，，吉　寧

(1.中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519000；2.中海石油深圳分公司，廣東 深圳 518067)

HydroCOM Air Conditioning Systems Used in the Natural Gas Processing Deviceof Flash Gas Compressor

ZHANG Weisen1，YU Yanhang2， JI Ning1

(1.CNOOC Deepwater Development Limited， Zhuhai 519000，China；

2. CNOOC Shenzhen Branch， Shenzhen 518067，China)

HydroCOM氣量調節系統在天然氣處理裝置閃蒸氣壓縮機上的應用

張煒森1，于彥恒2，吉寧1

(1.中海石油深海開發有限公司，廣東 珠海 519000；2.中海石油深圳分公司，廣東 深圳 518067)

HydroCOM Air Conditioning Systems Used in the Natural Gas Processing Deviceof Flash Gas Compressor

ZHANG Weisen1，YU Yanhang2， JI Ning1

(1.CNOOC Deepwater Development Limited， Zhuhai 519000，China；

2. CNOOC Shenzhen Branch， Shenzhen 518067，China)

摘要：對往復式壓縮機常用氣量調節方式的原理及特點進行了介紹，結合珠海高欄終端閃蒸氣壓縮機氣量調節方式，對HydroCOM系統的工作原理、結構組成、控制方案、分程功能、無擾切換及應用效果等內容進行了詳細闡述。實際應用效果表明，采用了HydroCOM氣量調節系統的往復式壓縮機，能快速、精確地控制壓縮比、流量等參數，實現氣量無級調節，機組運行可靠、操作簡便、節能效果明顯，經濟效益十分可觀，對其他在建或已投產同類壓縮機的改造升級具有一定技術指導性及借鑒作用。

關鍵詞：氣量調節；HydroCOM；壓縮機；無擾切換；閃蒸氣

中圖分類號：TH12

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)10-0026-04

收稿日期：2015-06-23

Abstract：This paper is to introduce the theory and character of capacity control methods of reciprocating flash gas compressors， and to describe the theory， composition， proposal， spilt control function， undisturbed switching and application effect of HydroCOM system which was used in Zhuhai Gaolan Gas Plant. Actual application shows that HydroCOM capacity regulation system is not only reliable but also accurate and convenient to control， energy-saving. Also， it could provide technical reference for control mode selection or future upgrading of similar compressors.

作者簡介：張煒森(1984-)，男，重慶萬州人，工程師，研究方向為液化天然氣、天然氣行業生產加工及項目管理。

Key words：capacity control；HydroCOM；compress；undisturbed switching；flash gas

0引言

珠海高欄終端是國內目前最大的天然氣處理終端，該終端主要對海上平臺經由海底管道輸送的天然氣和凝析液進行加工處理，其中凝析液在凝析油穩定單元逐級穩定過程中會閃蒸出大量天然氣，閃蒸氣體經過往復式壓縮機三級增壓后輸送至天然氣脫水流程。受氣田投產順序與氣井配產差異等外部條件影響，凝析油實際處理量變化較大，長期處于低負荷運行，為了最大限度的節約能源，閃蒸氣壓縮機綜合采用了旁通管路、余隙容積及HydroCOM 3種氣量調節方式，具有運行可靠、操作簡便、節能效果好等特點，經濟效益十分可觀。

1壓縮機常用氣量調節方式

石油、化工企業往復式壓縮機的排氣量一般是根據裝置最大所需量或近期裝置可能擴容所需量來選擇，并綜合考慮裝置負荷變化、入口條件改變等因素，所以壓縮機排氣量通常都有較大的富余量[1]。當裝置實際用氣量長期低于壓縮機額定排氣量工況下運行時，尤其是在裝置投產初期，需要對壓縮機排氣流量進行調節。目前，旁通管路調節、壓開進氣閥調節、余隙容積調節、轉速調節和氣量無級調節是往復式壓縮機較為常用的氣量調節方式。

1.1　旁通管路調節

旁通管路調節是將壓縮機進氣管和排氣管用旁通管路加以連通，并在旁通管路上設置調節閥門，通過對閥門的開度來實現壓縮機排氣量的調節。這種調節方式在往復式壓縮機上得到了廣泛應用，具有結構簡單、流量可連續變化、各級壓力比保持不變、運行穩定性好等優點，但由于回流氣體的全部壓縮功都損耗掉，壓縮機電機功率消耗大、經濟性較差，常適用于壓縮機短期運行或者調節范圍小的場合。

1.2　壓開進氣閥調節

利用閥片壓開裝置，把進氣閥閥片強制壓開，使進氣閥喪失正常工作能力，在壓縮機吸氣過程中氣體被吸入氣缸，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。對于一個一級雙作用氣缸布置的壓縮機而言，若只頂開活塞一側的進氣閥，氣量只降低50%，如果兩側同時頂開，則排氣量為零，故該機可實現氣量0，50%和100%三級調節。這種調節方式具有操作方便、能耗較低、投資少等特點，實際生產過程中常與旁通管路調節相結合，應用十分廣泛，但這種間斷調節方式，調節幅度較大，僅適用于粗調節，不能實現精確調節。

1.3　余隙容積調節

在壓縮機的氣缸上，除固定余隙容積外，另外在氣缸蓋等處設有一定的空腔，調節時接入氣缸工作腔，使余隙容積增大，容積系數減小，壓縮機排氣量降低。這種調節方式響應速度較慢、調節范圍窄、需要手動調節干涉，但設備投資成本相對較低，能實現壓縮機額定排氣量60%～100%的連續調節。采用了電液控制和執行機構的可變余隙容積調節系統能實現壓縮機自動氣量無級調節，但其輔助系統較為復雜，易損件較多，維護難度增大。

1.4　轉速調節

轉速調節是通過改變壓縮機的轉速來實現氣量調節。這種調節方式的優點是氣量連續，調節工況比功率消耗小，壓縮機各級壓比保持不變，壓縮機上不需要設置專門的調節機構；缺點是受原動機本身性能的限制，如內燃機只能在100%～60%轉速范圍變化，再低便需采取其他措施，且低于額定轉速時，經濟性降低[2]。對于電動機驅動的壓縮機則需要配置變頻器，大功率高壓變頻器價格昂貴且故障率較高，目前在電動機驅動的往復式壓縮機上采用較少。

1.5　氣量無級調節

壓縮機氣量無級調節系統采用數字計算機技術和控制技術，通過液壓傳動卸荷裝置使壓縮機在運行過程中，進氣閥保持有可控的一定時間開啟，即精確計算延遲關閉進氣閥時間的方式，使氣缸中的部分氣體未經過壓縮增壓直接返回進氣總管，從而實現全程范圍的氣量調節，氣量無級調節系統實質就是“回流省功”原理，壓縮循環中只壓縮了需要壓縮的氣量，最大限度地節約了能源。

2HydroCOM系統工作原理及組成

2.1　工作原理

HydroCOM系統是賀爾碧格公司專門為往復式壓縮機開發的液壓式氣量無級調節系統，它能根據實際用氣量的要求來自動調節系統，使壓縮機排氣量完全與需用量匹配。其工作原理是計算機即時處理壓縮機運行過程中的狀態數據，并將信號反饋至執行機構內電子模塊，通過液壓執行器來實時控制進氣閥的開啟與關閉時間，實現壓縮機排氣量0～100%全行程范圍無級調節，HydroCOM液壓執行器和專用氣閥如圖1所示。在HydroCOM控制下，通過對進氣閥的延遲關閉，使多余部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣總管，壓縮機的進氣閥不再是依靠壓差工作的自動閥，而是一個由外置動力驅動的強制閥。

圖1　HydroCOM液壓執行器和專用氣閥

2.2　系統結構組成

HydroCOM系統主要由液壓執行器HA( hydraulic actuator )如圖2 所示、中間接口單元CIU( compressor interface unit)、液壓油站HU(hydraulic unit)、上死點TDC(top dead center)傳感器、供電電源EPS及服務軟件HSS等軟硬件設備組成。其中液壓執行器HA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是連接執行器HA和用戶DCS/PLC的橋梁，通過它的中間轉換接口作用， 使HydroCOM簡化為一個接收4～20 mA標準電流信號的調節；液壓油站HU通過液壓管路供給執行器HA所需的動力；上死點TDC傳感器實時提供活塞在氣缸中的即時位置給CIU；供電電源EPS負責執行器HA需要的48 V直流供電。

圖2　HydroCOM系統結構組成

3HydroCOM系統應用方案

3.1　工藝系統

珠海高欄終端凝析油穩定單元額定處理規模為145 m3/h，經海底管道輸送的天然氣首先在預處理單元進行氣液分離，分離出的凝液經節流后進入凝析油一級閃蒸分離器，分離出的氣相進入閃蒸氣壓縮機三級入口；一級閃蒸分離器分離出的液相經節流換熱后進入凝析油二級閃蒸分離，分離出的氣相進入閃蒸氣壓縮機二級入口；二級閃蒸分離器液相出口有兩個去向，一部分經節流換熱后進入凝析油穩定塔中部，另一部分節流后直接進入凝析油穩定塔頂部；凝析油穩定塔塔頂氣進入閃蒸氣壓縮機一級入口，塔底穩定凝析油產品經冷卻后進入凝析油儲罐。凝析油穩定單元工藝流程如圖3所示。

圖3　凝析油穩定單元工藝流程

閃蒸氣壓縮機為2臺美國通用電氣公司GEMINI ES604 型天然氣往復式壓縮機組，通過彈性聯軸器由電動機驅動，對稱平衡布置，四列四缸，三級壓縮，氣缸余隙手動調節。

3.2　總體控制方案

投產初期，根據海上氣田滾動開發計劃、下游市場及裝置配產情況，凝析油平均處理量約為額定的40%，兩壓縮機互為備用，隨著裝置處理量的增大，轉為并聯運行。2臺壓縮機共用3個級間自動補氣旁通閥，單機運行時，補氣旁通閥及HydroCOM由運行壓縮機控制。并聯運行時，一臺壓縮機為手動滿負荷工作，補氣旁通閥及HydroCOM由另一臺壓縮機控制。閃蒸氣壓縮機組HydroCOM系統控制方案如圖4所示。

圖4　閃氣壓縮機組HydroCOM系統控制方案

2臺壓縮機HydroCOM系統采用嵌入式控制方案，壓縮機相關狀態參數、HydroCOM系統報警及聯鎖信號等信息顯示于中控DCS系統。壓縮機二、三級入口分別有來自凝析油穩定單元的連續級間補氣，壓縮機進出口壓力的穩定將直接影響凝析油穩定過程中閃蒸出的天然氣量，故將壓縮機級間入口壓力作為HydroCOM的主控變量。

凝析油穩定單元在不同工況下，壓縮機各級入口壓力、溫度、組份、流量等參數均會發生顯著變化，HydroCOM極高的動態控制特性能使壓縮比、流量等參數得到精確控制。在壓縮機某級氣量較小，HydroCOM負荷較低時，可通過調整氣缸余隙容積增量，使壓縮機各級負荷分配均勻，避免壓縮機因負荷過低導致氣閥閥蓋溫度高及活塞力不均衡等問題。

3.3　分程功能

壓縮機出口壓力的穩定是通過回流氣量的多少來實現的，主控變量控制信號經過一個低選器后輸出的值變大則需要回流量增大，即減小壓縮機的負荷，反之亦然。輸出信號既可以控制HydroCOM，也可以用來控制補氣旁通閥，通過利用分程控制概念，在PLC組態時把主控變量輸出信號通過分程功能分別作用于HydroCOM和補氣旁通閥。

低選器輸出信號與壓縮機的負荷相關，HydroCOM負荷值分程點是按照壓縮機的最低允許負荷來設置的。實踐經驗表明，HydroCOM最低負荷設定為30%是較合理的，故HydroCOM實際有效負荷調節范圍為30%～100%，0%～30%負荷時由補氣旁通閥調節。

HydroCOM在自動狀態下，分程點為70%。低選器輸出信號為70%～0%時，由HydroCOM控制壓縮機負荷，補氣旁通閥保持關閉；低選器輸出信號為100%～70%時，HydroCOM保持在最低負荷30%，補氣旁通閥自動調節。

HydroCOM在手動或切除狀態下，分程點為100%，壓縮機負荷由補氣旁通閥實現氣量調節。正常運行時，壓縮機分程控制對應輸出信號如圖5所示。

圖5　壓縮機分程控制對應輸出信號

3.4　無擾動切換

壓縮機在啟停、加載、切換、HydroCOM投用及切除過程中，為了保持出口壓力及流量的穩定，防止對工藝流程產生較大的沖擊波動，HydroCOM需要具備無擾動切換功能。HydroCOM無擾動切換的實質是對壓縮機不同工況下控制信號分程點的改變來實現的，同時輔以手動或自動操作調節。

壓縮機啟動時HydroCOM負荷為0%，壓縮機氣閥處于卸荷狀態，手動確認機組加載后，HydroCOM負荷按1%/s速率開始自動增加，補氣旁通閥接收全部控制信號自動調節。當HydroCOM負荷信號大于控制信號時，激活HydroCOM自動控制，此時全部控制信號切換至HydroCOM中間接口單元CIU接收。控制信號分程點的變化將使補氣旁通閥逐步關閉，分程點的變化速率小于1%/s，補氣旁通閥關閉過程中，HydroCOM自動調節以維持壓力穩定。

壓縮機停機時控制信號分程點以小于1%/s的速率由70%向0%變化，直至補氣旁通閥接收全部控制信號。分程點變化過程中HydroCOM仍然接收控制信號，以適應補償壓縮機負荷的變化。等待分程點變化結束，HydroCOM負荷自動以1%/s速率降至0%后切除，壓縮機所有進氣閥處于卸荷狀態，壓縮機可以停機。

HydroCOM故障時，不需要停止壓縮機，HydroCOM將被自動切除，控制信號立即交由補氣旁通閥調節，此時HydroCOM專用氣閥與普通氣閥功能一致，壓縮機滿負荷工作。故障排除后重新投用HydroCOM時，補氣旁通閥接受全部控制信號，手動操作HydroCOM負荷值由100%降低至接近控制信號時，切換HydroCOM為自動控制，分程點的變化將使補氣旁通閥逐步關閉，此時HydroCOM開始接受全部控制信號自動調節。

4HydroCOM系統應用效果

4.1　可操作性

閃蒸氣壓縮機裝備HydroCOM后，可實現機組30%～100%負荷范圍內氣量無級調節，壓縮機的氣量調節簡化到僅需輸入期望的壓力設定值，系統即自動跟蹤并穩定該值，各級壓縮比恒定。結合氣缸余隙容積調整，壓縮機能適應壓力、溫度、組份、流量等參數顯著變化的復雜工況。系統具備的手動、自動和HydroCOM切除功能，能實現壓縮機在多種工況下的無擾動切換，較普通壓縮機的控制更趨合理，各項參數更加穩定。

4.2　安全及可靠性

當壓縮機在常用的膜式氣缸卸荷器的作用下實現50%負荷運行時，若是雙作用氣缸單側卸載，活塞桿將處于較長時間的單向受力狀態，造成十字頭銷潤滑不良，加速磨損[3]。而安裝了HydroCOM的壓縮機在部分負荷工作時，同一級的軸側缸和蓋側缸在液壓執行機構下輪流卸載，活塞桿受力處于交變狀態，十字頭銷一直處于良好的潤滑狀態，十字頭銷使用壽命大大延長。

HydroCOM已在國內外往復式壓縮機上得到了廣泛使用，具有很好的可維護性，故障率極低。正常情況下，系統維護僅需更換執行機構的內部密封件、墊片以及油站過濾芯等常規部件，專用氣閥的維護也同普通氣閥一致。

4.3　節能效果

珠海高欄終端在投產初期凝析油平均處理量約為60 m3/h，壓縮機單臺運行，負荷在40%左右即可滿足工藝需求。在應用HydroCOM后，壓縮機消耗的指示功基本與運行負荷成正比，即壓縮機目前可以節省約60%的指示功。根據實際運行數據，閃蒸氣壓縮機100%負荷時，主電機電流為49 A，實際功率為618 kW；40%負荷時，主電機電流為21 A，實際功率為265 kW。經濟效益可觀。

5結束語

HydroCOM系統先進的數字計算及電液控制系統，能夠快速地、精確地控制壓縮比和流量等參數，實現了壓縮機的氣量無級調節，壓縮機可操作性強、運行穩定、控制合理，適用于天然氣處理工廠中壓縮介質壓力、溫度、組份、流量不固定的復雜工況。

珠海高欄終端凝析油穩定單元閃蒸氣壓縮機HydroCOM系統的應用是成功的，機組運行可靠、操作簡便、節能效果明顯，經濟效益好，對其他在建或已投產同類壓縮機的改造升級具有一定技術指導性及借鑒作用。

參考文獻：

[1]李紅亮，鄭芳，陳強.無級氣量調節技術在加氫裝置的應用[J].設備管理與維修，2013，S1：101-102.

[2]郁永章.活塞式壓縮機.北京：機械工業出版社，1982.

[3]周杰，陳學安，趙俊偉，等.HydroCOM調節系統在蠟油加氫裂化裝置新氫壓縮機的應用[J].廣州化工，2013，41(15)：187-189.