气量无级调节系统在制氢原料气压缩机上的应用研究

孙强

（大庆石化公司炼油厂，黑龙江 大庆 163711）

炼油厂制氢装置有2 台往复式原料气压缩机（K-1201A/B）为二级压缩，设计排气量19600Nm3/h，在装置正常生产运行期间，当化工氢充足或其他用氢装置低负荷生产时，压缩机出口流量仅需11000Nm3/h 左右，原料气只能通过压缩机工艺气路的二返一调节阀将大量原料气返回至压缩机入口，相当于压缩机做许多无用功。2018年该压缩机进行技术改造，新增一套博华BHSCCS 气量无级调节系统，实现了压缩机气量全行程可调节功能，使得压缩机排气量可适应实际的消耗量变化，降低电机功率，降低电能消耗，提高经济效益。

1 BHSCCS 工作原理

液压式气量无级调节系统是采用“回流省功”原理，通过计算机实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并将信号反馈至执行机构内电子模块，通过液压执行器来实时控制进气阀的开启与关闭时间，实现压缩机排气量0 ～100%全行程范围无级调节。通过进气阀的延迟关闭，使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，只压缩了需要压缩的气量，从而最大限度地节约了能源。在气量无级调节系统的控制下，压缩机的进气阀不再是依靠压差工作的自动阀，而是一个由外置动力驱动的强制阀。如果该系统故障导致无法正常运行，还可以自动恢复为原DCS 系统的原旁通回流控制方式，最大限度地保证生产装置的安全运行。

气量无级调节系统从本质上讲是一个可以接受4 ～20mA标准电流信号的调节阀，可以方便地嵌入用户现有的DCS 控制系统中。根据装置的实际需求通过DCS 系统计算出压缩机的负荷值，输送到气量无级调节控制系统，控制系统进行计算转换后通过现场总线驱动执行机构，完成流量控制的目的。

2 BHSCCS 系统组成

BHSCCS 系统包括硬件和软件两部分，系统主要由以下几部分组成：液压机构、执行机构、控制系统、监测系统。如图1 所示。

图1

液压机构部分：油站采用电机驱动油泵供油的方式，泵输出的油液供给高速换向阀和蓄能器，多余的油液经稳压阀流回油箱，保证高速换向阀与油站之间的管路压力稳定。

执行机构部分：在原压缩机进气阀基础上加装卸荷器组件，执行油缸安装在压缩机进气阀盖上，执行油缸内介质为液压油，油缸上安装有温度传感器。

控制系统部分：智能控制器(RIC-001)是气量调节系统核心部件，提供控制信号的处理、转化、输出和算法控制，是连接高速控制阀与上位系统的桥梁，智能控制器含有在线监测功能模块，可实现气量调节系统的状态监测和异常报警功能。与DCS 系统进行数据交换，自动计算机组负荷值，通过智能控制算法转化为控制系统输出。对气量调节系统进行实时故障自动诊断及故障自动切除。

上位机系统是厂家安装在服务器上的控制软件，主要功能块包括：数据采集及通讯模块、负荷计算模块、信号转化模块、投用切除模块、系统自检模块、故障与监测模块。相关参数引入DCS 系统，DCS 系统上新增制氢卸荷器联锁逻辑画面、报警信息画面、修改原操作流程画面、修改原气量调节控制方案。工艺人员在DCS 系统上进行气量无级调节。

监测系统部分：具备通过振动监测、温度传感器、键相监测等手段，实现往复压缩机全方位、多参数分析与诊断功能，确保设备能够长周期平稳运行

3 BHSCCS 控制功能

新增气量无级调节系统对原DCS 系统相关控制方案进行了修改，同时增加了联锁逻辑控制功能，并满足以下设计功能要求：

（1）实现压缩机0 ～100%负荷范围内的无级调节；

（2）对压缩机总入口或出口压力进行自动控制；

（3）对压缩机的级间压力进行自动控制，确保级间压力稳定，压缩机在最佳压比状态下运行；

（4）具备手动操作、自动操作和系统切除的功能；

（5）系统故障时可自动切除，原旁通调节方式接手气量调节任务；

（6）能实现压缩机的平稳启动、加载、切换和停机；

（7）降低旁通回流带来的负面影响，降低冷却器的负荷，提高压缩机的可靠性和安全性。

DCS 系统上新增气量无级调速联锁逻辑画面，见图2。

图2

3.1 BHSCCS 系统机组零负荷起机功能

通过在横河CS3000 系统上编程组态，实现了K1201A 压缩机手动起机功能，当压缩机运行平稳后，可转换到BHSCCS系统自动控制状态。在DCS 画面上手动设置BHSCCS 系统负荷（1ST-LD、2ST-LD）为0，BHSCCS 系统切换到“手动”模式。液压油站启动后，检查油站运行状态及故障报警信息。随后启动压缩机驱动电机，要求卸荷器强制保持在开启状态，压缩机电机在空载状态下启动，等待压缩机达到正常转速，在DCS 操作界面点击“投用无级调节”，自检无故障运行指示灯亮，BHSCCS系统正常投入运行，逐渐手动增加压缩机负荷，直到各级压力值到达设定点附近，把BHSCCS 系统的工作模式切换到“自动”模式，压缩机投用自动运行状态。

3.2 BHSCCS 系统故障切除及恢复功能

当BHSCCS 系统发生故障时，DCS 系统会自动切除BHSCCS 系统，同时切换旁通阀至自动模式，恢复到原来旁路调节模式。在DCS 操作界面上专门有故障报警信息画面，便于及时查找分析问题。当BHSCCS 系统故障排除后，再点击“故障复位”按钮进行复位操作。DCS 画面上BHSCCS 系统处在“手动”模式，负荷给定值为100%。现场手动启动液压油站，待油压稳定。点击“投用无级调节”，同时运行指示灯亮，系统正常运行。逐渐手动调节减少压缩机负荷，当各级压力值到达设定点附近时，工作模式切换到“自动”模式，压缩机进入自动运行状态。

3.3 机组正常停机功能

将BHSCCS 系统首先切换到手动操作模式，然后手动逐渐降低压缩机的负荷到0，此时，可停压缩机主电机。在DCS 操作界面上点击“手动切除无级调节”，手动切除BHSCCS 系统，然后点击“手动停止油站”，可远程停油站电机。

4 应用情况

BHSCCS 气量无级调节系统2018年正式投用以来，实现了原料气压缩机0 ～100%负荷范围内的气量无级调节，压缩机的级间压力控制稳定，压比恒定，提高了压缩机运行的可靠性和安全性。

原料气压缩机满负荷实际功耗为1085kW 左右，压缩机实际运行负荷为55% 左右，当投用气量无极调节系统后，压缩机每小时实际节约能耗为：1085×（1-0.55）=488.25kW。每年压缩机运行时间按8000h，电费单价按每度0.6 元计算，当投入气量无级调节系统后，每年可节约的电费为：488.25×8000×0.6=234.36 万元。

5 结语

BHSCCS 气量无级调节系统投用以来，节能效果显著，同时融合了在线监测功能，为机组在节能运行的基础上提供了安全运行保障。