HRCS無級調節在往復式壓縮機中的應用

潘博元

（新奧（舟山）液化天然氣有限公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

新奧（舟山）LNG 接收站天然氣外輸采用往復式壓縮機增壓輸送，該壓縮機為六列對稱平衡型，三級壓縮，一缸一列（各氣缸均為雙作用氣缸），兩個一級氣缸布置在機身的一側，兩個二級氣缸布置在機身的另一側，兩個三級氣缸分別布置在兩側。壓縮機將由上游緩沖罐來的壓力為0.6MPa 的BOG 氣體增壓至7.9MPa 的天然氣輸送到下游管網。單臺壓縮機額定供氣量是17570Nm3/h（0.1013MPa，0℃）[1]。

由于下游管網天然氣需求量經常變化，且在選用壓縮機時都考慮富余量，故壓縮機經常在部分負荷狀態下運行，這樣很不經濟。為了適應下游用戶的需求，一般常用的控制方法是調節壓縮機的輸出氣量，往復式壓縮機經常采用旁路回流調節，即通過設置在旁路管道上的回流調節閥使部分高壓氣體回到壓縮機的入口管道中。這種調節方式應用最廣泛，優點是調節方案簡單，易于實施，缺點是能量消耗嚴重，對于大型壓縮機電量耗費巨大。新奧（舟山）LNG 接收站氣體外輸壓縮機調節系統采用旁路回流調節與HRSC 相結合的調節系統，開停車時采用旁路回流調節，運行時采用HRSC 無級調節。自開車運行一年多來，達到節約能源，降本增效的目的。

圖1 HRSC系統工作的原理圖Fig.1 Schematic diagram of HRSC system operation

1 HRSC無級調節系統簡介

HRSC 無級調節系統（以下簡稱HRSC 系統）是基于部分行程頂開進氣閥工作的調節系統，是一個獨立的壓縮機排氣量調節系統。HRSC 系統可以適應原壓縮機DCS 系統協作運行，也可以作為調節子單元獨立運行，可以實現排氣量0%～100%范圍內無級調節，實際運行中考慮到回流量過大引起進氣閥閥腔溫度升高的影響，一般設置的調節范圍是30%～100%[2]。

1.1 工作原理

HRSC 系統主要由液壓站、電磁閥、進氣閥、控制系統等組成，HRSC 系統工作的原理如圖1 所示[2]。該電磁閥是一種高精度、高可靠性、高頻率動作的專用執行元件，電磁閥有兩種狀態，一種是勵磁或得電，對應的高壓油路接通與低壓油路斷開；另一種是非勵磁或失電，對應的高壓油路斷開與低壓油路接通。如果電磁閥勵磁，那么高壓油路就接通，高壓油推動液壓油缸內的活塞向下運動，活塞把推力傳遞并帶動閥桿向下運行，閥桿固定在閥片上，閥片隨閥桿一起下移，直到閥片貼合限制器為止。這就是強制打開進氣閥的過程，進氣閥的開關可以通過電磁閥勵磁或非勵磁控制，進氣閥的開關時間長度可以通過控制電磁閥勵磁或非勵磁的時間長度來實現。如果電磁閥非勵磁，那么低壓油路就接通，高壓油路斷開，液壓油缸內的高壓油排入低壓油路，閥片就失去強制推力，閥片在閥片彈簧與氣缸內氣體壓力的作用下向上移動，直至緊密貼合閥座，這就是進氣閥的關閉過程。壓縮機的工作過程是膨脹、吸氣、壓縮、排氣4 個階段，在壓縮階段，氣缸內一部分氣體被排出，剩余氣體被壓縮，控制被壓縮氣體的體積或者調節被排除氣體的體積是HRSC 系統的關鍵技術，氣缸的容積是固定的，排出氣體體積可以通過進氣閥的打開時間衡量。即通過控制電磁閥的勵磁時間到達，用進氣閥來調節壓縮氣體體積，實現本氣缸內部氣體回流，按照需要氣體量壓縮氣體，達到節約電能的目標。在HRSC 系統實施方案中，電磁閥勵磁時間長短是由PLC 控制器內部組態的功能模塊決定，功能模塊根據排氣壓力（與活塞行程及氣量對應）來輸出控制信號。

圖2 HRSC系統的壓縮機氣缸P-V圖Fig.2 P-V Diagram of compressor cylinder of HRSC system

HRSC 系統的壓縮機氣缸P-V 圖如圖2 所示[2]。圖2中從A 到B 段，氣體壓力逐漸減小，氣體體積緩慢增加，這一階段稱為膨脹階段，此階段電磁閥處于失電狀態。從B 到C 段，氣體壓力幾乎不變，氣體體積迅速增加，這一階段稱為吸氣階段，此階段進氣閥因氣體壓力而自動打開，電磁閥被得電。從C 經Cr 到Dr 段，氣體壓力增大，氣體體積減小，這一階段稱為壓縮階段，此階段從C 經Cr，電磁閥延時得電接通，氣缸內部分氣體回流至入口管道，這就是HRSC 系統壓縮機的缸內回流，實現節約能源的關鍵；此階段從Cr 到Dr，電磁閥失電，進氣閥自動關閉，活塞壓縮氣體。從Dr 到A 段，氣體壓力略微減小，氣體體積迅速減小，這一階段稱為排氣階段，此階段電磁閥處于失電狀態。這就是壓縮機工作的一個完整階段。

圖3 專用進氣閥Fig.3 Special air inlet valve

在壓縮機工作的膨脹、吸氣、壓縮、排氣中，電磁閥得電延時時間的長短決定了回流氣體的多少，也就是減少被壓縮氣體的多少。這樣相比于旁通回流調節方式，實現了壓縮機的電力節能。

1.2 HRSC系統的組成

HRSC 系統的組成有電液執行機構、液壓動力系統、PLC 控制系統和現場儀表等4 大部分。電液執行機構由專用進氣控制閥、液壓執行機構、密封器、防爆高速電磁閥等組成，作用是執行PLC 控制系統發出的指令，打開或關閉電磁閥，使高壓油被接通或斷開，使進氣閥的頂開時間被控制，從而調節壓縮機的排氣量。專用進氣閥是針對該調節系統特點而專門設計，如圖3 所示[3]，它由頂桿、彈簧、壓叉、閥座、閥片、閥桿、限制器等組成。高壓油推動頂桿傳遞到閥桿上，閥桿帶動閥片向下移動，從而實現進氣閥打開，進氣閥關閉是靠彈簧復位。

液壓執行機構組件設計有密封氮氣接管口、漏液接管口、漏氣接管口、進液接管口及出液接管口。漏液接管口的作用是把液壓油系統中少量泄漏的油一起排放至廢油回收罐內；漏氣接管口的設計是出于安全考慮，防止易燃易爆的工藝氣體泄漏到防爆接線盒內；密封氮氣接管口的設計也是出于安全考慮，防止高壓的易燃易爆工藝氣體躥入防爆接線盒內。

液壓油系統由液壓油站、壓力調節閥、油過濾器、風冷器、電加熱器、油路分配器、管路蓄能器、油管路、儀表等組成，液壓油站主要由液壓油泵及電機、油箱、蓄能器、溢流閥、電磁換向閥、節流閥、壓力表、液位計等組成。液壓油系統提供全部電液執行機構高速運行所需要的壓力，油站中的常壓油被油泵加壓至高壓油而輸出，在輸出管路通過調壓器調至目標壓力數值，一般在8MPa ～13MPa 之間。根據現場調試的結果最終確定油壓的大小，設定好后，無需再進行調整。液壓油站還配備了壓力變送器、溫度變送器和液位變送器。壓力變送器用于監測液壓站的油壓，實時顯示油站出口壓力與回油壓力；溫度變送器用來監測液壓站油箱液壓油的實時溫度；液位計的作用是實時顯示油箱中油的液位，并把數值遠傳方便監控。當油箱中的油位低于液位聯鎖值時，禁止啟動油站油泵。該油箱的油位必須設置低液位報警，提示應該加油。

HRSC 控制系統由機柜、西門子S7-300 控制器及卡件、MODBUS 從站、24V 直流電源、48V 直流電源、UPS電源等組成，其中DO 卡采用SM322 數字量輸出卡16 路24VDC/0.5A 高速型。PLC 控制系統是HRSC 系統的核心關鍵設備，它的主要功能是依據機組DCS 控制系統提供的工藝參數值，如一級進氣壓力、三級排氣壓力等。由程序中編制的功能模塊進行運算，計算出電磁閥的延遲關閉時間，該時間數值賦給時間繼電器從而控制DO 卡通道的輸出時間，控制了電磁閥的得電時間，實現了進氣閥開關的控制。運算電磁閥延遲開關時間的功能模塊是HRSC 系統的關鍵技術。

PLC 控制系統還實現了HRSC 系統現場儀表測量參數的監控，這些參數依據運行要求均設計了報警及聯鎖值，在設備出現異常情況時報警或聯鎖，以保證設備的安全。

PLC 控制系統的工藝監控數據可以通過通訊的方式傳給機組原DCS 系統，實現數據共享，方便遠程監控。

HRSC 控制系統在對時間計算時需要一個控制邏輯上時間的參考起始點，這里稱為參考零點。參考零點的測量是由止點位置傳感器實現的，止點位置傳感器可以選用接近開關、轉速探頭、鍵相探頭。止點位置傳感器由感應線圈探頭與感應螺母組成[2]，感應線圈探頭安裝在支架上固定不動，感應螺母固定在壓縮機主軸飛輪上同步轉動。當主軸飛輪轉動時，感應螺母每切割一次感應線圈探頭產生的磁力線，在感應線圈中就產生一個脈沖信號，該脈沖傳送至HRSC 控制系統，作為參考零點。這里選用倍加福的接近開關，型號規格為NCB5-18GM40-NO，可應用于危險區2 區。

2 無級調節控制方案

2.1 HRCS系統與機組DCS控制系統的關系

壓縮機機組主要的控制系統是DCS 控制系統，用于監控壓縮機主機、潤滑油系統、循環水系統、空氣冷卻器等的工藝參數狀態，HRCS 系統只是一種排氣流量調節控制，其給定值來自DCS 控制系統輸出信號。

圖4 DCS控制系統與HRCS控制系統的關系圖Fig.4 Relation diagram of DCS control system and HRCS control system

HRCS 控制系統與DCS 控制系統的關系圖如圖4 所示。當HRCS 系統故障而未投用時，DCS 控制系統通過旁路回流調節閥調節壓縮機的排氣量；當HRCS 系統因故投用時，則由HRCS 系統調節壓縮機的排氣量。HRCS 系統與壓縮機機組DCS 控制系統之間的控制信號采用硬線連接的方式，監控信號采用通信方式輸送至DCS 控制系統。

2.2 HRCS系統時序控制

新奧（舟山）LNG 接收站的往復式壓縮機配置20 個進氣閥，一級前氣缸、一級后氣缸、二級前氣缸、二級后氣缸各配套4 個進氣閥（2 個軸側進氣閥，2 個蓋側進氣閥），三級左氣缸、三級右氣缸各配套2 個進氣閥（1 個軸側進氣閥，1 個蓋側進氣閥）。壓縮機有多個氣缸，下面以1 個氣缸為例說明時序控制。實際上，壓縮機每一列氣缸在壓縮機運行過程中的狀態以曲柄夾角計算出動作時序值，當壓縮機進入吸氣階段，電磁閥開始失電，進氣閥因缸內氣壓打開，在某一時刻電磁閥得電致使進氣閥閥片緊密貼合在限制器上；在進入壓縮階段時，電磁閥得電狀態被延長，閥片保持貼合在限制器上，多余氣體不經過壓縮自動排入進氣管路中。這樣就可實現一個氣缸內部氣體回流節能的功能。電磁閥的打開時刻與延時時間是HRCS 系統依據壓縮機活塞運動的周期與工藝負荷綜合運算給出的。

在壓縮機活塞的整個運行周期中，蓋側進氣閥與軸側進氣閥的動作在時序上相差半個周期（對應曲柄轉角π）。所以在調節控制過程中，同一個氣缸的蓋側進氣閥與同一個氣缸的軸側進氣閥保持同時動作，則蓋側進氣閥與軸側進氣閥之間動作時序上相差半個周期。

2.3 HRCS系統控制變量

HRCS 系統的主控變量建議選用排氣流量、排氣壓力、進氣壓力，其中以壓縮機的排氣壓力作為主控變量的情況比較多，保持控制變量的穩定是控制系統的要求。本廠的壓縮機以一級進氣壓力、一級排氣壓力、三級排氣壓力作為主控參數，實現運行后達到預期效果。

表1 HRCS系統與DCS控制系統信號交換表Table 1 Signal exchange table of HRCS system and DCS control system

圖5 HRCS系統切除與投入示意圖Fig.5 Schematic diagram of HRCS system resection and input

2.4 HRCS系統與DCS控制系統的信號交換

HRCS 系統與DCS 控制系統之間的信號交換，見表1。

2.5 HRCS系統投入與切除

壓縮機運行后，HRCS 系統切除與投入示意圖，如圖5所示。

2.6 HRCS系統報警及聯鎖的設置

HRCS 系統監控其設備正常運行的工藝參數，這些參數包括進氣閥溫度、油站的油溫與液位、油壓。

1）進氣閥溫度：一個進氣閥溫度大于65℃，產生高溫度報警，說明此電液執行機構或者氣閥故障；同一氣缸蓋側或軸側相鄰溫度之差大于5℃，產生溫差高報警；同一氣缸蓋側溫度與相鄰軸側溫度之差大于10℃，產生溫差高報警。

2）油站油溫：油溫大于70℃，產生高報警信號，說明油站油回路或冷油器故障；如果油溫繼續上升，超過80℃時，觸發高高報警信號，聯鎖切除HRCS 系統，壓縮機在原DCS 控制下繼續運行。

3）油站液位：液位小于70%，產生低液位報警，提示立刻給油站加油。

4）油壓：供油油壓低于設定的報警值為11MPa，觸發油壓低報警信號，表明油站故障或油路泄漏嚴重；壓力小于10MPa 時，產生低低報警后，同時聯鎖油站停止工作，自動切除HRCS 系統，原DCS 控制壓縮機繼續工作。

3 HRCS系統節能計算

假設壓縮機的額定軸功率為P，負載為W。由于摩擦阻力以及氣體回流產生的阻力損失，即使壓縮機處于零負荷也會損失一定的軸功率，此數值約占壓縮機額定軸功率的5%。試驗結果顯示，壓縮機的軸功率與排氣量呈準線性關系，則壓縮機在W 負載下的軸功率為：

按照壓縮機年運行T 小時，一年節省的電量M 為：

由節電量計算公式（2）推知，額定軸功率越大，節電量越多；壓縮機運行負荷越低，節電量越多；運行時間越長，節電量越多。例如壓縮機軸功率為2000kW，負載為60%，年運行8000h，則一年節電量為：

4 存在問題

因為往復式壓縮機的結構布置，使安裝在機體側氣缸上的電液執行機構缺少必要的檢修空間，尤其是壓縮機中間軸側電液執行機構位置人員難以到達，定期維護及檢修困難；電液執行機構內部安裝一個熱電阻，如果該傳感器損壞，備件更換費時費力；電液執行機構使用的高壓橡膠軟管是專門定制的非標產品，更換時成本較高。

5 結論

新奧（舟山）LNG 接收站的天然氣壓縮機運行一年多時間，采用HRCS 氣量無級調節系統作為負荷調節，以自動控制代替了手動控制，以無級調節代替了旁路回流調節，操作方便，節約了大量電能，達到了降本增效的目的。