新氫壓縮機節能改造及其效益分析

朱文濤，李寶強，梅 勝，何 迎

（陜西延長石油（集團）有限責任公司延安石油化工廠，陜西延安 727406）

0 引言

延安石油化工廠240 萬噸/年柴油加氫精制裝置投產于2014 年8 月，主要生產符合國Ⅴ標準的柴油產品。新氫壓縮機（011-K-101AB）是該裝置的關鍵設備，也是主要耗能設備，其作用是將氫氣管網來的氫氣增壓，供其參與加氫精制反應。該壓縮機為兩列兩級、對稱平衡式布置，采用卸荷器調節（機械式氣量調節控制閥控制儀表風壓開吸氣閥調節），可實現0%、50%及100%三檔氣量調節，并配有旁通調節進行輔助調節。

主要技術參數：排氣量（吸入狀態）為29.6 m3/min，轉速為333 r/min，電動機額定功率2400 kW，額定電壓10 000 V，功率因數為0.89。

1 應用中存在的問題

（1）能耗較大。當裝置滿負荷運行時，新氫壓縮機僅需約55%負荷，即可滿足工藝生產對新氫量的需求。但該壓縮機僅有0、50%及100%三檔氣量調節，因此約45%負荷的氣量需要通過旁通返回至壓縮機入口分液罐，造成了能源浪費。

（2）進氣閥及活塞環壽命短。當加工量低于260 t/h 時，壓縮機僅需50%以下負荷，即可滿足工藝的需求。當壓縮機處于50%負荷運行時，氣缸外側的進氣閥處于長期壓開的狀態，部分氣量始終在該吸氣閥處吸入和排出，使吸氣閥、活塞環長期處于高溫狀態，加速了氣閥非金屬閥片和活塞環的老化。

（3）機械故障風險高。當長期處于50%負荷工況運行時，壓縮機氣缸單側卸載，活塞桿較長時間處于單向受力狀態，造成十字頭銷等部位潤滑不良，加速磨損，發生機械故障的風險較高。

2 改造方案的選擇

往復壓縮機常用的氣量調節方式有旁通調節、卸荷器調節、變轉速調節、余隙腔調節和氣量無級調節。

2.1 增設變頻調速系統

變頻調速系統適用于交流異步電動機的無級調速，不僅有結構簡單、安裝維護方便、操作簡單、過載能力強等優點，而且能大大降低設備（額定電流內）啟動電流，實行軟起動，緩解對電網的沖擊[1]。但是，新氫壓縮機的運動機構（曲軸、連桿、十字頭等）采用強制潤滑，而運動機構重量較大，低速運轉不利于油膜的建立。

往復式壓縮機的曲軸在旋轉時有一個運動死點，一般在曲軸的一側或兩側設置配重盤（即飛輪），來增加曲軸旋轉時的慣性力。如果實際運轉速度低于額定轉速的60%，則會造成運轉到死點時電機功耗達到極限或燒電機，其調節范圍過窄。因此，變頻調速系統適用于驅動功率很小的壓縮機，該大型壓縮機不適合增設變頻調速系統。

2.2 增設余隙腔調節系統

余隙腔調節是指在固定余隙調節的基礎上，將固定余隙改造成連續可調的可變余隙[2]。即增加一個余隙缸，與原外側氣缸相連通，通過控制余隙的大小實現氣量的控制。

該方案的改造費用略低于氣量無極調節系統的改造，但是系統的調節范圍較窄，僅能進行70%～100%負荷的無級氣量調節，在實際應用中有一定局限性。因此，該改造方案非最佳選擇。

2.3 增設HydroCOM 氣量無級調節系統

HydroCOM 氣量無級調節系統是通過液壓驅動的卸荷機構讓進氣閥延遲關閉，使多余部分氣體未經壓縮而重新返回到進氣系統，僅壓縮實際需要壓縮的氣量。通過該方式可以有效控制每一個行程的氣量，理論上可實現0 至100%氣量的調節。

HydroCOM 氣量無級調節系統的改造，僅需更換6 套進氣閥、配置一個小型液壓油站，增設相應的控制線纜及元件。設備自身結構不需任何改變，改造較為簡單（圖1）。因此，增設HydroCOM 氣量無級調節系統為新氫壓縮機最佳節能改造方案。

圖1 HydroCOM 氣量無級調節系統

3 氣量無級調節系統的節能原理介紹

HydroCOM 源于英文“hydraulically actuated computerised compressor control system”，即氣量無級調節系統或無級氣量調節系統。

根據往復式壓縮機實際循環情況，沒有氣量無級調節系統的情況下，d→a 是氣體在氣缸內的膨脹過程，a→b 是吸氣過程，b→c是壓縮過程，c→d 是排氣過程（圖2）。a→b→c→d→a 所組成的面積，即為一個行程內所消耗的功。在氣量無級調節系統中，進氣閥通過卸荷器來約束密封元件，而卸荷器又是通過Hydro－COM 執行機構來驅動。當進氣閥開啟之前，執行機構內部的電磁閥換向，液壓油瞬間進入到執行機構的液壓缸，高壓活塞推動卸荷器向閥蓋側移動?；钊ㄟ^b 點之后，當壓縮機運行在設定負荷時，卸荷器使進氣閥的關閉時間延遲，故而氣缸指示壓力由b 點變到e 點。當氣體從氣缸回流到進氣緩沖罐時，氣缸內實際壓縮的氣體將減少。當在e 點時，電磁閥換向，液壓油又從高壓缸內卸出，卸荷器向上移動，進氣閥關閉[3]。壓縮曲線由e 到f。e 和f 的位置隨負荷設定值的減小而向左移動，a→b→c→d→e→f 所圍成的面積（即消耗的功）成比例的減小。

圖2 實際循環指示功

4 效益分析

（1）通過對新氫壓縮機節能方案的比較選擇，確定了增設無級氣量調節系統的方案，并于2020 年大修過程中完成改造。改造后，壓縮機組運行良好，完全符合生產及安全的需求，并且降低了耗電量，經濟效益顯著（圖3）。該壓縮機電機功率因數cosφ=0.89，電壓10 000 V，電流較改造前降低了20 A。由UIcosφ 可算出節約功率為308 kW，按每年運行8000 h 計算，每年可節電246.4 萬千瓦時。按照工業用電成本0.5 元/（kW·h）計算，全年可節約用電成本123.2 萬元。該系統改造費用約85 萬元，不到一年即可收回成本。

圖3 增設無級氣量調節系統后現場效果

（2）改造后，任何負荷運行過程中，進氣閥處溫度始終處于正常范圍，且活塞兩側載荷均勻，進氣閥及十字頭銷的使用壽命得以有效延長，機械故障的風險降低。

5 結論

通過對新氫壓縮機節能改造方案的分析、比較，選擇并實施了增設HydroCOM 氣量無級調節系統，不僅新氫壓縮機能耗過大的問題得到了很好的解決，還滿足了工藝生產的需求，獲得了可觀的經濟效益。