許士科 徐 力 王榮陳

新能鳳凰﹝滕州﹞能源有限公司山東滕州277527)

低溫甲醇洗氨冷凍壓縮機(jī)節(jié)能控制改造

許士科 徐 力 王榮陳

新能鳳凰﹝滕州﹞能源有限公司山東滕州277527)

2套MCL526+3MCL527氨冷凍壓縮機(jī)組用于新能鳳凰(滕州)能源有限公司(以下簡稱新能鳳凰公司)的700 kt/a甲醇裝置，汽輪機(jī)帶動壓縮機(jī)處理由低溫甲醇洗裝置來的氣氨，為低溫甲醇洗裝置提供冷量，滿足低溫甲醇洗裝置的生產(chǎn)需求。在實際運(yùn)行中，機(jī)組一直存在回流，運(yùn)行成本較高，且沒有實現(xiàn)入口壓力自動控制功能。

1 工藝反應(yīng)原理

1.1 工藝流程

氨壓縮制冷裝置的工藝氣系統(tǒng)由一期和二期2套單獨系統(tǒng)組成，進(jìn)界區(qū)氣氨管線和出界區(qū)液氨管線一、二期公用。

低溫液氨在蒸發(fā)器中吸收熱量蒸發(fā)成氣態(tài)，部分經(jīng)過一段分離器后進(jìn)入離心式壓縮機(jī)，經(jīng)低壓缸壓縮后進(jìn)入中間冷卻器，冷卻后與經(jīng)過二段分離器的部分氣氨混合，然后進(jìn)入高壓缸再次壓縮，再經(jīng)防喘振冷卻器及氨冷凝器進(jìn)行冷卻，冷凝后的液氨送入液氨貯槽。

1.2 冰機(jī)裝置

氨冷凍壓縮機(jī)為二缸三段離心式十三級壓縮機(jī)，為了降低溫升、減少耗功，在壓縮機(jī)的低壓缸和高壓缸間設(shè)計了1臺冷卻器，高壓缸段間設(shè)置了1臺氣體冷卻器。壓縮機(jī)設(shè)計了2路防喘振回路，一路從壓縮機(jī)高壓缸出口回到加氣入口，另一路從壓縮機(jī)低壓缸出口回到壓縮機(jī)低壓缸進(jìn)口。

壓縮機(jī)機(jī)組采用ITCC控制系統(tǒng)，其控制器采用TRICONEX TS3000系列三重冗余容錯控制系統(tǒng)，完成機(jī)組的常規(guī)參數(shù)檢測、顯示和控制，汽輪機(jī)調(diào)速、超速保護(hù)及壓縮機(jī)的防喘振控制功能、汽輪機(jī)的三取二超速保護(hù)在ITCC系統(tǒng)中實現(xiàn)。

汽輪機(jī)為氨冷凍項目驅(qū)動壓縮機(jī)用，為凝汽式，型號NK25/28。汽輪機(jī)為單出軸，單側(cè)進(jìn)汽，采用向上進(jìn)汽和向下排汽的結(jié)構(gòu),帶有保溫材料和罩殼,汽缸上裝有疏水閥，所有的疏水口最后都集中到疏水膨脹箱。汽輪機(jī)帶有表面式冷凝器和液位自動調(diào)節(jié)裝置，并配有兩級射汽抽氣裝置，以保證冷凝器能正常工作。

2 氨冷凍壓縮機(jī)控制改造背景

新能鳳凰公司2臺氨制冷壓縮機(jī)目前并聯(lián)運(yùn)行，為實現(xiàn)氨冷凍機(jī)組自動控制、調(diào)速系統(tǒng)串級調(diào)節(jié)和減小喘振閥開度、降低機(jī)組能耗、消除機(jī)組的喘振及停車風(fēng)險、實現(xiàn)機(jī)組長周期穩(wěn)定安全運(yùn)行，對冰機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)改造。氨制冷壓縮機(jī)運(yùn)行中存在以下問題：

(1) 二期壓縮機(jī)入口壓力顯著低于總管壓力，存在壓力損失。

(2) 氨制冷壓縮機(jī)控制系統(tǒng)不能投全自動運(yùn)行，目前采用手動控制。手動控制在工藝波動時存在易導(dǎo)致壓縮機(jī)喘振或突然停車的風(fēng)險，影響壓縮機(jī)的長滿優(yōu)運(yùn)行，甚至?xí)绊懙饺到y(tǒng)的運(yùn)行。

(3) 高、低壓缸喘振線不準(zhǔn)確，操作人員憑經(jīng)驗手動操作回流閥，導(dǎo)致壓縮機(jī)回流閥開度大，其中：一期壓縮機(jī)低壓缸的回流閥FVI- 2530開度為34%；二期壓縮機(jī)低壓缸回流閥FVI- 2530開度為44%，F(xiàn)V- 2533B開度為58%。壓縮機(jī)回流閥開度大會導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行能耗過高，一期蒸汽耗量10.9 t/h，二期蒸汽耗量8.8 t/h 。

(4) 流量/壓力變送器安裝在取壓點下方，且變送器引壓管較長，達(dá)到6 m以上，流量/壓力測量滯后時間較長，同時引壓管內(nèi)部會出現(xiàn)凍凝問題。

(5)三回一、三回二回流閥FV- 2530，F(xiàn)V- 2530B和FV- 2533，F(xiàn)V- 2533B不是專用的防喘振閥門，全開/全關(guān)時間估計在10 s以上，動作時間較長。

(6) 沒有準(zhǔn)確的壓縮機(jī)高、低壓缸喘振線，導(dǎo)致壓縮機(jī)的操作沒有依據(jù)，操作高、低壓缸回流閥很容易造成壓縮機(jī)喘振，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)葉片及密封的損傷，使壓縮機(jī)效率降低，機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用也會相應(yīng)增大。

(7) 2臺壓縮機(jī)之間沒有協(xié)調(diào)控制，負(fù)荷不均衡。

3 項目改造情況

3.1 控制目標(biāo)

(1) 重新精確計算新能鳳凰公司氨冷凍壓縮機(jī)的喘振線和機(jī)組性能，并進(jìn)行現(xiàn)場實測喘振曲線。

(2) 優(yōu)化一段和二/三段防喘振控制、性能控制及回路間的解耦控制，消除壓縮機(jī)的喘振威脅，尤其是工藝裝置開工初期的喘振，并使得喘振閥能夠在開車初期即投入自動，并盡可能減小回流閥開度。

(3) 性能控制器控制壓縮機(jī)入口壓力，在開工初期即投入全自動運(yùn)行。同時，速度控制器投入遠(yuǎn)程，性能控制器輸出作為速度控制器遠(yuǎn)程設(shè)定值。

(4) 壓縮機(jī)性能控制器及防喘振控制器確保氨制冷壓縮機(jī)(二期)入口壓力不低于低限設(shè)定值，出口壓力不高于安全閥起跳值。

(5) 通過采用壓縮機(jī)入口壓力超馳控制(POC)方案自動抵消制冷工藝過程大幅度波動所導(dǎo)致的氨制冷壓縮機(jī)入口壓力波動。提高自動化操作水平，實現(xiàn)全自動控制，縮短開工時間，使操作人員工作量最小，只需通過設(shè)定氨制冷壓縮機(jī)入口壓力性能控制器目標(biāo)值，即可控制氨制冷壓縮機(jī)(二期)的轉(zhuǎn)速。

(6) 提高壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性，降低機(jī)組和工藝的停車率。采用全冗余控制系統(tǒng),結(jié)合現(xiàn)場回路診斷和退守策略,大大提高控制系統(tǒng)的可靠性,降低故障概率。

3.2 改造方案

(1) 對防喘振控制閥門進(jìn)行校驗，確保閥門開關(guān)平滑無卡澀。測定防喘振閥門由4～20 mA驅(qū)動的行程時間，如顯著超過2 s，則安裝體積加速器以提高閥門運(yùn)行速度。

(2) 為避免引壓管積液影響測量信號準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場所有壓力變送器、差壓變送器從地面移位到機(jī)組二樓，重新配置引壓管。從取壓點到變送器，引壓管要單調(diào)上升無袋形彎，其長度一般不宜超過3 m。

(3) 采用美國壓縮機(jī)控制公司(簡稱CCC)最新S5冗余Vanguard系統(tǒng)構(gòu)成的CCS替代現(xiàn)有的ITCC控制系統(tǒng)中的調(diào)速控制、喘振控制，以提高控制精度和水平。保留ITCC系統(tǒng)中聯(lián)鎖保護(hù)、邏輯控制和一般監(jiān)測控制功能。

(4) 增加入口壓力控制方案，實現(xiàn)機(jī)組入口壓力自動控制，并與喘振控制之間協(xié)調(diào)動作。

(5) 目前，壓縮機(jī)入口總管到壓縮入口存在較大差壓。對壓縮機(jī)入口隔離閥、單向閥、入口分液罐等進(jìn)行檢修，消除入口壓力損失。

(6) 進(jìn)入Vanguard系統(tǒng)的模擬輸入信號通過使用一進(jìn)二出安全柵替換現(xiàn)有ITCC機(jī)柜中的單通道安全柵的方法獲得。使用其一路輸出將參與喘振控制、入口壓力控制的模擬量輸入信號通過新安全柵進(jìn)入Vanguard系統(tǒng)，可不改變原有現(xiàn)場接線，同時ITCC畫面基本保持不變。安全柵使用MTL5544D和MTL5576- RTD。

(7) 從Vanguard系統(tǒng)輸出的模擬輸出信號通過現(xiàn)有ITCC機(jī)柜中的安全柵到現(xiàn)場控制閥門。

(8) CCC控制系統(tǒng)設(shè)置1個機(jī)柜，安裝于機(jī)柜間內(nèi)。在中央控制室設(shè)置1臺操作站，機(jī)柜間內(nèi)設(shè)置1臺工程師站(具有操作站功能)，操作站、工程師站通過以太網(wǎng)與控制器連接；Vanguard與ITCC系統(tǒng)之間的停機(jī)、系統(tǒng)故障、允許啟動等信號通過硬接線連接。

(9) 在開工初期工藝條件具備時，重新測定喘振曲線。

3.3 主要設(shè)備

主要設(shè)備制造商為美國壓縮機(jī)控制公司，壓縮機(jī)控制系統(tǒng)主要硬件參數(shù)如表1所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益評價測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

汽輪機(jī)蒸汽消耗記錄如表2所示。

表1 壓縮機(jī)控制系統(tǒng)主要硬件參數(shù)

4.2 效益計算

按2014年4月數(shù)據(jù)，1 t蒸汽發(fā)電186 kW·h，外購電價0.75元/(kW·h)，上網(wǎng)費(fèi)0.09元/(kW·h)計，年節(jié)約中壓蒸汽成本140.02萬元。年設(shè)備折舊費(fèi)16.47萬元，年檢修費(fèi)用3萬元。增加S5 Vanguard冗余控制系統(tǒng)后，每年為企業(yè)帶來的凈利潤120.55萬元。

表2 汽輪機(jī)蒸汽消耗記錄

5 結(jié)語

新能鳳凰公司氨冷凍機(jī)組采用S5 Vanguard冗余控制系統(tǒng)進(jìn)行改造后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，自動化程度高。投用至今未發(fā)生喘振，減少了檢修工作量及壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏量，同時蒸汽節(jié)約量與自控效果顯著改善。經(jīng)過改造前后72 h性能考核和正常運(yùn)行一段時間的運(yùn)行數(shù)據(jù)測試，系統(tǒng)改造后年蒸汽節(jié)約量達(dá)13 360 t，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求，每年可以創(chuàng)造利潤120.55萬元。

2016- 08- 19)