往復壓縮機無級氣量調節在煤液化的應用

李建新，王喜武

（國家能源集團鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

往復式壓縮機作為石油化工領域的“通用機械”，將原動機的動力能轉化為氣體的壓力能，提升氣體壓力和氣體輸送而被廣泛應用，發揮著不可替代的作用。往復式壓縮機具有輸送氣量相對較小、排氣壓力高、出口脈動大等固有屬性，生產規模擴大后設備更是趨向于大型化，因此近年來對往復式壓縮機的研究更加專注于運行控制、故障診斷、節能降耗等方面。

往復式壓縮機的氣量調節有多種方式，目前國內外常用的方式有旁路調節、可變余隙調節、變頻調節、全行程頂開吸氣閥和部分行程頂開吸氣閥調節等。經過眾多專家學者研究證明，部分行程頂開吸氣閥調節方式具有效率高、可靠性高、能耗低、調節范圍廣、操作簡單等諸多優點，也被稱為無級氣量調節。

針對煤液化裝置的循環氫壓縮機而言，每臺機組的額定流量為70 713 m3/h，而裝置系統需要的循環氫氣流量為95 000 m3/h，需要一臺機組全部并入運行，另一臺機組只需要34%的流量并入系統，其余66%的流量需要旁路調節，造成巨大的電能浪費。從節能降耗角度出發，引進無級氣量調節系統進行優化操作。

1 無級氣量調節技術主要發展歷程

壓縮機無級氣量調節技術在國外研發起步較早，1972 年，美國英格索蘭公司（Ingersoll-Rand）開發的無級氣量調節系統，采用氣動液壓控制，可保持吸氣閥打開，根據生產需要進行卸載，但在工業中沒有得到充分應用。20 世紀90 年代后期，美國德萊賽蘭（Dresser-Rand）在氣量調節系統上開始采用電子控制裝置，并得到了成功應用。奧地利賀爾碧格（Hoerbiger）公司在氣閥方面進行深入探索，1995 年開發出了HydroCOM 系統并申請了專利，節能效果突出，1997 年首次推入市場應用。2012 年在德國展示了新一代無級氣量調節系統eHydroCOM，工作原理與HydroCOM 相同，區別在于舍棄了液壓系統和液壓元件，使用電磁驅動系統取代液壓系統，僅有數據和電力線纜與控制柜連接，此系統將成為未來發展趨勢。但因價格昂貴，在國內的應用受到很大限制，同時也激起了國內的研發步伐。

在國內，多家研究機構研究將在壓縮機氣閥的流量控制改為無級氣量調節系統，其中浙江大學進行了比較深入的研究，不斷改進控制吸氣閥的工作時間占比，最終達到無級氣量調節的目的。也有不少的研究機構成功借鑒了國外運行成熟的無級氣量調節的設計理念，通過不斷的升級改造，形成自主知識產權的控制系統，如無錫康茨壓縮機配件與系統有限公司開發的DidroCOM 氣量無級調節系統，無級調節與分擋調節相結合的集成化控制方案填補了進口系統的空白，保留原有壓縮機全行程頂開吸氣閥的分檔控制器，為無級控制系統故障期間（HPU 液壓油站正常）壓縮機正常啟停護航，智能人機信息交換界面使得各項參數設置簡潔高效，該系統在煤制油技術上已經得到了成功應用。

2 往復式壓縮機氣量調節方法

2.1 旁路調節

旁路調節是將壓縮機出口的高溫高壓氣體通過排氣管線、冷卻器、分液罐、調節閥等返回至壓縮機入口的一種調節方法。雖然能有效調節生產系統所需的氣量，但都是壓縮機耗能做功之后的高壓氣體返回來實現氣量調節。調節閥承受較高的差壓，閥組件的磨損、振動、噪聲是此種調節方式的弊端。

2.2 可變余隙調節

在壓縮機的氣缸上，除固定余隙容積外，另外設有一定的空腔，調節時接入氣缸工作腔，使余隙容積増大，容積系數減小，排氣量降低，這就是余隙腔調節的工作原理。按照補助容積接入的方式不同，又分為連續的、分級的以及間斷的調節，多用于大型工藝壓縮機。這種調節方式的主要缺點是：通常是手動調節，且響應速度慢，一般需與其他調節方式配合使用。可調余隙調節只對氣缸蓋側調節，調節范圍一般為60%～100%，調節范圍相對較窄，系統的可靠性較差，易損件多，難于維護。

2.3 變頻調節

轉速調節即通過改變壓縮機的轉速來調節排氣量。這種調節的優點是氣量連續、功率消耗小、壓縮機各級壓力比保持不變、壓縮機不需設專門的調節機構等；但它僅廣泛使用在驅動機為內燃機和汽輪機的壓縮機上，如果驅動機為電機，則需要配置變頻器。由于大功率、高壓變頻器價格昂貴，而且需要大量的維護、維修工作，因此，目前在電機驅動的往復式壓縮機上很少采用該方法。此外，變轉速調節可能會對壓縮機的工作產生不良影響，如氣閥顫振、部件磨損大、振動増加、潤滑不充分等，限制了該方法的應用。

2.4 全部行程頂開吸氣閥調節

全部行程頂開吸氣閥調節是在壓縮機活塞運行的全部行程中，吸氣閥始終處于強制頂開狀態，氣體從壓縮機吸氣閥吸入壓縮后又從吸氣閥排出的過程。對于雙作用式壓縮機而言，再加上固定余隙的配合調節，根據電磁閥控制的儀表風作用在吸氣閥上卸荷器的設計布置，多數可以分為0%、25%、50%、75%、100%等分擋控制的有級調節方式。該調節方式調節跨度大，只適用于粗調節，最適合用于大型往復式壓縮機開停機，保證壓縮機開機時從空載逐步加載、停機時由滿載逐步降至空載的一個控制過程，壓縮機正常運行期間并不參與氣量控制。

2.5 部分行程頂開吸氣閥調節

部分行程頂開吸氣閥調節是在吸氣閥上安裝液壓驅動的執行機構，使吸氣閥延遲關閉并控制關閉時間，從而獲得不同的排氣量，它能夠實現0～100%全量程的無級、連續調節。此種調節只壓縮實際需要的氣體，利用回流省功的原理，使壓縮機指示功消耗與實際容量流量成正比，具有調節效率高、氣量調節連續的優點，是一種節能效果顯著的氣量調節方式。由于對執行機構的動態響應、可靠性，對控制系統的穩定性等有非常高的要求，因此研發難度大。

3 煤液化技術應用的無級氣量調節原理與系統組成

3.1 調節原理

往復式壓縮機的工作原理是將電機的圓周運動，通過曲軸連桿機構轉化為活塞桿的往復式直線運動。活塞桿帶動活塞在氣缸中同樣實現往復式直線運動，使得氣缸的兩側形成容積交替變化的雙作用式做功單元。在電機旋轉一周中氣缸內部兩側分別形成膨脹、吸氣、壓縮、排氣4 個階段。

在無級氣量調節過程中，壓縮階段吸氣閥被執行機構強制打開，延遲關閉時間，一定量的氣體便會回流到壓縮機入口，實際形成了膨脹、吸氣、回流、壓縮、排氣5 個階段，這部分回流氣體理論上未經壓縮所以沒有溫升、也沒有消耗電機的電能，這就是無級氣量調節系統節能原理（圖1）。在某一個精確定義的時間點，卸荷器復位后吸氣閥關閉，只有保留在氣缸內的氣體參與壓縮過程，在滿足工藝氣量要求的同時節約電能。

圖1 無級氣量調節原理

3.2 系統組成

系統由五大部分組成，分別為HPU 液壓油站、ECU 機柜、液壓執行器、分檔調節器和專用氣閥。

在無級氣量調節系統內嵌入分擋調節器，也就是保留了壓縮機原有的全部行程頂開吸氣閥調節方式，主要是考慮無級氣量調節系統故障期間（HPU 液壓油站正常），可以通過分擋調節器進行壓縮機的零負荷啟動、逐步加載運行和停機過程中逐步降載至零負荷停機而專門設置的調節方式。如果缺少分擋調節器，無級氣量調節系統故障期間，壓縮機無法進行正常啟停，只能帶載啟停，對驅動電機、壓縮機動力部件都有很大的沖擊力，甚至可能造成機組主要動力部件損壞。

3.2.1 HPU 液壓油站

HPU 液壓油站主要用于為活塞壓縮機無級氣量調節系統提供液壓能源，工作原理如圖2 所示。

圖2 HPU 液壓油站工作原理

3.2.2 ECU 機柜

ECU 機柜提供DidroCOM 系統內部和用戶DCS控制系統的信號交換處理功能，是連接DidroCOM和用戶DCS 系統的橋梁。主要包含24 VDC 電源模塊、接口控制單元、壓縮機活塞相位信號、高壓油站相關參數信號等，通過PLC 程序控制，RS-485 總 線控制執行機構中高頻電磁閥動作頻次，從而實現無級氣量調節目的。

3.2.3 液壓執行器

液壓執行器是一組通過卸荷器對氣閥進行控制的部件總和，由HPU 液壓油站提供實現該動作功能所需的機械動力，ECU 進行實時控制、提供電源。

液壓執行器裝置為高速數字控制閥總成，結構緊湊、響應快速、動作準確、重復性好、抗污染能力強、內泄漏小、可靠性高，最顯著的特點是能夠直接接受數字信號實現對液壓柱塞直線運動的高速控制，從而實現對壓縮機進氣閥的高速啟閉控制。

工作原理：壓力油從進油口管接頭組件流入，經單向閥流入活塞中，當無觸發信號時，控制口與進油口連通，通過柱塞推動負載運動。當有觸發信號時，線圈通電，控制口與進油口斷開、控制口與出油口連通，在負載反力的作用下控制口油液從出油口排出，活塞桿回位；線圈斷電，控制口與進油口連通、控制口與出油口斷開，液壓油由進油口進入控制口、柱塞推動氣閥卸荷器、閥片運動（圖3）。

圖3 液壓執行器

3.2.4 分擋調節器

對于無級氣量調節系統來講，HPU 液壓油站輸出的高壓進油管線可以用一根總管供油，再分支到各個液壓執行器直接提供動力源即可實現無級氣量調節。根據壓縮機的特殊工藝要求，在每一分支高壓進油管線上安裝電磁閥，再對每一分支電磁閥進行編程控制，使之達到壓縮機原有的全部行程頂開吸氣閥調節方式，即為分擋調節器。

分檔調節器分為停用狀態和投用狀態。停用狀態即電磁閥處于失電常開狀態，確保各個分支高壓進油暢通，該狀態為無級氣量調節系統的應用狀態；投用狀態即為電磁閥得電關閉狀態，確保各個分支高壓進油切斷，該狀態為全部行程頂開吸氣閥調節的應用狀態。其中控制權限為分擋控制優先于無級氣量調節控制。

3.2.5 專用氣閥

無級氣量調節系統配合使用的氣閥為專用氣閥，與傳統的全行程頂開吸氣閥調節系統所用的氣閥有著本質的不同。

（1）氣閥的動作頻率不同。全行程頂開吸氣閥調節系統所用的氣閥根據壓縮機的運行轉速及輸送氣體的差壓進行自然狀態的啟閉動作，對于閥片彈簧、卸荷器彈簧的動作靈敏程度沒有苛刻的要求；對于專用氣閥而言，因為對氣量的控制要求，因此要對氣閥的啟閉動作時間進行實時控制，要求氣閥的閥片啟閉動作靈敏、彈簧部件精準可靠。

（2）氣閥的通量不同。全行程頂開吸氣閥調節系統所用的氣閥為平面閥，氣體流通阻力大、通量小；專用氣閥采用最新研發的型面網狀閥，氣體流通阻力較小、通量大（圖4）。

圖4 型面網狀閥

（3）氣閥的結構形式不同。原始設計的吸氣閥為全行程調節式吸氣閥，專用氣閥為部分行程調節式吸氣閥，從卸荷器頂桿部分有著本質的區別；原始設計的排氣閥為開式氣閥，氣體通量大、設計強度相對較低、安全性相對較差；專用氣閥因采用網狀弧面氣閥，同比氣體通量大，所以升級為閉式氣閥，安全性大幅度提高。

（4）氣閥承受的壓力沖擊不同。主要體現在吸氣閥上，全行程頂開吸氣閥調節系統所用的氣閥在活塞進行壓縮沖程時承受的關閉壓差相對緩慢；專用氣閥在同期承受的關閉壓差相對急促，沖擊力相對較大，所以對吸氣閥各部位的密封提出相對苛刻的要求。

通過上述分析，無級氣量調節系統在初期調試過程中，遇到的吸氣閥溫度始終偏高的問題得以解決。

通過全行程頂開吸氣閥調節系統所用的氣閥與專用吸氣閥各個密封部位設置對比可知，無級氣量調節系統專用氣閥對每個密封部位的要求非常苛刻，全行程頂開吸氣閥調節系統所用氣閥的密封抵擋不住專用氣閥所受的壓力沖擊，這就是初期調試期間吸氣閥溫度偏高的原因。

4 煤液化技術應用無級氣量調節節能效果分析

煤液化技術應用的無級氣量調節節能效果分析見表1，平均每月節約費用約18 萬元，節能效果顯著。

表1 無級氣量調節系統與全負荷系統運行數據

5 結語

概述往復式壓縮機氣量調節的發展歷史，通過分析目前的往復式壓縮機氣量調節方式，最終煤液化技術選用最適合工藝生產的部分行程頂開吸氣閥調節（即無級氣量調節）方式。從理論論述到實際運行數據分析，充分證實無級氣量調節節能效果在煤液化技術上的應用成效顯著。