國產(chǎn)無級氣量調節(jié)系統(tǒng)在C6101A壓縮機的應用

顧文武

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

大功率往復式壓縮機使用氣量無級調節(jié)系統(tǒng)既能實現(xiàn)節(jié)能還可以提高控制性能，因此已經(jīng)被越來越多的用戶認同，但是進口產(chǎn)品高昂的采購價格和居高不下的使用維護成本制約了該系統(tǒng)的進一步推廣應用，因此有必要選擇一種既能夠降低企業(yè)采購成本、又能打破國外壟斷的新型的國產(chǎn)往復式壓縮機無級氣量調節(jié)系統(tǒng)。

1 無級氣量調節(jié)系統(tǒng)的工作原理、使用情況和發(fā)展趨勢

1.1 氣量無級調節(jié)系統(tǒng)工作原理

目前，國內采用氣量無級調節(jié)系統(tǒng)的大型往復式壓縮機組越來越多，其調節(jié)原理都是在壓縮行程部分強制打開進氣閥，實現(xiàn)氣體回流，只壓縮實際需要的氣量。往復式壓縮機P-V(壓力-容積)示功圖(見圖1)是反映壓縮機在一個工作循環(huán)(曲軸轉角360°)中活塞在不同位置時氣缸內氣體壓力變化的曲線，亦稱氣體力圖。根據(jù)P-V圖可對壓縮機的工作過程做一系列的分析計算，對于氣量無級調節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)P-V圖的面積可以計算壓縮氣體的指示功率。在氣量無級調節(jié)系統(tǒng)的作用下，壓縮行程的C-C’階段是不壓縮氣體的，從P-V示功圖上能夠直觀地看出其節(jié)省了壓縮機功耗。

圖1 氣量無級調節(jié)時的P-V示功圖

1.2 氣量無級調節(jié)系統(tǒng)的應用和發(fā)展趨勢

奧地利赫爾比格公司的HydroCOM系統(tǒng)、美國德萊賽蘭的ISC系統(tǒng)等正是基于上述“回流省功”調節(jié)原理發(fā)展起來的，前者技術成熟、使用可靠，占據(jù)了國內大多數(shù)現(xiàn)有壓縮機改造和新項目配套市場，處于市場領先地位。

赫爾比格HydroCOM無級氣量調節(jié)系統(tǒng)于2002年首次進入國內石化企業(yè)，隨后國內相關企業(yè)和研究機構開始進行開發(fā)研究，其核心部件就是能夠實現(xiàn)氣閥延遲關閉功能的執(zhí)行機構。

(1)浙江大學化工機械研究所、溫州建慶公司和中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海分公司合作，共同開發(fā)了一種采用伺服電機驅動的液壓旋轉閥作為實現(xiàn)氣閥延遲關閉功能的關鍵部件。但是這種技術還不成熟，沒有得到推廣應用。

(2)中國石油化工股份有限公司天津分公司和天華化工機械及自動化研究設計院有限公司合作，共同開發(fā)了一種基于伺服先導控制閥的執(zhí)行機構作為實現(xiàn)氣閥延遲關閉功能的關鍵部件，并在天津分公司進行了裝機實驗，但是后期也沒有得到推廣應用。

(3)江蘇迪肯節(jié)能環(huán)保科技有限公司(以下簡稱江蘇迪肯)與上海迪瓦液壓科技有限公司合作，共同開發(fā)了一種基于數(shù)控電磁閥的執(zhí)行機構作為實現(xiàn)氣閥延遲關閉功能的關鍵部件，并在沈陽遠大壓縮機股份有限公司的部分壓縮機上進行了裝機實驗。相比于其他國內廠家，江蘇迪肯開發(fā)的基于數(shù)字化液壓控制技術的壓縮機氣量無級調節(jié)系統(tǒng)DiCOM(Digital Hydraulic Computerized System)采用的技術路線較為成熟，符合石化企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)、安全可靠、設備智能化和節(jié)能化改造的發(fā)展趨勢和迫切需求。

2 國產(chǎn)與進口無級氣量調節(jié)產(chǎn)品比較

近年來，我國經(jīng)濟進入宏觀調整期，對汽柴油的市場需求存在較大波動，因此需要石化企業(yè)的煉油裝置具備一定范圍的操作彈性，在進行變量操作的同時，兼顧到設備節(jié)能和智能化改造，綜合提高企業(yè)能效。往復式壓縮機是石化企業(yè)關鍵的工藝流程設備，其變量運行的可控性及可操作性與煉油裝置的整體節(jié)能指標直接相關。無級氣量調節(jié)系統(tǒng)作為實現(xiàn)往復式壓縮機變量運行的關鍵技術手段，其先進性、可靠性及實用性將對壓縮機及關聯(lián)裝置產(chǎn)生直接的影響。對進口產(chǎn)品HydroCOM與國產(chǎn)產(chǎn)品DiCOM從以下幾個方面進行對比。

2.1 安全可靠性比較

進口 HydroCOM與國產(chǎn)DiCOM產(chǎn)品在生產(chǎn)安全方面的對比如表1所示。由表1的對比可以看出：國產(chǎn)DiCOM系統(tǒng)的安全性、可靠性指標不低于進口產(chǎn)品，在某些電子控制功能方面，由于采用了新的先進技術，甚至優(yōu)于進口產(chǎn)品。

表1 進口 HydroCOM與國產(chǎn)DiCOM產(chǎn)品 在生產(chǎn)安全方面的比較

2.2 購置費用比較

目前國外無級氣量調節(jié)系統(tǒng)如HydroCOM基本處于壟斷狀態(tài)，對中國用戶的售價很高，國內相關已研發(fā)的產(chǎn)品由于前述原因暫時無法對國外產(chǎn)品構成威脅。基于這個原因，在石化項目設備招標采購過程中，進口無級氣量調節(jié)系統(tǒng)的價格基本接近一臺壓縮機的價格，達到200萬～300萬元/套，而國產(chǎn)化后的市場平均目標價為100萬～200萬元/套，價格遠低于進口系統(tǒng)。如果這類產(chǎn)品國內無法解決而完全依靠進口產(chǎn)品，將會耗費大量的資金，并影響到將來運行的經(jīng)濟性和可靠性。

2.3 維護費用比較

進口無級氣量調節(jié)系統(tǒng)不僅初期投資費用大，正常維修和異常損壞后的修復價格也同樣昂貴。如進口執(zhí)行器一旦損壞，國外廠家一般不予維修，而是予以整體更換，代價很高。大量維修費用于采購進口無級氣量調節(jié)系統(tǒng)備件，抵消了系統(tǒng)節(jié)能所帶來的一部分效益。如果系統(tǒng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，立足于國內技術設計、制造，試驗，其產(chǎn)品交貨期也將大大縮短，為企業(yè)安全、連續(xù)生產(chǎn)提供有效保證。

2.4 政策風險比較

目前世界貿(mào)易格局錯綜復雜，很多進口產(chǎn)品的穩(wěn)定供應均受到不同程度的限制，一旦出現(xiàn)類似情況，其風險加大，會給今后企業(yè)的生產(chǎn)運行帶來非常嚴重的隱患。因此完全依賴國外產(chǎn)品存在一定的風險，國產(chǎn)化工作的深入實施可以提高企業(yè)的抗風險能力。目前大型石化往復式壓縮機機組已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化，但其無級氣量調節(jié)關鍵系統(tǒng)和部件仍然依賴進口產(chǎn)品。高端主機的發(fā)展與無級氣量調節(jié)系統(tǒng)的配套供應不協(xié)調，已成為制約我國重大裝備和高端裝備發(fā)展的瓶頸。只有突破這個瓶頸，無級氣量調節(jié)系統(tǒng)才能得到普遍推廣，石化企業(yè)的節(jié)能降耗指標才能夠順利實現(xiàn)。

3 氣量無級調節(jié)系統(tǒng)的應用

綜合以上幾點比較，選擇江蘇迪肯的壓縮機氣量無級調節(jié)系統(tǒng)DiCOM應用于中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)汽油加氫精制裝置的一臺循環(huán)氫壓縮機上，該壓縮機是沈陽遠大壓縮機股份有限公司生產(chǎn)的往復式壓縮機，機組型號為2D20-36.53/15-27。

其主要工作參數(shù)為：進出口壓力，1.6/2.8 MPa；進出口溫度，40/92 ℃；曲軸轉速，331 r/min；排氣量，正常為28 874 m3/h，最大為37 000 m3/h，最小為12 000 m3/h。

3.1 氣量無級調節(jié)系統(tǒng)控制精度理論分析

上海石化循環(huán)氫壓縮機C6101A以往一直采用人工手動在現(xiàn)場調節(jié)旁通回流閥門的方式來調節(jié)排氣量，不僅需要很高的勞動強度，而且人工調節(jié)的方式很難達到較高精度。應用無級調節(jié)系統(tǒng)之后，能夠根據(jù)實際的流量遠傳信號，通過可編程中斷控制器(PIC)自動計算需要的氣量，實現(xiàn)了較高的調節(jié)精度，具有較快的響應速度。在調節(jié)具體的往復式壓縮機排氣量時，發(fā)現(xiàn)PIC計算的0～100%壓縮機負荷與實際的排氣量百分比存在一定的偏差，經(jīng)過分析可知，原因在于：壓縮機的機械運動是通過曲柄連桿機構(圖2)將驅動電機的旋轉運動轉換為活塞的往復直線運動；而氣量無級調節(jié)系統(tǒng)對控制時段的平均劃分，是源自曲軸的勻速圓周運動，相對應的，活塞的直線運動是非勻速的，也就是說壓縮機的排氣量在時間上是非線性的。

活塞的行程=曲軸長度×((1-COS(曲軸夾角))+1/曲軸連桿比×(1-SQRT(1-曲軸連桿比×曲軸連桿比×SIN(曲軸夾角)×SIN(曲軸夾角)))

曲軸連桿比=曲軸長度/連桿長度

圖2 曲軸連桿機構示意

因此，PIC控制器的輸出OUT是部分轉角的0～100平均等分，氣量無級調節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行器接收到的信號CONTROL則需要對部分行程進行0～100平均等分，兩者之間的關系是非線性的，要考慮行程與轉角之間關系參數(shù)。

尋找PIC的輸出OUT與氣量調節(jié)系統(tǒng)執(zhí)行器接收值CONTROL之間的對應關系步驟如下：

(1)根據(jù)壓縮機的參數(shù)(主要是進/排氣壓力，余隙容積)來確定100%氣量狀態(tài)下的各個階段起止角度(具體見圖3)；

圖3 往復式壓縮機工作的4個階段

圖4 PIC輸出值—執(zhí)行器控制值

(3)考慮到實際使用場合的設備限制，使用了將OUT數(shù)值按照0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100對應點的Control數(shù)值，用折線代替曲線，將非線性關系轉化為區(qū)間線性關系。

采用區(qū)間線性化處理之后，在操作室分布式控制系統(tǒng)(DCS)上輸入的OUT數(shù)值與現(xiàn)場實際排氣量契合度大為提高。

3.2 控制精度實際數(shù)據(jù)與理論值對比

經(jīng)過一段時間的實際運行，選取了一組實際氣量和負荷數(shù)據(jù)，與上述理論分析數(shù)據(jù)進行對比(見表2)。

通過上面數(shù)據(jù)的對比，可以明顯看出DiCOM無級氣量節(jié)系統(tǒng)對實際壓縮機的實際控制效果與理論分析基本一致，偏差在合理范圍內。因此DiCOM無級氣量調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)了較高的調節(jié)精度和較快的響應速度，在調節(jié)具體的往復式壓縮機排氣量方面，有很好的優(yōu)勢。

表2 氣量和負荷數(shù)據(jù)的理論值和實測值對比

3.3 氣量無級調節(jié)系統(tǒng)節(jié)能效果分析

從系統(tǒng)一年多的運行來看，完全符合當初的預計，機組運行穩(wěn)定，各項參數(shù)指標都正常，工藝指標比沒有使用該套系統(tǒng)前有一定的提高。當前機組的負荷根據(jù)工藝需求基本維持在50%～60%，氫氣出口回流閥完全關閉，氫氣的匹配量精準，給整套裝置的平穩(wěn)運行帶來了方便和保障。壓縮機負荷與電流關系實測值見表3。

表3 負荷與節(jié)能效果關系

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可看出，該機組使用智能變量系統(tǒng)后可以根據(jù)工藝需求任意調整機組負荷，按照目前60%的運行負荷來計算，其能有效減少氫氣的回流約11 000 m3/h，同時降低氫油比至500，從而節(jié)約加熱爐使用燃料氣約30 m3/h，電流從85 A降低至65 A。

按照年運行8 000 h來計算，該機組若運行在60%的負荷下，每年可以節(jié)約燃料氣約194 t，節(jié)約電量約9.6×105kWh。目前的電費計價為0.6元/kWh，燃料氣計價為2 000元/t，該系統(tǒng)年節(jié)約費用總計約96.4萬元。

4 結語

通過對DiCOM應用于循環(huán)氫壓縮機的氣量控制效果進行理論分析和實際氣量數(shù)據(jù)進行比較，可以看出DiCOM無級氣量調節(jié)系統(tǒng)對實際壓縮機的實際控制效果與理論分析基本一致，偏差在合理范圍內。經(jīng)過一年時間的運行，在節(jié)能增效方面表現(xiàn)優(yōu)異，因此DiCOM無級氣量調節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)了較高的調節(jié)精度和較快的響應速度。在調節(jié)具體的往復式壓縮機排氣量和節(jié)能增效方面，有很好的優(yōu)勢，今后可以在同類型的往復式壓縮機上推廣應用，實現(xiàn)對往復式壓縮機的精準調控和節(jié)能增效。