張小偉 彭 勇 馮 利 宋志乾

(成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司，四川 成都 611930)

成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司的天然氣壓縮機(jī)主要用于壓縮外管網(wǎng)來的天然氣，以滿足制氫工藝對(duì)壓力的要求。外管網(wǎng)天然氣壓力長(zhǎng)期在2.0～3.2 MPa波動(dòng)，出口壓力又需要穩(wěn)定在4.2 MPa，所以當(dāng)外管網(wǎng)天然氣壓力高時(shí)，壓縮機(jī)多余的氣量通過回流閥返回壓縮機(jī)入口，無法達(dá)到節(jié)能降耗的作用。為了保證壓縮機(jī)低回流狀態(tài)下能順利調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開度以達(dá)到節(jié)能的目的,采用沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)制造有限公司的往復(fù)式壓縮機(jī)，并通過技改增加了臺(tái)州環(huán)天科技股份有限公司的無極調(diào)量系統(tǒng)(HRCS)，使壓縮機(jī)的4個(gè)進(jìn)氣閥可以在30%～100%直接任意調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)荷高于30%時(shí)，回流閥全部關(guān)閉從而降低壓縮機(jī)的工作電流，達(dá)到節(jié)能的目的，且全程自動(dòng)控制，不需人為操作。

1 常見的壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法與HRCS的對(duì)比

1.1 常見的壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法

1.1.1 旁路調(diào)節(jié)[1]

旁路調(diào)節(jié)是一種最常用也最簡(jiǎn)單的氣量調(diào)節(jié)方法，在壓縮機(jī)的進(jìn)口與出口之間增加一個(gè)帶控制流量的管路加以連接，使壓縮機(jī)排出的氣體經(jīng)旁通管全部或部分流回進(jìn)口管，以達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量的目的。

1.1.2 余隙調(diào)節(jié)[1]

余隙腔調(diào)節(jié)是人為增加余隙容積來達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量的方法，此方法不能做到隨時(shí)調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的量有限。

1.1.3 全頂開進(jìn)氣閥

全頂開進(jìn)氣閥屬于間歇調(diào)節(jié)，在雙作用氣缸中只頂開氣缸一側(cè)的進(jìn)氣閥時(shí)可使排氣量減少50%，如果兩側(cè)同時(shí)頂開，則排氣量為零。但此方法在使用中發(fā)現(xiàn)容易造成壓縮機(jī)受力不均、出口管線振動(dòng)較大、調(diào)節(jié)流量不能線性等問題。成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司合成氣制氫天然氣壓縮機(jī)技改前就使用此種調(diào)節(jié)方式。

1.2 HRCS調(diào)節(jié)

此法利用電磁、液壓或氣動(dòng)控制裝置或彈簧的作用使進(jìn)氣閥在部分壓縮行程中處于頂開狀態(tài)，氣流被壓回進(jìn)氣管，在其余行程中氣閥被關(guān)閉，缸中氣體壓縮有氣量排出。通過對(duì)進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)間的控制，達(dá)到連續(xù)控制的目的。此方法與上述常見方法相比，可以線性調(diào)節(jié)且幅度大，節(jié)能效果明顯，控制穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是一次性投資大。

無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用液壓油站提供的高壓液壓油作為動(dòng)力，通過電磁閥脈沖控制壓縮機(jī)吸氣閥的關(guān)閉時(shí)間，從而保證多余的氣體從吸氣閥流出，減少壓縮機(jī)的做功，頂開氣閥的無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。具體的工作原理為：高速電磁閥控制著液壓缸的液壓通路，當(dāng)電磁閥帶電時(shí)，閥芯動(dòng)作使液壓缸與液壓站的高壓油路連通，液壓力推動(dòng)液壓活塞，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓活塞的作用下被壓下，強(qiáng)制打開進(jìn)氣閥；當(dāng)電磁閥斷電時(shí)，閥芯復(fù)位，使液壓缸與液壓站的低壓回油路連通，壓叉在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位，氣閥在氣體力與閥片彈簧作用下關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮。壓縮機(jī)達(dá)到所需氣量的關(guān)鍵是進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉時(shí)間，進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉時(shí)間又是由電磁閥的帶電時(shí)間長(zhǎng)短決定的。在本設(shè)計(jì)方案中，電磁閥帶電時(shí)間長(zhǎng)短是由可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的輸出決定的，PLC控制模塊根據(jù)排氣壓力(與活塞行程及氣量對(duì)應(yīng))來輸出一個(gè)控制信號(hào)。

圖1 無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具有氣量調(diào)節(jié)功能的壓縮機(jī)工作過程氣缸內(nèi)的p-V曲線如圖2所示。

圖2 氣量調(diào)節(jié)時(shí)的p-V曲線

由圖2可知：當(dāng)壓縮機(jī)處于膨脹過程AB時(shí)，電磁閥未接通；進(jìn)入吸氣階段BC，進(jìn)氣閥在氣體力的作用下開始打開時(shí)，電磁閥接通，柱塞在高壓油作用下推動(dòng)壓叉使進(jìn)氣閥片貼合在限制器表面；壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段時(shí)，電磁閥仍然處于通電狀態(tài)，閥片仍然被壓叉固定在限制器上，此階段CCr即為回流階段，它將多余的氣量不經(jīng)過壓縮自動(dòng)排進(jìn)進(jìn)氣管路中；在CrDr階段，電磁閥斷電，閥片在氣體力作用下自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段；DrA即為壓縮機(jī)的排氣階段。這一過程中，氣缸內(nèi)氣體通過進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣腔或者進(jìn)氣管路中，達(dá)到減小排氣量的目的。從p-V圖上也可以發(fā)現(xiàn)后者節(jié)省了循環(huán)指示功，相比于現(xiàn)有的旁通管路氣量調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)的節(jié)能。

2 HRCS的關(guān)鍵設(shè)備及調(diào)節(jié)控制方案的應(yīng)用

2.1 關(guān)鍵設(shè)備

無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)高壓油站、分散控制系統(tǒng)(DCS)、壓縮機(jī)氣閥、電磁閥控制系統(tǒng)等。該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)配備了專用的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、液力執(zhí)行組件、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，4個(gè)吸氣閥分別配備一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，油路配有油壓、油溫和油位測(cè)點(diǎn)。氣閥溫度和油位、油溫分別是系統(tǒng)投用的許可條件。配備的專用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥其閥片的結(jié)構(gòu)型式采用網(wǎng)狀閥，閥片材料一般選擇聚醚醚酮(PEEK)，它能夠承受更大的閥片沖擊力，且比壓叉材料更軟，當(dāng)壓叉撞擊閥片時(shí)不易產(chǎn)生應(yīng)力集中；液力執(zhí)行系統(tǒng)配備的液壓執(zhí)行器組件，設(shè)置了進(jìn)油口、出油口、漏氣口、漏油口以及充氮口。漏油口的主要功能是將系統(tǒng)泄漏的少量液壓油統(tǒng)一排放到漏油回收罐中；漏氣口則是防止工藝氣泄漏到防爆接線盒中，影響系統(tǒng)安全性；充氮口的設(shè)置類似于壓縮機(jī)活塞桿的填料密封，防止高壓工況下的工藝氣躥升到防爆接線盒中。液壓系統(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作提供動(dòng)力，通過油泵的作用把液壓油的壓力從常壓提升到所需壓力(最高為22 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果最終確定油壓的大小，一般在7～14 MPa，設(shè)定好后，無需再進(jìn)行調(diào)整)，它主要包括液壓泵及其驅(qū)動(dòng)機(jī)，溢流閥、換向閥、節(jié)流閥等液壓控制閥，還有蓄能器、過濾器、散熱器等輔助元件。

2.2 控制系統(tǒng)應(yīng)用及優(yōu)化

DCS在原有的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)上新增加了計(jì)算塊PY1120A，同時(shí)增加負(fù)荷控制器PIC1120A_1和限位控制器ZIC1120A。壓縮機(jī)回流閥控制器PV1102A和負(fù)荷加載器控制器PIC1120A-1邏輯示意見圖3。

圖3 回流閥控制器和負(fù)荷加載器控制器

如圖3所示：控制系統(tǒng)是在原西門子PCS7.0-300系統(tǒng)上修改，只在DCS中增加一個(gè)計(jì)算塊PY1120A，增加了兩個(gè)控制器(ZIC1120A,PIC1120A_1)，ZIC1120A用來限制負(fù)載的最小輸出在30%(廠家建議在30%～100%運(yùn)行)，PIC1120A_1根據(jù)出口所需的壓力調(diào)節(jié)無極調(diào)量系統(tǒng)(HRCS)輸出以及旁通閥的輸出信號(hào)。而負(fù)荷輸出PIC1120A_1線性化處理由DCS發(fā)出的4～20 mA控制信號(hào)給CIU，轉(zhuǎn)換成電子指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)的作用主要是比較反饋的壓力值與設(shè)定值，由控制器計(jì)算出氣閥延遲關(guān)閉的時(shí)間，發(fā)送出電子指令，實(shí)時(shí)控制進(jìn)氣閥的狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)，在超出安全范圍時(shí)報(bào)警或聯(lián)鎖；控制模塊與原DCS控制系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)共享。新增加的HRCS在原有的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行改造升級(jí)，增加了部分功能，壓縮機(jī)原有的控制取壓點(diǎn)都不變，控制方案也可以不變，只是將原來直接送回回流閥的信號(hào)經(jīng)過分程計(jì)算之后再分別送到HRCS控制系統(tǒng)和回流閥。同時(shí)考慮到HRCS故障后作用在吸氣閥的液壓油失去動(dòng)力，HRCS跳車，則吸氣閥瞬間會(huì)變成全開狀態(tài)，這樣壓縮機(jī)瞬時(shí)打氣量會(huì)大幅度增長(zhǎng)，在回流閥調(diào)節(jié)不及時(shí)的情況下，可能會(huì)造成出口安全閥起跳或工藝安全事故，因此設(shè)計(jì)時(shí)增加了回流閥在無極調(diào)量故障瞬時(shí)跳開并交自動(dòng)控制的邏輯控制。目前采用液壓油泵反饋信號(hào)“mode-FB”和液壓油壓力“PT001”二選一觸發(fā)，由壓縮機(jī)的當(dāng)前負(fù)荷決定回流閥PV1102A的跳開程度，即負(fù)荷越低回流閥跳開幅度越大，反之跳開幅度越小。目前采用的是PIC1120_1輸出在50%及以下時(shí)回流閥PIC1120A跳開30%閥位后轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，50%以上時(shí)跳開20%后轉(zhuǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)；當(dāng)然也可根據(jù)負(fù)荷情況設(shè)計(jì)成線性的回流閥輸出(反作用)脈沖，這一設(shè)計(jì)從根本上預(yù)防了HRCS故障對(duì)工藝造成的大幅波動(dòng)。

2.3 能耗對(duì)比

天然氣壓縮機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)改造前后參數(shù)對(duì)比情況見表1所示。

表1 天然氣壓縮機(jī)無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)改造前后參數(shù)對(duì)比

由表1可見：壓縮機(jī)改造后回流閥處于全關(guān)狀態(tài)，同等打氣量的情況下電流有較大的下降，目前該壓縮機(jī)天然氣壓力低時(shí)電流約50 A，天然氣壓力高時(shí)電流為42 A。按1 h節(jié)約10 A計(jì)算，一年8 400 h可節(jié)約電力504 MWh，電的價(jià)格按0.4元/kWh，每年可節(jié)約20萬元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，保守計(jì)算3年可以收回成本。由于該壓縮機(jī)的額定功率相對(duì)較小，所以用在大型的往復(fù)式壓縮機(jī)上效益更加可觀。

3 結(jié)語

HRCS在目前的運(yùn)行過程中未發(fā)現(xiàn)任何問題，運(yùn)行平穩(wěn)，輸出線性，可靠性高，且液壓系統(tǒng)使用的齒輪泵故障率極低，同時(shí)操作難度低，自控程度高，基本不需要人為手動(dòng)控制。在壓縮機(jī)選型比實(shí)際所需大的情況或壓縮機(jī)進(jìn)口氣量變化引起做功富裕的機(jī)組上進(jìn)行優(yōu)化改造，效益比較明顯。