往复压缩机气量无级调节系统的原理及应用.doc

往复压缩机气量无级调节系统的原理及应用2007年第3期(总203期)压缩机技术文章编号:1006-2971(2007)03-0013-05往复压缩机气量无级调节系统的原理及应用梁涌(北京燕化石油化工设计院,北京102500)摘要:简述了往复压缩机的几种气量调节方式,重点介绍了部分行程顸开进气阀调节方式的原理.以贺尔碧格公司的HydroCOM气量无级调节系统为例,介绍了其工作原理,组成及其应用实例.关键词:往复压缩机;气量调节中图分类号:TH457文献标识码:APrincipleandapplicationoftheinfinitelyvariablecapacityregulationsystemforreciprocatingcompressorsLIANGYong(BeijingYanhuaPetrochemicalDesignInst.,Beijing102500,China)Abstract:Severalflowrateregulatingmethodsforreciprocatingcompressorweredescribed.Theprincipleofpartialstrokepress?offsuctionvalvewasintroducedespecially.TakingHydroCOMforexample,theprinciple,componentsandapplicationoftheinfinitelyvariablecapacityregulationsystemwereintroduced.Keywords:reciprocatingcompressor;flowrateregulation1前言往复压缩机是一种容积式压缩机.这类压缩机具有装盛气体的气缸及压缩气体的活塞,气缸上有控制进,排气的阀门.当活塞作往复运动时,气缸容积周期性地变化,在气阀的配合下,实现气体的吸进,压缩和排出.往复压缩机具有排气压力高且稳定的特点,在石油化工企业应用十分广泛.由于往复压缩机属于容积式压缩机,在正常操作条件下的出口流量是基本不变的.但现今石化企业生产弹性很大,压缩机使用过程中,往往要满足不同工况的流量要求,当工艺过程所需气量小于压缩机实际排气量时,就需要对压缩机的排气量进行调节,以使压缩机的排气量适应耗气量的要求.因而采用何种方式进行气量调节,就成为一个需要认真考虑的问题.2气量调节方式往复压缩机的气量调节主要实现方式有下列几种:(1)转速调节方式(可分为连续转速调节和间断转速调节);(2)管路调节方式(可分为节流进气,切收稿日期:20070325断进气,进排气管连通即旁通管路调节);(3)顶开进气阀调节方式(分为全行程顶开进气阀,部分行程顶开进气阀);(4)连通补助容积方式.其中目前比较常用的往复压缩机气量调节的主要方式有两种:2.1旁路调节这是目前使用较广泛的一种调节方式,属于管路调节的一种方案.主要方法就是将压缩机排出的气体通过旁路管线和旁通阀全部或部分返回进气管,从而实现流量调节.这个方案的优点是结构简单,流量可连续变化,各级压力比保持不变,保证了压缩机运行的稳定性.但是,这个方案是对工艺上不需要的气体同样进行压缩,造成压缩机电机功率的过多消耗,同时压缩机高负荷运行,增加了不必要的机械损耗.故此方案限于短期运行或者作为微调手段.2.2顶开进气阀这种调节方式是在全部或部分压缩行程中强制顶开进气阀,使在进气行程中被吸入缸内的气体重新返回到进气管中.这就是所谓回流调节原理.只压缩实际需要的气体,从而有效地降低能耗.按照进气阀在压缩机工作循环周期里被顶开时问的长短,分为全行程顶开进气阀和部分行程顶开进气阀压缩机技术第3期两种调节方式.2.2.1全行程硕开进气阀利用气阀阀片顶开装置,将进气阀阀片强制顶开,使进气阀在每个工作循环过程中始终处于全开状态,气体可通过进气阀自由进出气缸,排气量为零.对于第一级为1个双作用气缸布置的压缩机而言,气量调节步骤为0%50%一l00%;对于第一级为2个双作用气缸布置的压缩机而言,气量调节步骤为0%_25%50%_75%一l00%.属于间断调节方式,使用也比较普遍.全行程顶开进气阀的调节方法结构简单,操作方便,功耗主要用于克服气阀的阻力,能耗较小,投资较少.但其缺点是:(1)存在十字头销的润滑问题;(2)只能分档粗调(如:0%_25%一50%一75%一l00%).实际生产过程中常与旁路调节相结合,只损失<25%(或50%)的能量就可实现流量精细调节,是目前最广泛使用的往复压缩机的调节方法.2.2.2部分行程项开进气阀进气阀在气缸进气行程结束后,被强制保持在开启位置.在压缩过程的部分行程中,气体从气缸中被顶开的进气阀返回进气管.当活塞运动至一定位置时,顶开进气阀片的强制力消失,阀片回落到阀座上,进气阀关闭,气缸内剩余的气体开始被压缩,达到额定排气压力后,从排气阀排出,容积流量减小.通过对进气阀关闭时间的控制,达到连续调节容积流量的目的,即在0%(10%)100%之间连续调节.这种调节方法是调节往复压缩机排气量的一种理想方法,并且具有卓越的节能效果,但由于需要精确计算顶开进气阀阀片的时间,执行器动力快速高频切换,执行部件的快速响应(毫秒级),因此对控制器和电磁阀都有极高的要求.虽然国内外都有一些机构对此进行了研究,但难以在工程中得到应用.近年来由于电子技术的迅猛发展,超高速控制器,电磁阀相继问世,出现了成熟的部分行程顶开进气阀式气量无级调节系统,并成功应用于工程领域,贺尔碧格公司的HydroCOM系统就是最成功的一个.3部分行程顶开进气阀调节方法的工作原理随着活塞在压缩机气缸中的往复运动,每个气缸侧的一个正常工作循环包括:(a)余隙容积中残留高压气体的膨胀过程,如图1所示AB曲线,此时压缩机的进气阀和排气阀均处于正常的关闭状态;(b)进气过程,如Bc曲线,此时进气阀在气缸内外压差的作用下开启,进气管线中的气体通过进气阀进入气缸,至c点完成相当于气缸100%容积流量的进气量,进气阀关闭;(C)cD为压缩曲线,气缸内的气体在活塞的作用下压缩达到排气压力;(d)DA为排气过程,排气阀打开,被压缩的气体经过排气阀进入下一级过程.如果在进气过程达到c后,进气阀在执行机构作用下仍被强制地保持开启状态,那么压缩过程并不能沿原压缩曲线由位置C到位置D,而是先由位置C到达位置Cr,此时原吸人气缸中的部分气体通过被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩;待活塞运动到特定的位置Cr(对应所要求的气量)时,执行机构使顶开进气阀片的强制外力消失,进气阀片回落到阀座上而关闭,气缸内剩余的气体开始被压缩,压缩过程开始沿着位置cr到达位置Dr.气体达到额定排气压力后从排气阀排出,容积流量减少.这种调节方法的优点是压缩机的指示功消耗与实际容积流量成正比,是一种简单高效的压缩机流量调节方式.这就是压缩机的回流省功原理.p排气P进气图1回流省功原理图压缩机运行过程中所需的能量与图1中ABcrDr围成的封闭曲线面积成正比.针对HydroCOM系统,顶开进气阀的执行机构是液压执行器,液压执行器与专用气阀如图2所示.在HydroCOM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.当HydroCOM系统作用时,由快速电磁式液压执行器顶开的进气阀在压缩过程中保持开启.此时压力曲线走势并不沿原曲线由位置c到位置D,而是由位置c到达位置cr.从位置c到位置cr,压力有略微的升高,这是因为气阀内的阻力第3期梁涌:往复压缩机气量无级凋节系统的原理及应用损失引起的.随着部分气体从气缸中返回进气管线,被压缩的气量减少了.到位置Cr时,执行器中的电磁阀通电,使卸荷器释放,进气阀关闭.压缩过程沿着位置Cr到达Dr.图2HydroCOM系统的工作原理当HydroCOM系统由于某种原因不能正常工作时,气阀仍能象普通气阀一样承担正常的进气任务,最大限度地保证生产装置的安全运行.4控制系统的组成HydroCOM系统由以下几部分组成:4.1中间接口单元CIUCIU是HydroCOM系统与用户DCS系统之间的信号交换处理接口.CIU由单级接口模块SIM(每级1块,最多6块),总接口模块GIM,内部电源模块IPS组成.每个SIM可以控制多达8个执行器,执行器之间采用总线连接.CIU承担的主要功能是:(1)将液压执行机构HA反馈的阀腔温度传递给DCS,将报警,出错,仿真等信号传递给DCS;(2)通过RS一232接口连接一台电脑可对CIU进行组态和检测;(3)接受TDC传感器拾取的曲轴转角脉冲信号以确定执行器动作的准确时间.4.2液压执行器HA液压执行机构HA是一组通过卸荷器对气阀产生作用的部件总和,它由阀室,密封室和电气室3部分组成.由液压油站HU提供实现该动作功能所需的液压动力,CIU进行实时控制,EPS提供48V直流电压.压缩机的每个进气阀均需安装一个液压执行器.根据阀室内电磁阀的不同位置,执行器内的液压活塞承受从液压装置中传递的高压液压力或者大气压力,内置的高压活塞通过顶杆驱动进气阀卸荷器.在执行器中还安装有一个温度传感器,测量点靠近进气阀阀室外盖.4.3液压油站HU液压油站HU提供高压液压油向执行器HA提供动力.4.4上止点传感器TDCTDC传感器传递活塞在气缸中的即时位置.为使TDC传感器能获得信号,需要在压缩机飞轮或曲轴垂直于传感器的方向上钻一个直径约20mm深10mm的孔.TDC信号传人CIU进行处理后与从DCS或其它控制器来的各级控制器的信号进行计算,然后由现场总线传给执行机构以控制进气阀的实际启闭时间.4.5外部电源EPSEPS向执行器的电磁阀提供48V.DC电源.4.6DCS或PLC系统既可用DCS系统,也可用外加的PLC系统来实现对压缩机的控制.PID调节器根据压缩机的压力信号计算输出420mA的标准电流控制信号,CIU接收此电流信号转换为执行器的控制信号.整个HydroCOM系统的控制画面及报警信息均由DCS组态实现.5典型案例中石化北京燕山分公司炼油厂连续重整装置K202重整氢增压机组,由3台4M40联合往复压缩机组成.采用两用一备的运行方式,K202B/K202C互为备机,100%满负荷运行,K202A常开.目前随着生产处理量的提高,只开一台压缩机无法满足生产需要,开两台压缩机排气温度升高无法保证压缩机的正常平稳运行.本解决方案为在K202A上增加一套HydroCOM压缩机气量无级调节系统.K202A压缩机组的标准设计为4个气缸,I,级各有2个气缸,I级每个气缸有6个进气阀,级每个气缸有4个进气阀.因为压缩机I级两个气缸之间的距离太近,每个缸的轴和盖侧各有一个进气阀安装执行机构的空间不足,经过计算,I级每个气缸和级每个气缸各使用4个专用气阀就可以满足压缩机的运行要求,该4个进气阀用盲阀代替.原压缩机组控制方案为压缩机I,级总人口压力调节回路和级总出口压力调节回路构成的超嚣嚣压缩机技术第3期驰和分程控制系统.本方案将HydroCOM系统的主控变量定为K202机组的I级总入口压力或级总出口压力,两个主控变量控制器之间设置低分选择器(LSS),即谁的输出百分值低就掌握压缩机总负荷的控制权.辅控变量为级总入口压力(即K202A的级进气压力),HydroCOM系统可跟踪并稳定此压力.当增压机后续装置的耗氢量高于重整装置的产氢量时,K202机组级总出口压力有下降趋势,用于控制级总出口压力的HydroCOM控制器输出百分值,大于用于控制I级总入LI压力的HydroCOM控制器的输出值,压缩机优先控制I级总入口压力,此时HydroCOM系统跟踪并稳定K202机组I,级总入口压力.当增压机后续装置的耗氢量低于重整装置的产氢量时,K202机组级总出口压力有上升趋势,用于控制级总出LI压力的HydroCOM控制器输出百分值小于用于控制I级总入LI压力的HydroCOM控制器的输出值,压缩机优先控制级总出口压力,此时I级总入口压力会升高,当压力超过超弛系统控制器的设定值时,直接开启放空阀进行放空,Hydro.COM系统跟踪并稳定K202机组级总入口压力和级总出口压力.图3K202A气量无级调节系统的控制方案图3中云线内为本次改造需要DCS增加组态旁通阀在输出信号为0分程点时动作,输出的部分.信号为分程点100%时保持关闭状态.因该机进行改造时,客户的意见是设定Hydro.UIC实现的功能是:将压缩机的实际负载信号COM系统最低负荷为30%,故负荷调节的实际有效经过线性化处理后,与最小负载值通过高选器进行范围为30%100%.分程点的设定:HydroCOM处比较,取高值作为负载控制信号,输出去CIU相应于自动状态时为30%;负荷大于30%时,由Hydro.的SIM,控制HA的动作.手动状态时,最小负载值COM负责负荷控制;在负荷小于30%时,HydroCOM为0%;自动状态时,最小负载值为30%.控制负荷在30%,同时打开旁通阀辅助达到控制目这个方案在保留原控制方案的同时,增加了新的;HydroCOM处于手动状态时分程点设为100%,的控制内容.具体实现是将HydroCOM系统的压力由旁通阀实现气量调节.为保证手/自动切换时执设定点稍低于原方案超驰控制系统的压力设定值.行机构的平稳切换,要求分程点平滑移动,本次改造从而保证正常情况下超驰系统不起作用,HydroCOM要求以最快每秒2%的速率在30%100%之问移系统优先获得控制权;HydroCOM系统故障时,超驰动.系统接手控制任务.2007年第3期(总203期)压缩机技术匦嫜躺_1oo6_2971(砌)o3删7T型槽串联式干气密封在加氢裂化循环氢压缩机中的应用黄绍硕.权军胜(湛江东兴石油企业有限公司,广东湛江524000)摘要:通过对带中间迷宫的T形槽串联干气密封在湛江东兴石油企业有限公司12010咄/年加氢裂化循环氢压缩机组的成功使用,从干气密封的基本原理,结构特点以及控制系统流程和主要参数设置等方面展开论述,并对干气密封的优化改进要点加以分析总结.关键词:干气密封;原理;控制系统;优化改进中图分类号:TH45文献标识码:B1概述司)成套引进,其主要技术参数:湛江东兴石油企业有限公司120X10吨/年加氢裂化装置,已于2005年3月26日开汽成功,作为中石化第一套采用总承包的装置,从筹建到投产,历时10个多月,创造了国内同类装置建设时间最短,管理模式最新以及投资最省3项纪录.作为该装置心脏的循环氢压缩机C4102,其核心技术的干气密封更是连续平稳运转18个月,至今没有出现故障.该干气密封型式