HRCS无级调节在往复式压缩机中的应用

潘博元

（新奥（舟山）液化天然气有限公司，浙江 舟山 316021）

0 引言

新奥（舟山）LNG 接收站天然气外输采用往复式压缩机增压输送，该压缩机为六列对称平衡型，三级压缩，一缸一列（各气缸均为双作用气缸），两个一级气缸布置在机身的一侧，两个二级气缸布置在机身的另一侧，两个三级气缸分别布置在两侧。压缩机将由上游缓冲罐来的压力为0.6MPa 的BOG 气体增压至7.9MPa 的天然气输送到下游管网。单台压缩机额定供气量是17570Nm3/h（0.1013MPa，0℃）[1]。

由于下游管网天然气需求量经常变化，且在选用压缩机时都考虑富余量，故压缩机经常在部分负荷状态下运行，这样很不经济。为了适应下游用户的需求，一般常用的控制方法是调节压缩机的输出气量，往复式压缩机经常采用旁路回流调节，即通过设置在旁路管道上的回流调节阀使部分高压气体回到压缩机的入口管道中。这种调节方式应用最广泛，优点是调节方案简单，易于实施，缺点是能量消耗严重，对于大型压缩机电量耗费巨大。新奥（舟山）LNG 接收站气体外输压缩机调节系统采用旁路回流调节与HRSC 相结合的调节系统，开停车时采用旁路回流调节，运行时采用HRSC 无级调节。自开车运行一年多来，达到节约能源，降本增效的目的。

图1 HRSC系统工作的原理图Fig.1 Schematic diagram of HRSC system operation

1 HRSC无级调节系统简介

HRSC 无级调节系统（以下简称HRSC 系统）是基于部分行程顶开进气阀工作的调节系统，是一个独立的压缩机排气量调节系统。HRSC 系统可以适应原压缩机DCS 系统协作运行，也可以作为调节子单元独立运行，可以实现排气量0%～100%范围内无级调节，实际运行中考虑到回流量过大引起进气阀阀腔温度升高的影响，一般设置的调节范围是30%～100%[2]。

1.1 工作原理

HRSC 系统主要由液压站、电磁阀、进气阀、控制系统等组成，HRSC 系统工作的原理如图1 所示[2]。该电磁阀是一种高精度、高可靠性、高频率动作的专用执行元件，电磁阀有两种状态，一种是励磁或得电，对应的高压油路接通与低压油路断开；另一种是非励磁或失电，对应的高压油路断开与低压油路接通。如果电磁阀励磁，那么高压油路就接通，高压油推动液压油缸内的活塞向下运动，活塞把推力传递并带动阀杆向下运行，阀杆固定在阀片上，阀片随阀杆一起下移，直到阀片贴合限制器为止。这就是强制打开进气阀的过程，进气阀的开关可以通过电磁阀励磁或非励磁控制，进气阀的开关时间长度可以通过控制电磁阀励磁或非励磁的时间长度来实现。如果电磁阀非励磁，那么低压油路就接通，高压油路断开，液压油缸内的高压油排入低压油路，阀片就失去强制推力，阀片在阀片弹簧与气缸内气体压力的作用下向上移动，直至紧密贴合阀座，这就是进气阀的关闭过程。压缩机的工作过程是膨胀、吸气、压缩、排气4 个阶段，在压缩阶段，气缸内一部分气体被排出，剩余气体被压缩，控制被压缩气体的体积或者调节被排除气体的体积是HRSC 系统的关键技术，气缸的容积是固定的，排出气体体积可以通过进气阀的打开时间衡量。即通过控制电磁阀的励磁时间到达，用进气阀来调节压缩气体体积，实现本气缸内部气体回流，按照需要气体量压缩气体，达到节约电能的目标。在HRSC 系统实施方案中，电磁阀励磁时间长短是由PLC 控制器内部组态的功能模块决定，功能模块根据排气压力（与活塞行程及气量对应）来输出控制信号。

图2 HRSC系统的压缩机气缸P-V图Fig.2 P-V Diagram of compressor cylinder of HRSC system

HRSC 系统的压缩机气缸P-V 图如图2 所示[2]。图2中从A 到B 段，气体压力逐渐减小，气体体积缓慢增加，这一阶段称为膨胀阶段，此阶段电磁阀处于失电状态。从B 到C 段，气体压力几乎不变，气体体积迅速增加，这一阶段称为吸气阶段，此阶段进气阀因气体压力而自动打开，电磁阀被得电。从C 经Cr 到Dr 段，气体压力增大，气体体积减小，这一阶段称为压缩阶段，此阶段从C 经Cr，电磁阀延时得电接通，气缸内部分气体回流至入口管道，这就是HRSC 系统压缩机的缸内回流，实现节约能源的关键；此阶段从Cr 到Dr，电磁阀失电，进气阀自动关闭，活塞压缩气体。从Dr 到A 段，气体压力略微减小，气体体积迅速减小，这一阶段称为排气阶段，此阶段电磁阀处于失电状态。这就是压缩机工作的一个完整阶段。

图3 专用进气阀Fig.3 Special air inlet valve

在压缩机工作的膨胀、吸气、压缩、排气中，电磁阀得电延时时间的长短决定了回流气体的多少，也就是减少被压缩气体的多少。这样相比于旁通回流调节方式，实现了压缩机的电力节能。

1.2 HRSC系统的组成

HRSC 系统的组成有电液执行机构、液压动力系统、PLC 控制系统和现场仪表等4 大部分。电液执行机构由专用进气控制阀、液压执行机构、密封器、防爆高速电磁阀等组成，作用是执行PLC 控制系统发出的指令，打开或关闭电磁阀，使高压油被接通或断开，使进气阀的顶开时间被控制，从而调节压缩机的排气量。专用进气阀是针对该调节系统特点而专门设计，如图3 所示[3]，它由顶杆、弹簧、压叉、阀座、阀片、阀杆、限制器等组成。高压油推动顶杆传递到阀杆上，阀杆带动阀片向下移动，从而实现进气阀打开，进气阀关闭是靠弹簧复位。

液压执行机构组件设计有密封氮气接管口、漏液接管口、漏气接管口、进液接管口及出液接管口。漏液接管口的作用是把液压油系统中少量泄漏的油一起排放至废油回收罐内；漏气接管口的设计是出于安全考虑，防止易燃易爆的工艺气体泄漏到防爆接线盒内；密封氮气接管口的设计也是出于安全考虑，防止高压的易燃易爆工艺气体蹿入防爆接线盒内。

液压油系统由液压油站、压力调节阀、油过滤器、风冷器、电加热器、油路分配器、管路蓄能器、油管路、仪表等组成，液压油站主要由液压油泵及电机、油箱、蓄能器、溢流阀、电磁换向阀、节流阀、压力表、液位计等组成。液压油系统提供全部电液执行机构高速运行所需要的压力，油站中的常压油被油泵加压至高压油而输出，在输出管路通过调压器调至目标压力数值，一般在8MPa ～13MPa 之间。根据现场调试的结果最终确定油压的大小，设定好后，无需再进行调整。液压油站还配备了压力变送器、温度变送器和液位变送器。压力变送器用于监测液压站的油压，实时显示油站出口压力与回油压力；温度变送器用来监测液压站油箱液压油的实时温度；液位计的作用是实时显示油箱中油的液位，并把数值远传方便监控。当油箱中的油位低于液位联锁值时，禁止启动油站油泵。该油箱的油位必须设置低液位报警，提示应该加油。

HRSC 控制系统由机柜、西门子S7-300 控制器及卡件、MODBUS 从站、24V 直流电源、48V 直流电源、UPS电源等组成，其中DO 卡采用SM322 数字量输出卡16 路24VDC/0.5A 高速型。PLC 控制系统是HRSC 系统的核心关键设备，它的主要功能是依据机组DCS 控制系统提供的工艺参数值，如一级进气压力、三级排气压力等。由程序中编制的功能模块进行运算，计算出电磁阀的延迟关闭时间，该时间数值赋给时间继电器从而控制DO 卡通道的输出时间，控制了电磁阀的得电时间，实现了进气阀开关的控制。运算电磁阀延迟开关时间的功能模块是HRSC 系统的关键技术。

PLC 控制系统还实现了HRSC 系统现场仪表测量参数的监控，这些参数依据运行要求均设计了报警及联锁值，在设备出现异常情况时报警或联锁，以保证设备的安全。

PLC 控制系统的工艺监控数据可以通过通讯的方式传给机组原DCS 系统，实现数据共享，方便远程监控。

HRSC 控制系统在对时间计算时需要一个控制逻辑上时间的参考起始点，这里称为参考零点。参考零点的测量是由止点位置传感器实现的，止点位置传感器可以选用接近开关、转速探头、键相探头。止点位置传感器由感应线圈探头与感应螺母组成[2]，感应线圈探头安装在支架上固定不动，感应螺母固定在压缩机主轴飞轮上同步转动。当主轴飞轮转动时，感应螺母每切割一次感应线圈探头产生的磁力线，在感应线圈中就产生一个脉冲信号，该脉冲传送至HRSC 控制系统，作为参考零点。这里选用倍加福的接近开关，型号规格为NCB5-18GM40-NO，可应用于危险区2 区。

2 无级调节控制方案

2.1 HRCS系统与机组DCS控制系统的关系

压缩机机组主要的控制系统是DCS 控制系统，用于监控压缩机主机、润滑油系统、循环水系统、空气冷却器等的工艺参数状态，HRCS 系统只是一种排气流量调节控制，其给定值来自DCS 控制系统输出信号。

图4 DCS控制系统与HRCS控制系统的关系图Fig.4 Relation diagram of DCS control system and HRCS control system

HRCS 控制系统与DCS 控制系统的关系图如图4 所示。当HRCS 系统故障而未投用时，DCS 控制系统通过旁路回流调节阀调节压缩机的排气量；当HRCS 系统因故投用时，则由HRCS 系统调节压缩机的排气量。HRCS 系统与压缩机机组DCS 控制系统之间的控制信号采用硬线连接的方式，监控信号采用通信方式输送至DCS 控制系统。

2.2 HRCS系统时序控制

新奥（舟山）LNG 接收站的往复式压缩机配置20 个进气阀，一级前气缸、一级后气缸、二级前气缸、二级后气缸各配套4 个进气阀（2 个轴侧进气阀，2 个盖侧进气阀），三级左气缸、三级右气缸各配套2 个进气阀（1 个轴侧进气阀，1 个盖侧进气阀）。压缩机有多个气缸，下面以1 个气缸为例说明时序控制。实际上，压缩机每一列气缸在压缩机运行过程中的状态以曲柄夹角计算出动作时序值，当压缩机进入吸气阶段，电磁阀开始失电，进气阀因缸内气压打开，在某一时刻电磁阀得电致使进气阀阀片紧密贴合在限制器上；在进入压缩阶段时，电磁阀得电状态被延长，阀片保持贴合在限制器上，多余气体不经过压缩自动排入进气管路中。这样就可实现一个气缸内部气体回流节能的功能。电磁阀的打开时刻与延时时间是HRCS 系统依据压缩机活塞运动的周期与工艺负荷综合运算给出的。

在压缩机活塞的整个运行周期中，盖侧进气阀与轴侧进气阀的动作在时序上相差半个周期（对应曲柄转角π）。所以在调节控制过程中，同一个气缸的盖侧进气阀与同一个气缸的轴侧进气阀保持同时动作，则盖侧进气阀与轴侧进气阀之间动作时序上相差半个周期。

2.3 HRCS系统控制变量

HRCS 系统的主控变量建议选用排气流量、排气压力、进气压力，其中以压缩机的排气压力作为主控变量的情况比较多，保持控制变量的稳定是控制系统的要求。本厂的压缩机以一级进气压力、一级排气压力、三级排气压力作为主控参数，实现运行后达到预期效果。

表1 HRCS系统与DCS控制系统信号交换表Table 1 Signal exchange table of HRCS system and DCS control system

图5 HRCS系统切除与投入示意图Fig.5 Schematic diagram of HRCS system resection and input

2.4 HRCS系统与DCS控制系统的信号交换

HRCS 系统与DCS 控制系统之间的信号交换，见表1。

2.5 HRCS系统投入与切除

压缩机运行后，HRCS 系统切除与投入示意图，如图5所示。

2.6 HRCS系统报警及联锁的设置

HRCS 系统监控其设备正常运行的工艺参数，这些参数包括进气阀温度、油站的油温与液位、油压。

1）进气阀温度：一个进气阀温度大于65℃，产生高温度报警，说明此电液执行机构或者气阀故障；同一气缸盖侧或轴侧相邻温度之差大于5℃，产生温差高报警；同一气缸盖侧温度与相邻轴侧温度之差大于10℃，产生温差高报警。

2）油站油温：油温大于70℃，产生高报警信号，说明油站油回路或冷油器故障；如果油温继续上升，超过80℃时，触发高高报警信号，联锁切除HRCS 系统，压缩机在原DCS 控制下继续运行。

3）油站液位：液位小于70%，产生低液位报警，提示立刻给油站加油。

4）油压：供油油压低于设定的报警值为11MPa，触发油压低报警信号，表明油站故障或油路泄漏严重；压力小于10MPa 时，产生低低报警后，同时联锁油站停止工作，自动切除HRCS 系统，原DCS 控制压缩机继续工作。

3 HRCS系统节能计算

假设压缩机的额定轴功率为P，负载为W。由于摩擦阻力以及气体回流产生的阻力损失，即使压缩机处于零负荷也会损失一定的轴功率，此数值约占压缩机额定轴功率的5%。试验结果显示，压缩机的轴功率与排气量呈准线性关系，则压缩机在W 负载下的轴功率为：

按照压缩机年运行T 小时，一年节省的电量M 为：

由节电量计算公式（2）推知，额定轴功率越大，节电量越多；压缩机运行负荷越低，节电量越多；运行时间越长，节电量越多。例如压缩机轴功率为2000kW，负载为60%，年运行8000h，则一年节电量为：

4 存在问题

因为往复式压缩机的结构布置，使安装在机体侧气缸上的电液执行机构缺少必要的检修空间，尤其是压缩机中间轴侧电液执行机构位置人员难以到达，定期维护及检修困难；电液执行机构内部安装一个热电阻，如果该传感器损坏，备件更换费时费力；电液执行机构使用的高压橡胶软管是专门定制的非标产品，更换时成本较高。

5 结论

新奥（舟山）LNG 接收站的天然气压缩机运行一年多时间，采用HRCS 气量无级调节系统作为负荷调节，以自动控制代替了手动控制，以无级调节代替了旁路回流调节，操作方便，节约了大量电能，达到了降本增效的目的。