無極進氣量系統在干柜壓縮機上的應用

屈瑞辰，楊海濤

（烏魯木齊石化公司煉油廠，烏魯木齊 830019）

0 引言

往復式壓縮機被廣泛地應用于石油煉化行業，發揮著越來越重要的作用。烏石化煉油廠對低壓瓦斯增壓采用了類似的往復式壓縮機，低壓瓦斯通過增壓供全廠使用。由于干柜的3臺壓縮機的排氣量都是在設計中已經確定的（只能實現0%，50%，100%3個檔位），無法滿足隨時變化的工況，但是裝置對氣量的需求是隨時間變化的，這就要求對其中1臺壓縮機進行技術改造，使排氣量能在較大的范圍內實現無極連續調節。目前，煉油廠現有的氣量調節方法（如頂開氣閥等）都不能滿足連續、節能和小擾動的要求。另外，在國外應用較為普遍的補充余見習容積調節對小壓比情況下的應用有所限制，本廠應用的賀爾碧格公司的無極氣量調節系統造價又相對較高，而部分行程頂開氣閥的氣量調節能夠滿足工藝流程對氣量調節的各方面要求，較好地解決了往復式壓縮機氣量無極調節的難題，并且較為經濟實用。

1 無極進氣系統在K202上的應用

干柜K202壓縮機為DW-76/15-X型干式氣柜壓縮機為一列二級活塞式壓縮機，壓縮機的所有進氣閥均采用上無級調節閥，通過無級氣量調節系統和DCS組態軟件控制，將壓縮機的排氣量控制在工藝要求的范圍內。

1.1 壓縮機參數

壓縮機轉速327r/min，驅動電機功率580KW，一級進口壓力0.00035MPa（表壓），二級出口壓力1.5MPa（表壓），氣體介質：瓦斯氣。

1.2 調節裝置及其安裝

壓縮機一、二級氣缸蓋側和軸側均改裝成氣量無級調節氣閥，共12只，使用吳忠調節閥和山武定位器；閥片和壓爪采用PEEK。如圖1。

1.3 二級排氣壓力和級間壓力的調節

要求壓縮機二級排氣壓力保持穩定，上下波動不超過額定進氣壓力的10%，通過一級氣量無級調節機構來調節壓縮機進氣量。若過高，則減少進氣閥回流量，若過低，則增大回流量。

2 無極進氣量系統在JX-300X系統中的實現

浙大中控的JX-300X的最初版本源自1993年自主開發的JX-100，經過JX-100、JX-300、JX-300X幾年的不斷升級，現在從軟硬件來講應該全部算自主研發，前兩年推出的ECS100產品就是JX-300硬件加IFIX軟件，目前它在市場上主推的還是JX-300XP。干柜機組使用的是較為落后JX-300X，軟件系統為AdvanTrol-X3.16。

圖1 調節裝置位置編號圖Fig.1 Adjusting device position number chart

圖2 控制器間通訊原理Fig.2 Controller communication principle

2.1 控制器間通信

由于新增無極進氣量調節系統需要12個AO輸出點，原系統中備用點已經用完，所以需要增加新的控制器進行組態，而關鍵的參數K202一級進氣壓力，級間壓力、排氣壓力在原控制器中，需要將其通訊到新的控制器中參與無極進氣量系統的邏輯控制。控制器間通訊原理如圖2。

2.1.1 從原控制器中打包發送數據

發送數據首先需要將數據打包，由于發送的數據是模擬量信號，模擬量信號在系統內以2字節的半浮點（sfloat）數據類型；g_msg變量是一個32位的，每一個g_msg分別可以利用它的高16位和低16位存放2個半浮點型的2個變量。用setsfloat函數將數據打包進g_msg變量中，然后用sendmsg將數據廣播發送，如圖3。

2.1.2 新控制器接收數據

發送數據成功后，需要在接受數據的站點，原控制器地址是04，新控制器的是16，現在需要在16號控制器中編寫接受數據的程序。16號站點需要接受的數據就是地址4號控制站發送出來的兩個g_msg變量：g_msg[0]和g_msg[1]。Getmsg函數可以從其他控制站讀取廣播消息的包；GETSFLOST函數讀取廣播數據包中的半浮點（sfloat）數據類型。如圖4所示。

2.2 控制方案的實現

本控制思想是要求二級排氣壓力保持設定值的穩定，并針對上述氣量調節要求和氣量無級調節機構。控制中心輸出信號為12路模擬量PID調節（電流4mA~20mA），分別控制一級蓋側和軸側、二級蓋側和軸側氣量無級調節機構（一級8路模擬量PID分別調節蓋側和軸側共8只可調氣閥，二級4路模擬量PID分別調節蓋側和軸側共4只可調氣閥）。輸入顯示檢測信號為4路，分別為一級進氣壓力、二級進氣壓力、二級出口壓力和二級出口溫度。

圖3 將控制器中的數據廣播發送Fig.3 Data in the controller sends broadcast

圖4 從4號站讀取數據寫入當前控制器中Fig.4 Current controller reads the data written from the 4th station

將原來的進氣閥改裝成無級可調氣閥，可實現30%~100%之間的無級調節及壓縮機空負荷、滿負荷工況。二排壓力和一排壓力控制在目標設定值合理范圍內動作運行[1]。

根據設定值檢測二級實際排氣壓力，若實際排氣壓力高于設定值，說明一級進氣閥的流量過大，需要減小進氣閥的進氣量，則增加輸出電流，使執行機構的壓叉頂開力增大；相反，若實際排氣壓力低于設定值，說明一級進氣閥的流量過小，需要增加進氣閥的進氣量，則減小輸出電流，使執行機構的壓叉頂開力減小。

類似地，根據設定值檢測二級實際進氣壓力，若進氣實際壓力高于設定值P，說明二級進氣閥流量過小，需要增加進氣閥的進氣量，則減少輸出電流，使執行機構的壓叉頂開力降低；相反，若進氣實際壓力低于設定值，說明二級進氣閥的流量過大，需要減少進氣閥的進氣量，則增加輸出電流，使執行機構的壓叉頂開力增大。

PID調節采用3參數增量型PID調節，在“自動”狀態下，一級進氣閥蓋側4只進氣閥采用4只PID控制器同步調節，一級軸側4只進氣閥采用4只PID控制器同步調節；二級進氣閥調節則跟一級類同。在“手動”狀態下，一級兩側進氣閥和二級兩側進氣閥共12只均可分別進行獨立PID調節。

控制邏輯圖如圖5、圖6。

2.2.1 PID控制方案的實現

圖5 一級進氣閥調節PID控制邏輯Fig.5 1 Intake valve adjustment PID control logic

圖6 二級進氣閥調節PID控制邏輯Fig.6 2 Intake valve adjustment PID control logic

壓縮機排氣壓力是由一級進氣壓力P0和二級排氣壓力P2進行計算后得出的結果進行控制的（公式見圖7），而一級排氣壓力是由一級進氣壓力所控制的，整個控制回路需要兩個PID模塊進行完成，第一個PID模塊控制由一級進氣壓力控制一級排氣壓力，第二個PID模塊由計算出來的壓比P來控制二級排氣壓力。

圖7 一級進氣壓力P0和二級排氣壓力P2計算出來的壓比Fig.7 1 Manifold pressure calculated from secondary discharge pressure P0 and P2 pressure ratio

由于第一個PID模塊控制了4個氣閥，第二個模塊控制了8個調氣閥，所以當某個閥出現了故障之后，很難將其切除單獨維護，于是將每一個氣閥引入一個開關并對每個調節閥對應增加一個PID模塊，當在運行位置的時候調節閥根據需要進行動作，當氣閥故障時，將開關切換至檢修狀態，氣閥則不受總PID塊控制，可對其進行單獨操作，其他氣閥不受影響[2]。

2.2.2 控制方案之間的切換

無極進氣量系統一共有5種控制方案，分別是：

1）0%負荷：所有氣閥全開。

2）30%~50%負荷：1號、3號、5號、7號、9號、11號氣閥進行調節，其余氣閥全關。

3）50%負荷：1號、3號、5號、7號、9號、11號氣閥全開，其余氣閥全關。

4）50%~95%負荷：所有氣閥進行自動調節。

5）100%負荷：所有氣閥全開。

3 調試中出現的問題

現象1：一級排氣壓力（級間壓力）跳動大，并在一排壓力超過最大值設定值時，壓縮機有短暫輕微振動。

原因：調試中發現DCS控制系統中，一排壓力控制二級氣閥開度作用與要求作用方式設置相反。即目前調試時一排壓力高于設定壓力，增加電流，而要求作用方式為，若一排壓力高于設定值，應減小電流。同時由于此原因造成的一排壓力升高，壓縮比相差過大，當一排壓力下降到最大值以下，輕微振動消失。

現象2：最初調試出現二級排氣壓力下降迅速。

二級排氣壓力下降迅速主要原因在于二級排氣壓力控制的PID反應時間過長。目前把反應時間縮短后，二級排氣壓力能控制在指定范圍內波動。同時由于一級排壓控制作用反了，在調控狀態切換時，氣閥調節開度處于100%，導致切換未平緩過渡，出現氣缸響聲；同時氣閥開度過大，調節過程壓力下降迅速，造成二排壓力下降迅速。

現象3：50%到100%相互切換時，氣缸有響聲。

原因：控狀態切換和改變時，氣閥動作變化劇烈，氣流變化閥片沖擊閥座所致。

措施：調控狀態切換和改變過程中，必須注意切換過程的緩和性，使其操作平穩過渡。

現象4：目前正常（滿負荷）運行狀況下，壓縮機運行達到穩定，系統備壓0.55Mpa（表壓），負荷智能在氣量調節的40%左右。

原因：系統備壓低；同時流量與柜容有關，氣體流量變化較大，造成調節效果不會很明顯。

措施：盡量保持K202的高負荷運行。

4 小結

1）此無極進氣量系統成功地實現了30%~95%之間無擾動切換的功能。

2）無極進氣量系統的成功，干柜K202壓縮機耗電量明顯減少。

3）隨著石油資源的減少與應用的過度，世界能源的日益緊張，這不僅要求活塞式壓縮機的排氣量能夠在更大的范圍內連續調節，而且要求壓縮機功耗隨排氣量降低而成比例下降，實現節能。無級氣量調節正是活塞式壓縮機氣量調節方法中的一種，具有經濟、安全及維修方便等特點，必將予以重任。

[1]唐斌,李連生,王樂.往復式壓縮機氣量無級調節過程中進氣閥的動態研究[J].機械工程學報,2011,47(04):136-141.

[2]梁涌.往復壓縮機氣量無級調節系統的原理及應用[J].壓縮機技術,2007,03:13-17.