無級調速系統控制說明及經濟分析

夏祖虎（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州516086）

0 引言

國內某石化公司煤化工聯合裝置低溫甲醇洗單元長期低負荷運行，其循環氣壓縮機（往復式）按裝置滿負荷選型。正常操作時，壓縮機入口循環氣流量不足設計值的50%，啟機后循環氣大量回流，機出口溫度高于聯鎖值（135℃），無法實現機組連續運行，循環氣放空至火炬，造成物料浪費，影響企業經濟效益。經研究，決定增設無級氣量調節系統，確保機組在低負荷下安全穩定運行，回收有效氣體，實現降本增效。

1 工藝說明

在中壓閃蒸塔降壓閃蒸后的循環氣至循環氣壓縮機K201入口分液罐D201 進行分液，經K201 加壓，在循環氣壓縮機出口冷卻器E203中冷卻，最終返回至工藝氣系統，從而實現有效氣體的回收，工藝流程如圖1：

圖1 循環氣壓縮機工藝流程

循環氣壓縮機K201 入口壓力PC20202 為分程控制，通過放空閥PV20202A 和回流閥PV20202B 控制壓縮機入口分液罐D201入口壓力[1]。

2 無級調速簡介

2.1 無級調速工作原理

無級氣量調節系統由數字化電液執行機構DEHA、電控單元ECU 及液壓單元HPU 等部分組成，系統可實現工業化總線控制，DCS 與ECU 之間可以實現工業級以太網方式連接，執行器之間采用BUS總線通訊，可實現獨立PLC控制。

在往復壓縮機所有進氣閥安裝無級調速執行機構，其執行的控制任務是：在壓縮機非100%負荷下，延遲壓縮機進氣閥的關閉動作，調速執行機構所需的動力來源于配套的液壓油站（HPU）。

電液執行機構DEHA 與電控單元ECU 之間通過RS485 總線進行信號傳遞，ECU給DEHA提供控制信號，并協助DCS/PLC與無級調速系統之間信號交流，進而實現閉環控制。

DCS、PLC 等回路控制器與無級調速之間的信號為模擬量及二進制開關量信號，同時電控單元ECU 也提供了Modbus接口。

上死點傳感器可同步測量壓縮機的轉速，并能實時提供壓縮機活塞在氣缸中的即時位置給電控單元ECU ，執行機構DEHA據此控制壓縮機進氣閥的打開及關閉時間，這樣，在控制室內輸入需求參數值就可以實現往復式壓縮機的氣量調節。使用了無級調速系統，在壓縮機活塞的三個往復周期內就可以改變壓縮機的氣量輸出，在需要迅速和精準控制的工況下，無級調速是往復式壓縮機氣量調節的理想模式。

2.2 無級調速控制原理

無級調節的原理可理解為“氣體回流，節省做功”，就是在壓縮行程中，使部分工藝氣未經過壓縮而返回到壓縮機進氣總管，原理如圖2所示：

圖2 回流省功原理

壓縮機氣缸的指示壓力值顯示在P-V 圖上。當位置在下死點（圖中C點）時，壓縮行程開始。在沒有無級調速系統的情況下，壓縮機在100%負荷工作時，一旦活塞通過圖中BDC 位置，氣體迅速被壓縮。當壓縮機氣缸指示壓力達到D 點時，排氣閥打開，氣體從氣缸排處。當活塞位于上死點（圖中A 點）時，膨脹過程開始。氣體在余隙一定的氣缸內膨脹，當氣缸壓力達到吸氣壓力B點時，進氣閥打開，氣體進入氣缸。

3 壓縮機控制邏輯

增設循環氣壓縮機無量調節系統后，機入口壓力控制邏輯變更如下：

（1）原循環氣壓縮機入口壓力控制回路PC20202由分程控制改為單回路控制，僅控制放空閥PV20202A；

（2）新增壓力控制回路PC20202A，分程控制回流閥PV20202B和無級調速控制系統，在少量循環氣返回時，先啟用PV20202B，大于某一數值時，采用氣閥調節控制（此時PV20202B關閉）。

循環氣壓縮機無級調速系統PY910601以壓縮機進氣壓力為控制變量，PC20202A 分程控制PY910601 的負荷和PV20202B的開度，實現氣量調節，詳細操作說明如下：

（1）PY910601由系統自動設置為串級模式；

（2）當YS910601=1（ECU投用）且PY910601投串級時，分程模式1；否則選用分程模式2；

（3）啟動循環氣壓縮機K201過程：

①將PC20202A設為手動模式，mv=0，PY910601串級模式，PV20202B串級模式；

②啟動壓縮機主電機，壓縮機空載運行20秒以上；

③PC20202A.mv從0→10%→20%，此時PV20202B全關，壓縮機負荷由PY910601控制為20%；

④繼續增加PC20202A.mv，直到氣量達到要求，將PC20202A改為自動模式。

控制邏輯如圖3所示：

圖3 無級調節系統分程控制邏輯

4 經濟核算

循環氣中H2、CO 及CH4為有效氣成分，若將循環氣全量回收，實現90%的H2并入H2管網，剩余的H2及CO、CH4并入燃料氣系統，僅考慮H2價值，經濟核算如下：

（1）回收氫氣量：5215*0.23356*0.9=1096Nm3/h，換算為質量流量：1096*0.0899=98.53kg/h，日回收氫氣質量：98.53*24=2365kg=2.365t

（2）壓縮機日耗電量（按額定功率740kW 考慮）：740*24=17760kWh

（3）經濟效益計算：

日產氫氣價值（噸氫價格12000元）：2.365*12000=28380元

機組日耗電費用：17760*0.5=8880元

日效益值（不考慮運維成本）：28380-8880=19500元

無級調速系統報價60萬元（含設備及安裝、調試費用），按實際工況，循環氣壓縮機連續無故障運行31天后可收回成本。

5 結語

目前，無級調速系統廣泛應用于石油化工行業，可實現往復式壓縮機負荷線性調節，避免了裝置生產運行過程中氣體放空及過多回流，同時降低了壓縮機運行電耗，顯著提升了企業經濟效益和市場競爭力。