新氫壓縮機旁通氣量調節與HydroCOM無級調速復雜控制方案

楊利豐,劉子夫,叢軍

（1.大慶煉化公司，黑龍江大慶163000；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽110167；3.中國石油撫順石化公司石油三廠，遼寧撫順113006）

新氫壓縮機旁通氣量調節與HydroCOM無級調速復雜控制方案

楊利豐1,劉子夫2,叢軍3

（1.大慶煉化公司，黑龍江大慶163000；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽110167；3.中國石油撫順石化公司石油三廠，遼寧撫順113006）

介紹了新氫往復壓縮機旁通氣量調節、無級調速控制系統基本構成及相關工作原理。闡述了往復壓縮機旁通氣量分程低選調節控制方案設計及無級調速控制方案設計。實際應用中旁通回流控制和HydroCOM無級調速控制系統切換不會影響壓縮機的正常運行，達到了無擾動切換的目的，值得推廣及應用。

旁通氣量調節；HydroCOM；控制方案設；節能

自2013年1月1日后，中國相關部門對汽車尾氣的排放和環保要求越來越嚴格，油品的質量要求也越來越高，汽、柴油質量升級周期也相應縮短。國家已經硬性要求提高汽、柴油質量,減少汽車尾氣中有害物質排放。為了達到國家要求且兼顧技術經濟指標得到改善，必須采取有效措施確保柴油質量完全滿足國Ⅳ標準。在此項目建設背景下為170萬t/a柴油加氫，相關壓縮機的選型考慮到后續運行的便利性選擇無錫壓縮機廠的相關產品，型號確定為4M32，編號為K101A/B。主要將甲醇廠來的氫氣經新氫入口分液罐經三級壓縮后與八路柴油進料混合送入加氫反應系統。如果采用常規的氣量旁通控制方案進行控制，壓縮機控制系統只能在最大滿負荷下工作，多余的壓縮氫氣只能通過一、二、三級旁通閥返回到入口管線，機組的能耗過大，同時級間壓力控制不穩定。通常采用的級間壓力控制方案只能達到壓力的粗調，操作難度大及控制目標值不理想。為了克服壓力控制方案的缺陷，柴油加氫裝置采用了復雜低選控制方案與HydroCOM無級調速控制的方式。

1 新氫往復壓縮機氣量調節

往復式壓縮機作為工業領域中的重要設備，在許多情況下需要進行氣量調節和靈活控制。往復壓縮機作為一種容積式壓縮機，具有排氣壓力高出口流量變化小等特點，后續流程需求變動，需要調節壓縮機排氣量。前道工藝波動供氣，通過調節氣量維持流程穩定，大型壓縮機的設計往往裕量較大，需要調節氣量確保經濟運行。傳統的氣量調節有：

1.1 旁通調節

常用往復式壓縮機氣量調節方法，簡便易行，將壓縮后的高溫高壓氣體返回到進氣總管，缺點是浪費了旁通回流氣體所耗的壓縮功。

1.2 轉速調節

轉速調節的原理就是改變轉速來調節氣體氣量，使氣量平穩連續，廣泛使用在驅動機為內燃機和汽輪機的壓縮機上。

1.3 逐級調節

往復式壓縮機啟停經常采用的調節方式，需要膜式氣缸形式的執行機構和供氣管路，可能有潛在的活塞桿負載和十字頭銷潤滑問題。

1.4 余隙腔調節

大多固定余隙腔調節，少許可變余隙腔調節，調節速度較為緩慢。一般不適用于已有壓縮機的改造。本裝置共有兩臺新氫壓縮機K101A/B，在氣量調節控制方案上采用的是氣量旁通調節控制。

2 HydroCOM系統組成與運行過程分析

2.1 HydroCOM運行過程分析

無極調速系統能實現壓縮機氣量在全范圍內的無級調節。可以融入到裝置已有系統當中去，成為其中的一個節點，如DCS系統。相關控制機理為，改變對應活塞所關聯的氣閥響應時間達到調節壓縮氣量的目的。由DCS控制系統中的PID調節器發出控制信號，部分負荷時進氣閥全開，有控制信號時，進氣閥關閉，氣體壓縮，到達排氣壓力后，排出到排氣管線。壓縮機只壓縮實際工況的氣量需要，這樣的優點是可以達到能源的節約。

往復式壓縮機有多種控制方式，HydroCOM系統即是針對這一設備而開發的無極調控系統，開發公司為賀爾碧格公司（圖1）。

圖1 HydroCOM運轉原理Fig.1 HydroCOM system working principle

圖1 所展示的正是該系統的核心。通過對總進氣量的合理調配，將需要進行壓縮的氣量進行壓縮，其余氣量循環往返，實際應用了“回流省功”原理[1]。機械運動部分由進氣閥開關時間決定。

2.2 HydroCOM裝置構成

該裝置有以下幾個部分構成：中間接口單元，液壓執行機構，液壓油站，上死點傳感器，服務器單元。

2.2.1 中間接口單元CIU（Compressor Interface Unit）

接收控制系統的信號，通過CIU的轉換功能，完成：

（1）將DCS控制系統PID調節器計算的開度信號通過轉變，轉換成時間信號去控制進氣閥的關閉與開啟。

（2）將更多的監控和測量信號傳輸到DCS控制系統中。

（3）通過設定器可進行組態和監測。

2.2.2 液壓執行機構HA（Hydraulic Actuator）

該機構由以下3個部分組成即閥室、密封室和電氣室，液壓執行機構由閥室、密封室和電氣室三部分組成，該系統的液壓動力[1]由液壓油站HU實現。

2.2.3 液壓油站HU（Hydraulic Unit）

該裝置的主要作用就是為執行機構提供動力。

2.2.4 上死點傳感器TDC（Top Dead Center Sensor）

作用是測定傳遞活塞相對于氣缸的實時坐標[2]。

2.2.5 服務器單元HSS

本單元可實現即時線上工作對系統組態，從而實現系統的自診斷及調試流程。

3 壓縮機氣量復雜控制方案設計

3.1 新氫壓縮機分程低選控制

柴油加氫裝置有2臺新氫K101A/B壓縮機，目前運行方式為一開一備。裝備HydroCOM前，氣量調節通過旁路閥和全程壓開進氣閥的開關方式來實現（圖2）。

圖2 工藝概述Fig.2 Technique summary

3.2 分程低選控制設計思路

（1）新氫入口分液罐V104頂壓力調節器PIC-11702的0%～50%的分程信號與新氫壓縮機二級入口分液罐V114A頂壓力調節器PIC-11802的50%～100%的分程信號進行低選后一路控制一返一旁通控制閥PV-1180C,另一路控制HydroCOM無級調速手操器KV-101A送給CIU進行無級調速。新氫入口分液罐V104頂壓力調節器PIC-11702的50%～100%的分程信號控制新氫入口分液罐V104放火炬控制閥PV-11702。

（2）新氫壓縮機二級入口分液罐頂壓力調節器PIC-11802的0%～50%的分程信號與新氫壓縮機三級入口分液罐V115A頂壓力調節器PIC-11801的50%～100%的分程信號進行低選后一路控制二返二旁通控制閥PV-1180B,另一路控制HydroCOM無級調速手操器KV-101B送給CIU進行無級調速。

（3）新氫壓縮機三級入口分液罐V115A頂壓力調節器PIC-11801的0%～50%的分程信號與冷高壓分離器V103頂壓力調節器PIC-11201的0%～100%的信號進行低選后一路控制三返三旁通控制閥PV-1180A,另一路控制HydroCOM無級調速手操器KV-101C送給CIU進行無級調速。

上述復雜分程低選控制方案是在艾默生DELTAV DCS上組態完成的。

4 壓縮機無級調速控制方案設計

4.1 HydroCOM控制方案

煉化公司柴油加氫裝置壓縮機K101B作為備用機使用，采用HydroCOM無極調速系統的壓縮機K101A提供可變氣量。新氫壓縮機K101A的負荷可以在0%至100%之間進行調節。柴油加氫裝置機組預定負荷為30%，當負荷低于預定負荷時，采用旁通閥控制的方式來實現氣量調節。HydroCOM控制系統的控制回路都為閉環控制回路。

4.2 HydroCOM控制回路

壓縮機的基本控制回路包括[3]：

（1）控制器；

（2）分程模塊；

（3）信號線性化；

（4）中間接口單元；

（5）執行機構；

（6）旁通閥。

圖3所示是柴油加氫裝置往復壓縮機K101A一級控制回路。

圖3 基本控制回路(以進氣壓力控制為例)Fig.3 Basic control loop

4.3 把HydroCOM控制系統嵌入到壓縮機分程低選DELTAV DCS控制系統

高集成度的HydroCOM系統嵌入中心控制系統DELTAV中，它對控制方案和人機界面無影響。

4.4 現有的控制系統

圖4中原有控制方案由綠線和程序模塊表示。

圖4 原有控制方案（已簡化）Fig.4 Original control scheme（simplified）

4.5 增加HydroCOM系統后的控制系統

圖5中增加了HydroCOM后的控制功能由藍線和程序模塊表示。

圖5 增加HydroCOM后的控制方案Fig.5 Control scheme after adding HydroCOM

4.6 控制邏輯圖及其功能

采用了無極調速系統的K101A往復壓縮機有這樣幾個控制回路：

（1）壓縮機排氣壓力（即高分壓力）控制回路。

（2）壓縮機一返一壓力控制回路。

（3）壓縮機二返二壓力控制回路。

（4）壓縮機三返三壓力控制回路。

4.6.1 第一級控制系統

圖6是在第一級旁通控制的控制邏輯中加入無極調速HydroCOM系統后的分程控制原理圖。

4.6.2 第二/三級控制回路

圖7表示增加HydroCOM系統后的新功能，這些功能將被增加到第二級、三級的控制邏輯中。

4.6.3 分程功能塊

第一級和第二級現有的控制信號將用來控制無極調速系統和旁通閥。

圖6 第一級控制回路Fig.6 First stage control loop

圖7 第二級、三級控制回路Fig.7 Second stage and third stage control loop

K101A壓縮機旁通閥已有調節器輸出信號的范圍從0%到100%，本裝置定為往復壓縮機按滿負荷時的33%氣量考慮。假設已有PLS（壓力低選器）的輸出信號是壓縮機旁通閥的開度。分程功能模塊根據下表1所示的關系將控制信號的低段（對應壓縮機高負荷）給HydroCOM系統，將控制信號的高段（對應壓縮機低負荷）給旁通閥(表1)[4]。

表1 在正常工作條件下分程控制模塊的輸出信號Table1 Output signal of control module under normal working conditions

正常工況的分程點必須設定在HydroCOM系統的最低負值，因為是反向動作的控制信號，分程點70%對應于壓縮機的最小負荷30%。

100%-分程點=HydroCOM最小負荷

這樣，比例積分控制器的控制輸出等于壓縮機當前的負荷，并且可以用于DELTAVDCS顯示。

壓縮機的實際負荷=100%-PLS功能模塊的輸出值

如果控制信號像HydroCOM系統的信號適配那樣被正確放大和線性化，PLS的輸出信號將確確實實的反映了壓縮機的實際負荷。這個信號將可用來在DELTAVDCS顯示屏上顯示出來。

4.6.4 無極調速系統的故障處理和邏輯功能

HydroCOM具有判斷及處理故障的邏輯功能，系統可以自我診斷，能識別內部故障并可以提供錯誤和報警信息。油壓、油溫變送器的信號都接入到DCS中，并記錄錯誤和報警值。油壓、油溫、液位信號參與壓縮機的啟停邏輯。安全聯鎖和錯誤處理也融進DELTAVDCS控制系統中的壓縮機啟停邏輯中，圖8顯示了HydroCOM需要的基本邏輯功能（這些功能必須嵌入到DELTAVDCS中）。

圖8 邏輯圖Fig.8 Logic diagram

5 結論

新氫壓縮機常規氣量旁通低選控制與賀爾碧格HydroCOM控制系統結合在一起，是一種復雜的控制方案。該控制方案通過在大慶煉化分公司170萬t/a柴油加氫裝置機組成功設計和應用，具有最優的控制特性、最寬廣的調節范圍，讓流程更具柔性，并讓壓縮機的啟停更加自如，高度自動化的控制方式，僅需極少的人工干預、快速而精確的調控，滿足流程的動態控制需求，最大限度節省能源。自柴油加氫裝置機組開工投入運行以來，新氫壓縮機運行狀況平穩，達到了設計應用的目的。

［1］肖娜娜.Hydrocom系統在加氫精制裝置新氫壓縮機中的應用[J].科技資訊，2007，21(8):2.

［2］劉建中,程曉燕,趙保興,等.HydroCOM系統在往復壓縮機上的應用[J].節能技術，2006,24(3):245-247.

［3］賀爾碧格調速操作規程[S].賀爾碧格（上海）有限公司.

［4］賀爾碧格HydroCOM控制系統培訓文件[R].賀爾碧格（上海）有限公司.

Bypass Gas Volume Adjustment and HydroCOM Stepless Speed Regulation Complex Control Scheme of New Hydrogen Compressor

YANG Li-feng1,LIU Zi-fu2,CONG Jun3
（1.Daqing Refining&Chemical Company,Heilongjiang Daqing 163000，China；2.HQC Liaoning Company,Liaoning Shenyang 110167，China; 3.CNPC Fushun Petrochemical Company No.3 Refinery,Liaoning Fushun 113006，China）

Basic composition and related working principles of bypass gas volume adjustment and stepless speed regulation control system of new hydrogen reciprocating compressor were introduced.The designs of bypass gas volume adjustment scheme and stepless speed regulation control scheme were discussed.In practical application,the switching between bypass gas volume adjustment and HydroCOM stepless speed regulation will not affect the normal operation of the compressor.

Bypass gas regulating;HydroCOM;Control scheme design;Energy-saving

TQ 052

A

1671-0460（2017）03-0556-04

2016-08-24

楊利豐（1971-），男，黑龍江大慶人，工程師，1991年畢業于大慶石油學院化學工程專業，研究方向：儀表自動化。E-MAIL:YLF6869162@126.com。