气量无级调节系统与DCS及CCS集成控制的实现

赵庆林

（中海石油炼化有限责任公司惠州炼油分公司，广东惠州516086）

某加氢裂化装置配置有3台往复压缩机K101A／B／C，该压缩机将来自PSA的氢气经三级压缩、增压至15.5MPa后送至加氢反应系统，以补充反应系统自身循环氢量的不足，满足耗氢量的需求。其单机设计气量为9.83×104m3／h，在正常工况下装置仅需要单机设计气量的150%～160%，故3台压缩机的运行方式为2台并联操作，1台备用，富余的气量通过压缩机的旁路控制阀返回一级入口，造成压缩机能耗的大量浪费；此外，压缩机的原气量控制方案需要根据加氢反应系统的压力频繁调整压缩机旁路控制阀与反应系统进气阀，增加了操作难度。为解决上述问题，将其中1台压缩机K101A的负荷控制改造为HydroCOM气量无级调节系统。该调节系统投用后，压缩机的负荷调节简化为仅需输入期望的压力设定值，系统即自动跟踪并稳定该值，实现了0～100%内的无级、稳定调节，在保证气量供给的同时降低了压缩机的实际功率，进而达到了节约能耗的目的。

1 原气量控制方案

该压缩机原气量控制方案采用全行程顶开进气阀负荷调节和旁路回流气量调节相结合的方式，即先用全行程顶开进气阀的调节方式将压缩机的负荷控制在某一档位，再通过压缩机的旁路回流阀将出口的富余气量返回到一级入口。

1.1 全行程顶开进气阀负荷调节

该压缩机的负荷控制采用全行程顶开进气阀的分级调节方式。该压缩机的机械结构形式为三级压缩，每列2个气缸，其中第1，第2列气缸各安装4台进气阀、第3列气缸各安装2台进气阀，共20台进气阀，这些进气阀通过不同的开关组合，构成0，50%，75%，90%，100%共5档负荷调节。CCS通过负荷控制逻辑分别控制4台电磁阀XV70901／2／3／4，4台电磁阀又分别控制20台进气阀膜式执行器的仪表风的通断。仪表风通则膜式执行器下行，从而全行程顶开进气阀的阀片，使进气阀在活塞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，使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，气阀不作功；反之气阀失去被强制顶开的动力，成为依靠压差工作的自动阀，在气缸进气过程中，进气阀外侧压力高于内侧压力，气阀打开，在气缸压缩和排气过程中，进气阀内侧压力高于外侧压力，气阀关闭。

全行程顶开进气阀的调节方法简单，操作方便，只压缩实际需要的气体，从而有效地降低能耗。但只能分档粗调，实际生产过程中常与旁路调节相结合，只损失小于25%（或50%）的能量就可实现流量精细调节，是目前比较广泛使用的往复压缩机气量调节方法。

1.2 旁路回流调节

控制方案如图1所示，氢气自压缩机三级出口，经旁路控制阀PV11303减压后，再经过冷却和分液处理进入压缩机一级入口，如此反复循环，达到调节压缩机气量的目的。

PIC11303为压缩机入口分液罐压力控制器、PIC11001为反应系统冷高分罐压力控制器，二者的控制输出通过高选器PU11303控制旁通阀的开度，旁通阀的故障作用方式为F.O，控制信号为0时阀门全开，控制信号为100%时阀门全关。在正常工况下PIC11001作为主控制器，控制压缩机出口的回流量，以稳定反应系统压力，PIC11303作为超驰控制器，当压缩机入口压力高于正常操作值时，超驰PIC11001接管旁通阀的控制，减小阀门开度，减少压缩机出口气体返回量。

图1 “三返一”旁路回流调节方案

2 HydroCOM系统的控制原理

HydroCOM是专门为往复压缩机开发的液压式气量无级调节系统，主要由液压执行机构（HA）、液压油站（HU）和中间接口单元（CIU）组成。HA接受来自CIU的数字控制信号，在活塞的一个往复周期内通过卸荷器控制进气阀的开闭时间。HU通过高压液压油为执行机构提供所需的动力。CIU是HA和DCS之间信号交流的桥梁，它接受来自DCS的压缩机各级气阀的4～20mA控制信号，同时通过上死点传感器同步获取压缩机的转速和曲轴位置即活塞在气缸中的即时位置，实时计算出进气阀的动作时间，通过RS－485总线传递给HA，控制进气阀的开启和闭合时间，实现压缩机排气量0～100%全行程无级调节，在活塞的三个往复周期内便可改变压缩机的气量输出，从而完成了闭环控制。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，压缩循环中只压缩了需要压缩的气量，从而达到节能的目的。

3 控制方案的确定

压缩机K101A配置HydroCOM气量无级调节系统后需实现如下控制功能：

a）实现压缩机0～100%负荷内的无级调节，考虑到气体回流对温升的影响，建议压缩机在最低负荷（一般在20%左右）以上长期自动运行。

b）对压缩机总入口或出口压力进行自动控制，仅需输入压力设定值，系统即可自动跟踪并稳定此压力。

c）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。

d）具备手动操作、自动操作和系统切除的功能。当HydroCOM系统自身故障时可自动切除，原来的旁路回流调节方案接管气量控制任务，使用旁通回流阀调节气量，压缩机在100%负荷下运行。

e）实现压缩机的平稳启动、加载、无冲击切换和停机。

4 控制方案的实现

4.1 各系统之间互联信号的确定

该压缩机配置气量无级调节系统，需要DCS，CCS，CIU协调控制，才能实现压缩机的开机、停机控制和运行监控。

DCS实现压缩机气量控制和HydroCOM控制逻辑部分，其中，气量控制部分用来实现压缩机各级气量的调节和控制；HydroCOM控制逻辑部分用来实现HydroCOM系统的投用和切除。CCS实现压缩机本体运行状态的监控和自动开机、停机控制。CIU单元接受来自DCS的控制信号并提供信号处理功能，通过它的中间转换接口作用，使HydroCOM系统简化为一台接受4～20mA标准电流信号的调节阀，更易与现有的DCS集成在一起。

CIU承担的主要功能如下：

a）接收TDC传感器测量的曲轴转角脉冲信号以确定执行器动作的准确时间。

b）将DCS输出的4～20mA标准电流信号转化为作用于各级进气阀的启与闭的时间信号。

c）将HA反馈的阀腔温度信号，CIU投用、报警、出错等信号传输到DCS。

结合现有DCS，CCS的控制功能和信号分配及HydroCOM控制的需要，确定DCS，CCS，CIU之间的互联信号，如图2所示。

图2 DCS，CCS，CIU之间的互联信号

4.2 控制逻辑的实现

4.2.1 开机控制逻辑的优化

该压缩机的开机控制为全自动模式，其开机控制逻辑如图3所示。为实现与气量无级调节系统的无缝衔接，对该开机控制逻辑做如下优化：

a）取消压缩机原来的全行程顶开进气阀分级负荷调节功能，相应地取消CCS控制器实现的负荷控制逻辑和开机控制逻辑中的“负荷控制为就地方式”条件。

b）“负荷控制在0”的条件判断由分级负荷控制方案中的0档位改为DCS的一级气量控制输出为0。

c）压缩机允许启动逻辑中增加“液压油站压力正常”允许启动条件，以强制打开气阀，保证压缩机在0负荷启动。

d）允许负荷控制信号发送给DCS，作为HydroCOM系统的启动条件之一。

e）负荷控制投用的判断条件由分级负荷控制方案中的非0档位改为DCS的一级气量控制，输出大于5%。

4.2.2 HydroCOM系统启停逻辑

该逻辑实现HydroCOM系统的启动、停止控制。在液压油站油泵、压缩机主电机正常启动后，当接到CCS传来的允许压缩机加载信号时，HydroCOM系统具备启动条件，按下系统“使能”按钮，CIU Enable信号有效，发送给CIU单元，启动CIU信号处理功能，接受DCS气量控制信号，控制进气阀的开关时间。

图3 压缩机开机控制逻辑

当液压油站的液位过低、温度过高、压力过低、CIU错误时，联锁停运油站油泵，气阀失去动力源，HydroCOM专用气阀失去负荷控制功能，转换为普通气阀承担正常的进气任务，压缩机在100%负荷运行，30s后自动停止CIU信号处理功能。

4.2.3 气量控制方案优化

压缩机配置HydroCOM系统后，气量调节控制方案原理如图4所示。

图4 HydroCOM气量调节控制方案

其中一级负荷控制分程模块的功能如下：

a）输出给旁通阀手操器HV11303的信号分程范围为X1～100%转换为0～100%，X1为信号分程点。当CIU Enable ＆HV72001A.mode＝1，即CIU投用且HydroCOM一级负荷手操器处于串级模式时，X1＝80%；当CIU Enable ＆HV72001A.mode＝0，即CIU未投用或HydroCOM一级负荷手操器处于手动模式时，X1＝0。

b）输出给HydroCOM一级负荷手操器HV72001A的信号分程范围为0～80%转换为100%～20%。

c）由于分程模块接收的输入信号是控制压缩机旁通阀的开度，亦即控制压缩机出口气体回流量（0＝全关，100%＝全开），而一级负荷控制信号控制压缩机的进气量，0时为零负荷，100%时为满负荷，故二者为反相关系。

d）压缩机不能长时间在20%负荷以下运行，否则压缩机的进气温度可能超高，故在气量无级调节系统投入自动时，将信号分程点X1设定为80%。当分程模块接收的输入信号低于80%时，旁通阀全关，由进气阀在20%～100%内控制压缩机的负荷；当分程模块接收的输入信号高于80%时，进气阀将压缩机负荷保持在20%，由旁通阀在0～100%开度内控制压缩机的返回气量，维持压缩机的出入口压力在正常操作范围内。

e）HV72001A.mode表示HydroCOM一级负荷手操器HV72001A的操作模式，1＝串级，0＝手动。

该压缩机原来的气量调节方式为“三返一”旁路回流调节，没有级间压力控制手段，原来的分级负荷控制逻辑控制着一、二、三级气阀在各级负荷下的动作。改造为气量无级调节系统后，需要增加二、三级负荷控制器，为此利用“一入二出”安全栅将二、三级入口压力信号引入DCS，新做2台单回路PIC控制器，以控制二、三级的压缩负荷。为稳定压缩机的运行，避免压缩机剧烈振动，分别将一、二、三级气阀的控制信号进行非线性处理，以避开压缩机的高振区。

5 结束语

HydroCOM系统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，节省了压缩机外回流所做的无用功，获得了显著的节能效果。从实际应用来看，投用HydroCOM系统后，在装置满负荷工况下，压缩机50%的负荷即可满足工艺系统的要求，此时主电机的电流为100A，较之以前减少100A。主电机的电压为6 000V，若电机功率因数按0.8，每度电价按0.68元，一年运行按8 400h计算，一年可节省电费475万元。

HydroCOM系统投用后，即维持了压缩机自身的自动控制逻辑不变，又优化了气量控制方案，使压缩机的整个控制功能更趋合理，操作更简单方便，可以实现压缩机的平稳加载、无冲击切换及停机，改善了机组的运行状况。同时，降低了开机时对工艺系统的影响，系统工艺参数更加稳定，压缩机的运行更加平稳。

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