国产气量无级调节系统在重整氢增压机K202A上的应用

况成虎 赵全升 付超伟 周宝江

(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳，471012)

工艺与设备

国产气量无级调节系统在重整氢增压机K202A上的应用

况成虎 赵全升 付超伟 周宝江

(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳，471012)

介绍了洛阳分公司0.7Mt/a连续重整装置重整氢增压机改造前后的状况，针对原运行方式有大量的能耗浪费，现采用国产环瑞HRCS气量无级调节系统后节能效果明显。阐述了HRCS气量无级调节系统的工作原理和控制方法。它改变了传统的对压缩机气量调节的方法，并利用智能化液压调节机构，快速、准确地控制压缩机的压力和流量，实现气量0%～100%的连续调节，还可以实现压缩机的平稳启动、切换和停机。

连续重整装置 重整氢增压机 气量无级调节 节能

1 前言

洛阳分公司连续重整装置原设计采用法国IFP第一代连续重整专利技术，2005年7月起实施了国产化连续重整技术改造，设计年加工能力为70万吨，以石脑油(初馏点-175℃)为原料，生产富含芳烃的重整生成油(重整生成油的辛烷值RONC=102，芳烃含量78%)，作为芳烃原料和汽油调合组分，同时富产氢气和少量的液化气[1]。

重整装置重整氢气增压机K202A/B/C/D共 4台，为二级四列往复式压缩机，由沈阳气体压缩机厂制造，K202A/B/C单台压缩机设计流量为16330Nm3 /h,K202D单台压缩机设计流量为25000Nm3 /h[2]。K202A/B/C/D的原设计负荷控制只有五档(0%、25%、50%、75%、100%)调节，它不能够实现无级调节且流量调节跨度较大，正常情况下由于重整负荷及产氢量的变化，必须配合使用K202A/B/C/D共用的旁通回流的调节方式满足工艺系统对气量的要求，这种方式满足了工艺生产的需要，但造成了能源的巨大浪费。此外,为了保证重整的反应压力及用氢量的变化,在原有控制方案下操作工需要根据反应系统的压力频繁到现场调整压缩机负荷,增加了操作工的工作量。目前我们对K202A安装使用HRCS气量无级调节系统，通过控制压力和流量实现了气量0%～100%的连续调节，而且通过智能化的液压调节机构，快速、精准地实现了压缩机的平稳启动、切换、停机和调整压缩机所需要的气量，最大限度的节约能源。

2 HRCS气量无级调节系统工作原理

HRCS气量无级调节系统是基于部分行程顶开进气阀原理的无级调节系统，可以实现排气量0%～100%范围内无级调节。电-液伺服执行机构根据控制模块输出的信号控制进气阀的开和关。通过控制进气阀的关闭时刻可以调节压缩行程实际压缩的气量，达到调节排气量的目的。

2.1 HRCS气量无级调节系统的工作原理

顶开气阀的无级气量调节系统的原理如图1所示，高速电磁阀控制着液压缸的液压通路，当电磁阀带电时，阀芯动作使液压缸与液压站的高压油路连通，液压力推动液压活塞，执行机构在液压活塞的作用下被压下，强制打开进气阀；当电磁阀断电时，阀芯复位使液压缸与液压站的低压回油路连通，压叉在复位弹簧作用下复位，气阀在气体力与阀片弹簧作用下关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩。压缩机达到所需气量的关键，是确定进气阀的延迟关闭时间，进气阀延迟关闭时间又是由电磁阀的带电时间长短决定的。

图1 顶开气阀的无级气量系统原理图

图2 气量调节时的p-V图

具有气量调节功能的压缩机工作过程气缸内的p-V图如图2所示。当压缩机处于膨胀过程AB时，电磁阀未接通；进入吸气阶段BC，进气阀在气体力的作用下开始打开时，电磁阀接通，柱塞在高压油作用下推动压叉使进气阀片贴合在限制器表面；压缩机进入压缩阶段时，电磁阀仍然处于通电状态，阀片仍然被压叉固定在限制器上，此阶段CCr即为回流阶段，它将多余的气量不经过压缩自动排进进气管路中；在CrDr阶段，电磁阀断电，阀片在气体力作用下自动关闭，压缩机进入压缩阶段；DrA即为压缩机的排气阶段。这一整个过程中，气缸内气体通过进气阀回流到进气腔或者进气管路中，达到减小排气量的目的，从p-V图上也可以发现后者节省了循环指示功，相比于现有的旁通管路气量调节方式，实现了压缩机的节能。

2.2 系统实现的功能

(1)可实现压缩机排气量0%～100%范围内的气量无级调节。当系统在30%负荷以下时，系统调节性能降低，节能效果降低，且影响电磁阀的寿命，因此在压缩机运行时，考虑系统稳定性和效果，一、二级的负荷手动值建议不要在在低于30%负荷情况下长期运行；

(2)压缩机轴功率随着排气量的降低成比例减小，节能效果显著；

(3)与原DCS系统可以兼容并行，具有手动模式与自动模式，手动模式下可以主动设定压缩机负荷，也可以让负荷以一个平稳的速率自动上升或降低，达到系统平稳投入和切除的目的；

(4)当调节系统出现故障时，可发出故障信号至DCS，此时DCS可依据故障信号切除HRCS气量无级调节系统系统，在必要时也可以手动切除，系统切除后压缩机在原控制系统下运行；

(5)控制压缩机的各级排气压力，将其稳定在允许范围内。

3 HRCS气量无级调节系统组成

HRCS气量无级调节系统主要包括机械执行机构、液压系统和控制系统三大部分。

3.1 机械执行机构

机械执行机构包括专用进气调节阀和液压执行器组件，主要功能是接受来自控制模块的信号，适时启闭电磁阀，从而接通或断开来自液压油站的高压油，以控制顶开进气阀的时间，实现压缩机排气量的调节。

3.1.1 专用进气调节阀

图3即为HRCS配备的专用进气调节阀，阀片的结构型式采用网状阀，阀片材料一般选择PEEK，它能够承受更大的阀片冲击力，且它相对压叉材料更软，当压叉撞击阀片时不易产生应力集中。

图3 专用进气调节阀

3.1.2 液压执行器组件

图4为HRCS气量无级调节系统配备的液压执行器组件，设置进油口，出油口，漏气口，漏油口以及充氮口。漏油口的主要功能是将系统泄漏的少量液压油统一回收，一般情况下一个月开一次现场排放阀；漏气口是防止工艺气泄漏到防爆接线盒中，影响系统安全性；充氮口的设置类似于压缩机活塞杆的填料密封，防止高压工况下的工艺气蹿升到防爆接线盒中。

图4 液压执行器组件

3.2 液压系统(液压站)

液压系统是HRCS气量无级调节系统的动力源，为执行机构的动作提供动力，通过油泵的作用把液压油的压力从常压提升到所需压力(最高为22MPa，通过出口溢流阀可对油压进行调整，根据现场系统调试的结果最终确定油压的大小，K202A一般控制在10.5MPa，溢流阀设定好后无需再进行调整)。它主要包括液压泵及其驱动机，溢流阀、换向阀、节流阀等液压控制阀，还有蓄能器、过滤器、散热器、油分配器等辅助元件。液压系统的流程图如下图5所示。

图5 液压系统流程图

液压站配备了压力变送器、温度变送器和液位变送器，具体参数如下：

(1)温度变送器

温度变送器用来监测液压站油箱液压油的温度，输出信号4—20mA，接入HRCS气量无级调节系统，用于实时显示油温。油温过高导致油的粘度下降，泄漏增大，油压降低；油温过低会使油的粘度增大，使油路流动阻力增大，影响系统正常工作。液压站启动时如果油温过低，应用电加热器进行加热。

(2)压力变送器

压力变送器用于监测液压站的油压，输出信号4—20mA，接入HRCS气量无级调节系统，用于实时显示油站出口与回油油压。

(3)液位变送器

液位变送器用于监测油站油箱液压油的液位，当液压油低于下限液位时液压站不允许启动，系统正常运行时，在HRCS气量无级调节系统需要设置油位低报警。

3.3 控制系统

控制系统的作用主要是根据反馈的压力值与设定值比较，由控制器计算出气阀延迟关闭的时间，发送出电子指令，实时控制进气阀的状态。控制系统会自动采集传感器的监测信号，在超出安全范围时报警或联锁。控制模块与原DCS控制系统能进行数据信号共享。

另外，控制系统进行控制的起始点信号是通过止点信号传感器获得的。止点位置信号传感器由感应螺母和传感器探头组成，感应螺母安装于压缩机飞轮上，压缩机运行时随飞轮一起转动，探头固定于支架上，飞轮上的感应螺母每一次经过探头时，产生一个脉冲信号传输至控制模块，作为控制逻辑上时间的零参考点。

（3）估计该家庭使用节水龙头后，一年能节省多少水？（一年按365天计算，同一组中的数据以这组数据所在区间中点的值作代表．）

4 控制方案

HRCS气量无级调节系统的整个控制过程可参考图6。当HRCS气量无级调节系统未投用时，压缩机气量是通过旁通调节阀进行调节；当HRCS气量无级调节系统投用后，压缩机的气量则由HRCS气量无级调节系统进行调节。HRCS气量无级调节系统通过控制压缩机进气阀强行开启的时间来调节压缩机的排气量。

图6 控制系统与DCS的关系

4.1 控制变量

控制模块的作用是保持控制变量的稳定，根据需要，可以选用进气压力、排气压力、排气量作为主控变量，本系统选用一级、二级进气压力作为主控变量。

4.2 HRCS气量无级调节系统投入/切除逻辑

压缩机运行后，HRCS气量无级调节系统投入和切除的逻辑如图7所示。

图7 HRCS系统投入/切除逻辑

4.3 HRCS气量无级调节系统报警联锁机制

HRCS气量无级调节系统监测一些影响系统正常运行的参数，主要有液压站的油温、油压、液位与调节阀阀腔温度。

(1)液压站油温：油温超过60℃，触发油温高报警信号，表明液压站冷却系统或者油路回路故障，这时需要立刻进行检查处理，如果处理没有效果，油温继续上升，超过70℃时触发油温高高报警信号，高高报警后HRCS气量无级调节系统联锁，切除HRCS气量无级调节系统，进行液压站与油路检修，压缩机在原DCS控制下继续运行。

(2)液压站油压：供油油压低于设定的报警值(现场调试时确定报警值9.5MPa)，触发油压低报警信号，表明液压站故障或油路泄漏严重，油压低执行机构将无法正常动作。低于设定的联锁值9.0MPa时触发低低报警，低低报警后液压站联锁停止运行，HRCS气量无级调节系统自动切除，压缩机在原DCS控制下继续运行。

(3)液压站液位：液压站液位低于70%，触发液位低报警，需要立即给液压站加油。

(4)各级液压执行器温度：同一级某个调节阀液压执行器温度高于60℃时，触发温度高报警，表明此调节阀执行器或者气阀故障，需要手动切除HRCS气量无级调节系统系统，如果温度仍然过高，表明气阀故障，需停机检修。

5 改造效果

5.1 节能效果

本系统投用后，在连续重整装置进料量 85 t/h 的工况下，压缩机负荷为 76%，节能效果明显。表1为K202A气量无级调节系统改造前后数据对比。

表1 K202A在不同负荷下的电流

按负荷76%、电流115 A 计算，每小时节电249.4kWh；按每度电 0.67元计算，每小时可节约电费 160.1元；按每年运行8000h计算每年节约电费约133.7万元，经济效益十分可观。

5.2 系统效果

(1)将原来控制五档调节与旁通回流阀结合改造为控制进气阀，通过控制进气阀的延迟关闭，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，减少了重复做功，从而达到了节能的目的，同时延长了排气阀寿命，从而降低了维修成本。

(2)K202A安装无级气量调节系统后，压缩机可操作性增强。操作工可根据主控变量的要求实现压缩机0%～100%负荷范围内无级调节，同时减少了因生产需要突然增加负荷对机组造成的冲击伤害，达到平稳过渡。在系统出故障时可自动停止工作，而压缩机将以 100%负荷运行，并借助原旁路调节方式进行气量调节。另外，开停机也更加简便，提高了压缩机的可靠性和安全性。

[1] 徐承恩.催化重整工艺与工程[D].北京:中国石化出版社,2009.

[2] 沈阳气体压缩机研究所,等. 压缩机[D].北京:机械工业出版社,2010.

The Application of Stepless Regulation of Gas-flow System Made in China on K202A Hydrogen Compressor of Continuous Catalytic Reforming Unit

KuangChenghu,ZhaoQuansheng,FuChaowei,ZhouBaojiang(LuoyangPetrochemicalCompany,Ltd．,SINOPEC,Luoyang471000,Henan,China)

This paper introduced the situation of the before and after reform on hydrogen compressor of 700 thousand tons/year of continuous catalytic reforming unit (CCR) in SINOPEC Luoyang Company. Owing to the large quantity of energy consumption with original operation mode, there is a visible result with the application of Huanrui HRCS stepless regulation of tolerance system made in China. The work theory and control method of HRCS stepless regulation of tolerance system are introduced in the paper. It changed traditional method of gas-flow regulation of compressor, and control the pressure and flow of compressor quickly and accurately with intelligent conformation of hydraulic pressure. It can continuously adjust gas-flow in the scale of 0%～100%, and also can steady start, switch and stop the compressor.

continuous catalytic reforming unit (CCR); hydrogen compressor of CCR; the stepless regulation of gas-flow; energy conservation