往复压缩机无级负荷调节系统无法投用分析

高松林

中国石油四川石化有限责任公司， 四川 彭州 611930



往复压缩机无级负荷调节系统无法投用分析

高松林

中国石油四川石化有限责任公司， 四川 彭州 611930

为使渣油加氢装置新氢往复压缩机K-4001 A减少电量消耗，最大限度节约能源，降低压缩机运行的总费用，有必要分析影响渣油加氢装置新氢往复压缩机K-4001 A无级负荷无法投用的原因并解决存在的问题。通过对照无级负荷调节系统设计资料及其他装置无级负荷调节系统分析发现因低选器选值不正确、分程控制器发生作用的逻辑不正确、压缩机系统设计缺陷导致渣油加氢装置新氢往复压缩机二、三级无级负荷调节无法实现是影响K-4001 A无级负荷系统无法投用的原因。在消除影响新氢复往压缩机无级负荷无法投用的因素后，K-4001 A无级负荷使用正常，降低了K-4001 A的电能消耗，同时对设备的长周期运行起到重要作用。

往复压缩机；无级负荷；无法投用；分析

0 前言

某300×104t/a渣油加氢装置有3台新氢往复压缩机(K-4001 A、K-4001 B和K-4001 C)，由美国德莱赛兰公司制造，型号3 HHE-VL-3，进口压力2.0 MPa、出口压力20.61 MPa、额定流量569.2 m3/s、电机额定电压6 000 V、额定电流406.5 A。3台新氢往复压缩机两用一备，当K-4001 A与K-4001 B或K-4001 C组合使用时，K-4001 B、K-4001 C负荷为100% 运行且没有无级负荷调节，为节约能耗，新氢往复压缩机K-4001 A采用无级负荷调节。

无级负荷调节是通过控制系统实时监控处理压缩机运行状态数据，并将4～20 mA电流信号作用至现场执行机构，通过液压执行机构控制进气阀的开启与关闭时间，实现新氢往复压缩机排气量0%～100% 无级负荷调节，在压缩过程中延迟关闭进气阀，使多余气体不经压缩而重返进气总管，只压缩实际需要的气量，从而节省压缩机的电量消耗,最大限度节约能源，降低压缩机运行总费用[1-4]。

在实际运行中，K-4001 A的无级负荷调节系统不能正常工作，导致能耗增加，未起到节约能源的作用。

1 新氢往复压缩机控制系统

新氢往复压缩机控制系统见图1，由图1可知，K-4001 A与K-4001 B或K-4001 C同时运行时，出口总压力(PT 4003)是通过低选器(PY 4003)值作用于中间接口单元(CIU)[5-12]，实现K-4001 A无级负荷调节及旁路阀(PV 4003)开度。最终实现K-4001 A负荷满足出口总压力需求，同时PV 4003全关以保证不做无用功。

新氢往复压缩机出口总压力经调节器(PC 4003)输出控制值在PY 4003与新氢往复压缩机入口压力(PT 4002)输出控制值进行比较，由于PT 4002为新氢压力低保护，设定值为允许最低工作压力，测量值高于设定值，调节器(PC 4002)电流信号值为20 mA，因此正常操作时由PC 4003对新氢往复压缩机无级负荷调节系统进行控制，来调节压力。

K-4001 A采用HydroCOM气量无级调节和监控系统，当K-4001 A与K-4001 B或K-4001 C同时运行时，若新氢往复压缩机出口总压力下降，PC 4003输出值增大，控制新氢往复压缩机旁路阀PV 4003开度减小至完全关闭，之后通过无级负荷调节系统增大新氢往复压缩机负荷，使出口总压力上升；若出口总压力增大，PC 4003输出值减小，通过无级负荷调节系统控制新氢往复压缩机负荷降低，当新氢往复压缩机负荷下降至20% 时，出口总压力仍然大的情况下，逐渐增大旁路阀PV 4003开度，使出口总压力下降；当K-4001 B与K-4001 C同时运行时，PC 4003通过调节PV 4003的开度来控制出口总压力。

非正常状况下，PT 4002过低时，则其输出值减小，用PY 4003替代PC 4003控制新氢往复压缩机负荷及旁通阀来调节新氢往复压缩机入口压力。无级负荷调节系统运行时，新氢往复压缩机负荷及旁通阀调节控制方式见图2。

图1 新氢往复压缩机控制系统

图2 无级负荷控制

2 HydroCOM系统

HydroCOM系统主要由中间接口单元(CIU)、液压油站(HU)、液压执行器(HA)、TDC传感器及相关附件等组成[13-16]。

HydroCOM系统只对实际需要的气量进行压缩，余下气体在压缩行程的开始阶段，回流到进气腔内。只压缩所需气量，节省能耗。

HydroCOM系统和返回线控制属于分程控制。正常情况下，PY 4003的输出信号至CIU实现一级气缸负荷的控制，二级、三级则采用级间压力作为控制变量，经CIU 处理后通过现场总线送到各级执行机构，由各级执行机构完成最终进气阀开启或关闭的控制任务。CIU是一个接口设备，本身没有压力控制器，它接收来自DCS或其他控制器的二进制“Enable”信号和“4～20 mA”的模拟控制信号。

由图1～2可知，当输出控制值为0%～20% 时，K-4001 A运行最小无级负荷为20%，随着负荷增大,PV 4003的开度由100逐渐关至0，PV 4003开度与负荷的关系为100-5X。输出控制值在20%～100% 时，PV 4003开度为0，即旁路阀呈关闭状态且开度不随负荷的增大而增大，K-4001 A的负荷随输出控制值成线性关系，负荷值与输出控制值大小在数值上相等。

HydroCOM系统功能特点：

1)HydroCOM系统能对新氢往复压缩机出口总压力在20%～100% 负荷时实现无级调节。

2)可以对新氢往复压缩机各级压力分别调节，使各级压力稳定并趋于设定值。

3)能够实现自动加载和手动加载两种调节方式。

4)保持0负荷开机，并能在此工况下运行5 min。

5)具有自保联锁功能。当机组自停时，系统自动切断；当系统自身故障时，系统自动切断并切换到机组100% 负荷运行。无级负荷调节系统若不投用，K-4001 A可以手动给定负荷调节。

3 渣油无级负荷调节分析

由图2和新氢往复压缩机控制系统分析并可以得出：

1)若出口总压力降低，PC 4003输出控制值增大，旁路阀开度逐渐关至0，此时若出口总压力仍然低于设定值，无级调节负荷从20% 逐渐增加，出口总压力上升，系统恢复稳定。在正常生产运行中旁路阀全关，出口总压力低靠增加压缩机负荷来实现。

2)若出口总压力上升，PC 4003输出控制值减小，无级调节负荷逐渐降低至20 %，此时出口总压力仍高于设定值，旁路阀逐渐开启，出口总压力下降，系统恢复稳定。

3)以上两种情况满足的前提是PT 4002实际测量值高于设定值，根据PY 4003低选比较的结果由PC 4003接管控制系统。

4)若PT 4002低于设定值时电流信号值4 mA，根据PY 4003选择结果无级负荷调节系统由PC 4002控制，PC 4002输出减小，旁路阀逐渐开启，PT 4002逐渐恢复，系统趋于稳定。压力恢复正常操作压力PC 4002电流信号值20 mA，此时系统根据低选由PC 4003进行控制。

5)由图2知PV 4003在输出控制值0%～20% 时，无级调节系统最低负荷20%，对应的PV 4003开度由100逐渐变化至0,且开度与输出控制值满足100-5X关系。输出控制值在20%～100% 时，由于无级调节负荷值与输出控制值呈线性关系，此时K-4001 A的无级调节负荷值等于输出值。

4 无级负荷无法投用原因及解决措施

4.1 低选器选值不正确

根据设计，低选器比较PC 4002和PC 4003输出值后，选择其中低值者来控制系统。PY 4003选择的低选值是电流值，同时前提是PT 4002的设定值为最低压力，远低于新氢管网压力，这样PC 4002电流信号值为20 mA，除非PT 4002的实际测量值低于设定值，这时PC 4002电流信号值为4 mA。无级调节负荷系统就能根据PY 4003比较的结果，正确选择用PC 4002或PC 4003来控制系统。

在实际集散控制系统(DCS)逻辑中，PC 4002及PC 4003低选值是控制阀的阀开度值，与设计电流值不符，在实际运行不能准确判断系统由谁控制，投用后系统波动很大，虽然后期调整为高选，但选择比较的结果仍然是阀开度值，而不是两者的电流值，只能改手动控制，无级负荷调节系统则停用。另外操作要求PT 4002的给定值为压缩机入口最低允许压力值，此值远低于新氢来管网压力值，同时要求PT 4002实际压力测量值高于压力给定值时输出电流20 mA,实际压力测量值低于压力给定值则输出电流4 mA。无级负荷调节系统就能满足设计的要求,能准确判断系统由PC 4002或PC 4003控制。

4.2 分程控制器发生作用的逻辑不正确

由渣油无级负荷调节分析及图2可知，PC 4003接管系统，阀开度值在20%～100% 时，无级负荷系统调节值与阀开度值相等，旁路阀开度全关。0%～20% 时，新氢往复压缩机K-4001 A无级负荷调节值20 % 保持不变，出口总压力由旁路阀开度调节且阀开度满足100-5X关系。

运行中一般由PC 4003控制新氢往复压缩机K-4001 A一级负荷及旁通阀开度，当新氢往复压缩机入口氢气中断则用PC 4002来控制。实际运行中压缩机给定负荷不满足上述设计要求，因此无法实现自动无级负荷调节。

4.3 压缩机系统设计缺陷

HydroCOM系统和返回线控制属于分程控制，特点是一个调节器的输出同时控制几个工作范围不同的调节阀[17]。实际上一级、二级通过采用级间压力为控制变量，经CIU 处理后通过现场总线送到各级执行机构，由各级执行机构完成最终进气阀开启或关闭的控制任务。由于新氢往复压缩机二级、三级负荷控制缺少控制阀门，缺少一回一和二回一气量调节控制阀门及工艺管线，多余的气体留在上一级造成压缩机十字头销磨损，十字头瓦烧毁。K-4001 A运行过程中曾在一级负荷80% 左右、二级负荷略低、三级负荷接近5 % 时压缩机十字头销磨损，十字头瓦烧毁的情况。分析造成的原因为三级只需用到5 % 的气量，绝大多数留到二级出口，造成二级出口压力高，二级在压缩气体克服阻力的过程中造成十字头销和十字头瓦的损坏[18-20]。

实践证明一回一线、二回一返回且返回线上若设有控制阀，通过分程控制将多余气体返回，则不会发生压缩机的损坏。

5 结论

渣油加氢装置中新氢无级负荷调节系统无法投用的原因有:

1)无级负荷调节系统低选器因低选值错误，造成低选器不能正确选择控制方案。

2)PC 4003分程控制发生作用的逻辑不正确，新氢往复压缩机无级负荷调节与返回线旁路阀开度不能按图2的要求实现。PC 4002控制情况少见，但也需检查逻辑是否符合设计要求。

3)二、三级无级调节负荷的控制逻辑无法满足生产需求，在不改变管线的前提下可以将二、三级的负荷值在DCS逻辑上实现与一级负荷一致。

通过修改无级负荷调节器低选值为电流信号值和PC 4003分程控制逻辑存在的错误以及二、三级的负荷值在DCS逻辑上与一级负荷一致，K-4001 A实现了在20 %～100 % 负荷下的自动控制且运行效果良好。

将上述影响压缩机无级负荷调节正常投用的因素排除后，新氢往复压缩机无级负荷调节系统发挥作用，对新氢往复压缩机的节能降耗及长周期平稳运行起到重要作用。

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2015-09-10

高松林(1983-)，男，四川成都人，工程师，学士，主要从事渣油加氢工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.020