楊利豐,劉子夫,叢軍

（1.大慶煉化公司，黑龍江大慶163000；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽110167；3.中國石油撫順石化公司石油三廠，遼寧撫順113006）

新氫壓縮機旁通氣量調(diào)節(jié)與HydroCOM無級調(diào)速復(fù)雜控制方案

楊利豐1,劉子夫2,叢軍3

（1.大慶煉化公司，黑龍江大慶163000；2.中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧沈陽110167；3.中國石油撫順石化公司石油三廠，遼寧撫順113006）

介紹了新氫往復(fù)壓縮機旁通氣量調(diào)節(jié)、無級調(diào)速控制系統(tǒng)基本構(gòu)成及相關(guān)工作原理。闡述了往復(fù)壓縮機旁通氣量分程低選調(diào)節(jié)控制方案設(shè)計及無級調(diào)速控制方案設(shè)計。實際應(yīng)用中旁通回流控制和HydroCOM無級調(diào)速控制系統(tǒng)切換不會影響壓縮機的正常運行，達到了無擾動切換的目的，值得推廣及應(yīng)用。

旁通氣量調(diào)節(jié)；HydroCOM；控制方案設(shè)；節(jié)能

自2013年1月1日后，中國相關(guān)部門對汽車尾氣的排放和環(huán)保要求越來越嚴格，油品的質(zhì)量要求也越來越高，汽、柴油質(zhì)量升級周期也相應(yīng)縮短。國家已經(jīng)硬性要求提高汽、柴油質(zhì)量,減少汽車尾氣中有害物質(zhì)排放。為了達到國家要求且兼顧技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)得到改善，必須采取有效措施確保柴油質(zhì)量完全滿足國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。在此項目建設(shè)背景下為170萬t/a柴油加氫，相關(guān)壓縮機的選型考慮到后續(xù)運行的便利性選擇無錫壓縮機廠的相關(guān)產(chǎn)品，型號確定為4M32，編號為K101A/B。主要將甲醇廠來的氫氣經(jīng)新氫入口分液罐經(jīng)三級壓縮后與八路柴油進料混合送入加氫反應(yīng)系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的氣量旁通控制方案進行控制，壓縮機控制系統(tǒng)只能在最大滿負荷下工作，多余的壓縮氫氣只能通過一、二、三級旁通閥返回到入口管線，機組的能耗過大，同時級間壓力控制不穩(wěn)定。通常采用的級間壓力控制方案只能達到壓力的粗調(diào)，操作難度大及控制目標(biāo)值不理想。為了克服壓力控制方案的缺陷，柴油加氫裝置采用了復(fù)雜低選控制方案與HydroCOM無級調(diào)速控制的方式。

1 新氫往復(fù)壓縮機氣量調(diào)節(jié)

往復(fù)式壓縮機作為工業(yè)領(lǐng)域中的重要設(shè)備，在許多情況下需要進行氣量調(diào)節(jié)和靈活控制。往復(fù)壓縮機作為一種容積式壓縮機，具有排氣壓力高出口流量變化小等特點，后續(xù)流程需求變動，需要調(diào)節(jié)壓縮機排氣量。前道工藝波動供氣，通過調(diào)節(jié)氣量維持流程穩(wěn)定，大型壓縮機的設(shè)計往往裕量較大，需要調(diào)節(jié)氣量確保經(jīng)濟運行。傳統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)有：

1.1 旁通調(diào)節(jié)

常用往復(fù)式壓縮機氣量調(diào)節(jié)方法，簡便易行，將壓縮后的高溫高壓氣體返回到進氣總管，缺點是浪費了旁通回流氣體所耗的壓縮功。

1.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的原理就是改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)氣體氣量，使氣量平穩(wěn)連續(xù)，廣泛使用在驅(qū)動機為內(nèi)燃機和汽輪機的壓縮機上。

1.3 逐級調(diào)節(jié)

往復(fù)式壓縮機啟停經(jīng)常采用的調(diào)節(jié)方式，需要膜式氣缸形式的執(zhí)行機構(gòu)和供氣管路，可能有潛在的活塞桿負載和十字頭銷潤滑問題。

1.4 余隙腔調(diào)節(jié)

大多固定余隙腔調(diào)節(jié)，少許可變余隙腔調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度較為緩慢。一般不適用于已有壓縮機的改造。本裝置共有兩臺新氫壓縮機K101A/B，在氣量調(diào)節(jié)控制方案上采用的是氣量旁通調(diào)節(jié)控制。

2 HydroCOM系統(tǒng)組成與運行過程分析

2.1 HydroCOM運行過程分析

無極調(diào)速系統(tǒng)能實現(xiàn)壓縮機氣量在全范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。可以融入到裝置已有系統(tǒng)當(dāng)中去，成為其中的一個節(jié)點，如DCS系統(tǒng)。相關(guān)控制機理為，改變對應(yīng)活塞所關(guān)聯(lián)的氣閥響應(yīng)時間達到調(diào)節(jié)壓縮氣量的目的。由DCS控制系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號，部分負荷時進氣閥全開，有控制信號時，進氣閥關(guān)閉，氣體壓縮，到達排氣壓力后，排出到排氣管線。壓縮機只壓縮實際工況的氣量需要，這樣的優(yōu)點是可以達到能源的節(jié)約。

往復(fù)式壓縮機有多種控制方式，HydroCOM系統(tǒng)即是針對這一設(shè)備而開發(fā)的無極調(diào)控系統(tǒng)，開發(fā)公司為賀爾碧格公司（圖1）。

圖1 HydroCOM運轉(zhuǎn)原理Fig.1 HydroCOM system working principle

圖1 所展示的正是該系統(tǒng)的核心。通過對總進氣量的合理調(diào)配，將需要進行壓縮的氣量進行壓縮，其余氣量循環(huán)往返，實際應(yīng)用了“回流省功”原理[1]。機械運動部分由進氣閥開關(guān)時間決定。

2.2 HydroCOM裝置構(gòu)成

該裝置有以下幾個部分構(gòu)成：中間接口單元，液壓執(zhí)行機構(gòu)，液壓油站，上死點傳感器，服務(wù)器單元。

2.2.1 中間接口單元CIU（Compressor Interface Unit）

接收控制系統(tǒng)的信號，通過CIU的轉(zhuǎn)換功能，完成：

（1）將DCS控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器計算的開度信號通過轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)換成時間信號去控制進氣閥的關(guān)閉與開啟。

（2）將更多的監(jiān)控和測量信號傳輸?shù)紻CS控制系統(tǒng)中。

（3）通過設(shè)定器可進行組態(tài)和監(jiān)測。

2.2.2 液壓執(zhí)行機構(gòu)HA（Hydraulic Actuator）

該機構(gòu)由以下3個部分組成即閥室、密封室和電氣室，液壓執(zhí)行機構(gòu)由閥室、密封室和電氣室三部分組成，該系統(tǒng)的液壓動力[1]由液壓油站HU實現(xiàn)。

2.2.3 液壓油站HU（Hydraulic Unit）

該裝置的主要作用就是為執(zhí)行機構(gòu)提供動力。

2.2.4 上死點傳感器TDC（Top Dead Center Sensor）

作用是測定傳遞活塞相對于氣缸的實時坐標(biāo)[2]。

2.2.5 服務(wù)器單元HSS

本單元可實現(xiàn)即時線上工作對系統(tǒng)組態(tài)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自診斷及調(diào)試流程。

3 壓縮機氣量復(fù)雜控制方案設(shè)計

3.1 新氫壓縮機分程低選控制

柴油加氫裝置有2臺新氫K101A/B壓縮機，目前運行方式為一開一備。裝備HydroCOM前，氣量調(diào)節(jié)通過旁路閥和全程壓開進氣閥的開關(guān)方式來實現(xiàn)（圖2）。

圖2 工藝概述Fig.2 Technique summary

3.2 分程低選控制設(shè)計思路

（1）新氫入口分液罐V104頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11702的0%～50%的分程信號與新氫壓縮機二級入口分液罐V114A頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11802的50%～100%的分程信號進行低選后一路控制一返一旁通控制閥PV-1180C,另一路控制HydroCOM無級調(diào)速手操器KV-101A送給CIU進行無級調(diào)速。新氫入口分液罐V104頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11702的50%～100%的分程信號控制新氫入口分液罐V104放火炬控制閥PV-11702。

（2）新氫壓縮機二級入口分液罐頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11802的0%～50%的分程信號與新氫壓縮機三級入口分液罐V115A頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11801的50%～100%的分程信號進行低選后一路控制二返二旁通控制閥PV-1180B,另一路控制HydroCOM無級調(diào)速手操器KV-101B送給CIU進行無級調(diào)速。

（3）新氫壓縮機三級入口分液罐V115A頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11801的0%～50%的分程信號與冷高壓分離器V103頂壓力調(diào)節(jié)器PIC-11201的0%～100%的信號進行低選后一路控制三返三旁通控制閥PV-1180A,另一路控制HydroCOM無級調(diào)速手操器KV-101C送給CIU進行無級調(diào)速。

上述復(fù)雜分程低選控制方案是在艾默生DELTAV DCS上組態(tài)完成的。

4 壓縮機無級調(diào)速控制方案設(shè)計

4.1 HydroCOM控制方案

煉化公司柴油加氫裝置壓縮機K101B作為備用機使用，采用HydroCOM無極調(diào)速系統(tǒng)的壓縮機K101A提供可變氣量。新氫壓縮機K101A的負荷可以在0%至100%之間進行調(diào)節(jié)。柴油加氫裝置機組預(yù)定負荷為30%，當(dāng)負荷低于預(yù)定負荷時，采用旁通閥控制的方式來實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。HydroCOM控制系統(tǒng)的控制回路都為閉環(huán)控制回路。

4.2 HydroCOM控制回路

壓縮機的基本控制回路包括[3]：

（1）控制器；

（2）分程模塊；

（3）信號線性化；

（4）中間接口單元；

（5）執(zhí)行機構(gòu)；

（6）旁通閥。

圖3所示是柴油加氫裝置往復(fù)壓縮機K101A一級控制回路。

圖3 基本控制回路(以進氣壓力控制為例)Fig.3 Basic control loop

4.3 把HydroCOM控制系統(tǒng)嵌入到壓縮機分程低選DELTAV DCS控制系統(tǒng)

高集成度的HydroCOM系統(tǒng)嵌入中心控制系統(tǒng)DELTAV中，它對控制方案和人機界面無影響。

4.4 現(xiàn)有的控制系統(tǒng)

圖4中原有控制方案由綠線和程序模塊表示。

圖4 原有控制方案（已簡化）Fig.4 Original control scheme（simplified）

4.5 增加HydroCOM系統(tǒng)后的控制系統(tǒng)

圖5中增加了HydroCOM后的控制功能由藍線和程序模塊表示。

圖5 增加HydroCOM后的控制方案Fig.5 Control scheme after adding HydroCOM

4.6 控制邏輯圖及其功能

采用了無極調(diào)速系統(tǒng)的K101A往復(fù)壓縮機有這樣幾個控制回路：

（1）壓縮機排氣壓力（即高分壓力）控制回路。

（2）壓縮機一返一壓力控制回路。

（3）壓縮機二返二壓力控制回路。

（4）壓縮機三返三壓力控制回路。

4.6.1 第一級控制系統(tǒng)

圖6是在第一級旁通控制的控制邏輯中加入無極調(diào)速HydroCOM系統(tǒng)后的分程控制原理圖。

4.6.2 第二/三級控制回路

圖7表示增加HydroCOM系統(tǒng)后的新功能，這些功能將被增加到第二級、三級的控制邏輯中。

4.6.3 分程功能塊

第一級和第二級現(xiàn)有的控制信號將用來控制無極調(diào)速系統(tǒng)和旁通閥。

圖6 第一級控制回路Fig.6 First stage control loop

圖7 第二級、三級控制回路Fig.7 Second stage and third stage control loop

K101A壓縮機旁通閥已有調(diào)節(jié)器輸出信號的范圍從0%到100%，本裝置定為往復(fù)壓縮機按滿負荷時的33%氣量考慮。假設(shè)已有PLS（壓力低選器）的輸出信號是壓縮機旁通閥的開度。分程功能模塊根據(jù)下表1所示的關(guān)系將控制信號的低段（對應(yīng)壓縮機高負荷）給HydroCOM系統(tǒng)，將控制信號的高段（對應(yīng)壓縮機低負荷）給旁通閥(表1)[4]。

表1 在正常工作條件下分程控制模塊的輸出信號Table1 Output signal of control module under normal working conditions

正常工況的分程點必須設(shè)定在HydroCOM系統(tǒng)的最低負值，因為是反向動作的控制信號，分程點70%對應(yīng)于壓縮機的最小負荷30%。

100%-分程點=HydroCOM最小負荷

這樣，比例積分控制器的控制輸出等于壓縮機當(dāng)前的負荷，并且可以用于DELTAVDCS顯示。

壓縮機的實際負荷=100%-PLS功能模塊的輸出值

如果控制信號像HydroCOM系統(tǒng)的信號適配那樣被正確放大和線性化，PLS的輸出信號將確確實實的反映了壓縮機的實際負荷。這個信號將可用來在DELTAVDCS顯示屏上顯示出來。

4.6.4 無極調(diào)速系統(tǒng)的故障處理和邏輯功能

HydroCOM具有判斷及處理故障的邏輯功能，系統(tǒng)可以自我診斷，能識別內(nèi)部故障并可以提供錯誤和報警信息。油壓、油溫變送器的信號都接入到DCS中，并記錄錯誤和報警值。油壓、油溫、液位信號參與壓縮機的啟停邏輯。安全聯(lián)鎖和錯誤處理也融進DELTAVDCS控制系統(tǒng)中的壓縮機啟停邏輯中，圖8顯示了HydroCOM需要的基本邏輯功能（這些功能必須嵌入到DELTAVDCS中）。

圖8 邏輯圖Fig.8 Logic diagram

5 結(jié)論

新氫壓縮機常規(guī)氣量旁通低選控制與賀爾碧格HydroCOM控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，是一種復(fù)雜的控制方案。該控制方案通過在大慶煉化分公司170萬t/a柴油加氫裝置機組成功設(shè)計和應(yīng)用，具有最優(yōu)的控制特性、最寬廣的調(diào)節(jié)范圍，讓流程更具柔性，并讓壓縮機的啟停更加自如，高度自動化的控制方式，僅需極少的人工干預(yù)、快速而精確的調(diào)控，滿足流程的動態(tài)控制需求，最大限度節(jié)省能源。自柴油加氫裝置機組開工投入運行以來，新氫壓縮機運行狀況平穩(wěn)，達到了設(shè)計應(yīng)用的目的。

［1］肖娜娜.Hydrocom系統(tǒng)在加氫精制裝置新氫壓縮機中的應(yīng)用[J].科技資訊，2007，21(8):2.

［2］劉建中,程曉燕,趙保興,等.HydroCOM系統(tǒng)在往復(fù)壓縮機上的應(yīng)用[J].節(jié)能技術(shù)，2006,24(3):245-247.

［3］賀爾碧格調(diào)速操作規(guī)程[S].賀爾碧格（上海）有限公司.

［4］賀爾碧格HydroCOM控制系統(tǒng)培訓(xùn)文件[R].賀爾碧格（上海）有限公司.

Bypass Gas Volume Adjustment and HydroCOM Stepless Speed Regulation Complex Control Scheme of New Hydrogen Compressor

YANG Li-feng1,LIU Zi-fu2,CONG Jun3
（1.Daqing Refining&Chemical Company,Heilongjiang Daqing 163000，China；2.HQC Liaoning Company,Liaoning Shenyang 110167，China; 3.CNPC Fushun Petrochemical Company No.3 Refinery,Liaoning Fushun 113006，China）

Basic composition and related working principles of bypass gas volume adjustment and stepless speed regulation control system of new hydrogen reciprocating compressor were introduced.The designs of bypass gas volume adjustment scheme and stepless speed regulation control scheme were discussed.In practical application,the switching between bypass gas volume adjustment and HydroCOM stepless speed regulation will not affect the normal operation of the compressor.

Bypass gas regulating;HydroCOM;Control scheme design;Energy-saving

TQ 052

A

1671-0460（2017）03-0556-04

2016-08-24

楊利豐（1971-），男，黑龍江大慶人，工程師，1991年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：儀表自動化。E-MAIL:YLF6869162@126.com。