以及聯鎖保護均封裝在PLC里，由廠商自行調試完畢后出廠，避免了用戶對DCS進行復雜的組態過程，減少了現場組態調試的內容，降低了出錯風險。而用戶所需要的參數及操作過程是通過DCS與PLC的通信完成的，實現起來簡單快捷，無需復雜的邏輯組態工作。

3．2 液壓控制組件

液壓控制組件包括液壓油站、伺服閥、液壓油集合管等附件。壓縮機每個缸體設置1個24 V(DC)MOOG761伺服閥，由液壓油站提供驅動液壓氣閥的高壓液壓動力，按ISC控制器負荷控制要求，驅動每個缸體上氣閥開關，實現負荷調節。

3．3 卸荷器

卸荷器包括液動執行器和指型卸荷閥。液動執行器接受來自伺服閥的高壓液壓油，推動指型卸荷閥上下移動，從而確保氣閥的開啟/關閉時間，控制壓縮機汽缸進氣量。

4 應用實例

某石化公司2 Mt/a柴油加氫裝置新氫壓縮機組由2臺往復式壓縮機組成，該壓縮機組采用兩級壓縮、一用一備，原壓縮機負荷控制采用逐級返回加余隙缸調節的方式。由于加氫裝置原料組分變化加之裝置生產方案經常調整，導致裝置新氫機組常處于低負荷運行狀態，因而在新氫壓縮機C1002B上選用了ISC無級氣量控制系統。

原新氫壓縮機負荷控制方案為壓縮機一級入口壓力、二級入口壓力和出口壓力組成的壓力分程和超馳低選控制，通過級間返回閥控制壓縮機出口流量；采用ISC系統后，級間返回閥全關，壓力分程和超馳低選控制信號將轉而控制ISC系統，通過調節液控氣閥達到調節壓縮機出口流量的目的。

ISC系統采用高壓液壓油控制卸荷閥，所以一旦液壓系統故障或ISC控制器故障時，由于油壓低伺服閥不能驅動卸荷器根據曲軸角度正常開啟，此時卸荷閥內彈簧的作用將使往復壓縮機處于滿負荷狀態，因而為確保各種故障狀態下機組設備的安全和生產裝置波動最小，筆者在柴油裝置Honeywell TPS上采用了無擾動自動控制方案。

由于機組在0～30%負荷內投用ISC系統易造成氣缸排氣超溫，與工藝設備人員商議后將ISC系統的最低負荷設定為30%，即當機組負荷小于30%時，ISC負荷設定為30%，此時通過調節級間返回閥控制壓縮機負荷；當機組負荷大于30%時，級間返回閥全關，壓縮機負荷由ISC負荷控制，因而為確保機組開機后ISC系統手自動平穩切換和ISC系統故障后控制方案平穩切換到常規級間返回閥控制，采用圖2所示的控制方案。

1) 當無級氣量控制系統已投用而往復機尚未起動時，CL程序根據ISC系統就緒信號(ISC Ready)和機組運行狀態信號，將PY1_2081A_SW選擇開關切至PY1_2081，DCS低選信號直接控制返回閥，CL程序同時將PY1_2081控制方式改為手動且輸出0，此時氣閥處于零負荷狀態，機組負荷完全由級間返回閥控制。

2) 當無級氣量控制系統投用且往復機已起動(ISC Active)，CL程序將PY1_2081A_SW選擇開關切至PY2_2081，級間返回閥按照設定速率逐漸關閉，關閉速率可通過調節PY2_2081 Automan點的opbias參數設定，CL程序同時將PY1_2081投自動，根據壓控輸出信號逐漸起動無級氣量控制系統補償因返回閥逐漸關閉而引起的壓力變化，確保機組安全運行。

3) 當無級氣量控制系統故障時，ISC系統就緒信號置0，CL程序將PY1_2081程序置為手動輸出100%，壓縮機負荷閥處于100%。同時CL程序將PY1_2081A_SW選擇開關切至PY1_2081，DCS低選控制信號直接控制返回閥。

圖2 新氫機一段無擾動控制原理示意

5 結束語

無機氣量調節系統將電子技術和機械技術結合，不但能節能降耗，提高裝置綜合經濟效益，而且為往復式壓縮機提供了一種全新的控制方式，操作人員可根據工藝情況靈活設定機組各級負荷和壓比，滿足了工藝生產的要求。

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