低温甲醇洗氨冷冻压缩机节能控制改造

许士科 徐 力 王荣陈

新能凤凰﹝滕州﹞能源有限公司山东滕州277527)

低温甲醇洗氨冷冻压缩机节能控制改造

许士科 徐 力 王荣陈

新能凤凰﹝滕州﹞能源有限公司山东滕州277527)

2套MCL526+3MCL527氨冷冻压缩机组用于新能凤凰(滕州)能源有限公司(以下简称新能凤凰公司)的700 kt/a甲醇装置，汽轮机带动压缩机处理由低温甲醇洗装置来的气氨，为低温甲醇洗装置提供冷量，满足低温甲醇洗装置的生产需求。在实际运行中，机组一直存在回流，运行成本较高，且没有实现入口压力自动控制功能。

1 工艺反应原理

1.1 工艺流程

氨压缩制冷装置的工艺气系统由一期和二期2套单独系统组成，进界区气氨管线和出界区液氨管线一、二期公用。

低温液氨在蒸发器中吸收热量蒸发成气态，部分经过一段分离器后进入离心式压缩机，经低压缸压缩后进入中间冷却器，冷却后与经过二段分离器的部分气氨混合，然后进入高压缸再次压缩，再经防喘振冷却器及氨冷凝器进行冷却，冷凝后的液氨送入液氨贮槽。

1.2 冰机装置

氨冷冻压缩机为二缸三段离心式十三级压缩机，为了降低温升、减少耗功，在压缩机的低压缸和高压缸间设计了1台冷却器，高压缸段间设置了1台气体冷却器。压缩机设计了2路防喘振回路，一路从压缩机高压缸出口回到加气入口，另一路从压缩机低压缸出口回到压缩机低压缸进口。

压缩机机组采用ITCC控制系统，其控制器采用TRICONEX TS3000系列三重冗余容错控制系统，完成机组的常规参数检测、显示和控制，汽轮机调速、超速保护及压缩机的防喘振控制功能、汽轮机的三取二超速保护在ITCC系统中实现。

汽轮机为氨冷冻项目驱动压缩机用，为凝汽式，型号NK25/28。汽轮机为单出轴，单侧进汽，采用向上进汽和向下排汽的结构,带有保温材料和罩壳,汽缸上装有疏水阀，所有的疏水口最后都集中到疏水膨胀箱。汽轮机带有表面式冷凝器和液位自动调节装置，并配有两级射汽抽气装置，以保证冷凝器能正常工作。

2 氨冷冻压缩机控制改造背景

新能凤凰公司2台氨制冷压缩机目前并联运行，为实现氨冷冻机组自动控制、调速系统串级调节和减小喘振阀开度、降低机组能耗、消除机组的喘振及停车风险、实现机组长周期稳定安全运行，对冰机系统进行了节能技术改造。氨制冷压缩机运行中存在以下问题：

(1) 二期压缩机入口压力显著低于总管压力，存在压力损失。

(2) 氨制冷压缩机控制系统不能投全自动运行，目前采用手动控制。手动控制在工艺波动时存在易导致压缩机喘振或突然停车的风险，影响压缩机的长满优运行，甚至会影响到全系统的运行。

(3) 高、低压缸喘振线不准确，操作人员凭经验手动操作回流阀，导致压缩机回流阀开度大，其中：一期压缩机低压缸的回流阀FVI- 2530开度为34%；二期压缩机低压缸回流阀FVI- 2530开度为44%，FV- 2533B开度为58%。压缩机回流阀开度大会导致压缩机运行能耗过高，一期蒸汽耗量10.9 t/h，二期蒸汽耗量8.8 t/h 。

(4) 流量/压力变送器安装在取压点下方，且变送器引压管较长，达到6 m以上，流量/压力测量滞后时间较长，同时引压管内部会出现冻凝问题。

(5)三回一、三回二回流阀FV- 2530，FV- 2530B和FV- 2533，FV- 2533B不是专用的防喘振阀门，全开/全关时间估计在10 s以上，动作时间较长。

(6) 没有准确的压缩机高、低压缸喘振线，导致压缩机的操作没有依据，操作高、低压缸回流阀很容易造成压缩机喘振，从而导致压缩机叶片及密封的损伤，使压缩机效率降低，机组维护保养费用也会相应增大。

(7) 2台压缩机之间没有协调控制，负荷不均衡。

3 项目改造情况

3.1 控制目标

(1) 重新精确计算新能凤凰公司氨冷冻压缩机的喘振线和机组性能，并进行现场实测喘振曲线。

(2) 优化一段和二/三段防喘振控制、性能控制及回路间的解耦控制，消除压缩机的喘振威胁，尤其是工艺装置开工初期的喘振，并使得喘振阀能够在开车初期即投入自动，并尽可能减小回流阀开度。

(3) 性能控制器控制压缩机入口压力，在开工初期即投入全自动运行。同时，速度控制器投入远程，性能控制器输出作为速度控制器远程设定值。

(4) 压缩机性能控制器及防喘振控制器确保氨制冷压缩机(二期)入口压力不低于低限设定值，出口压力不高于安全阀起跳值。

(5) 通过采用压缩机入口压力超驰控制(POC)方案自动抵消制冷工艺过程大幅度波动所导致的氨制冷压缩机入口压力波动。提高自动化操作水平，实现全自动控制，缩短开工时间，使操作人员工作量最小，只需通过设定氨制冷压缩机入口压力性能控制器目标值，即可控制氨制冷压缩机(二期)的转速。

(6) 提高压缩机运行可靠性，降低机组和工艺的停车率。采用全冗余控制系统,结合现场回路诊断和退守策略,大大提高控制系统的可靠性,降低故障概率。

3.2 改造方案

(1) 对防喘振控制阀门进行校验，确保阀门开关平滑无卡涩。测定防喘振阀门由4～20 mA驱动的行程时间，如显著超过2 s，则安装体积加速器以提高阀门运行速度。

(2) 为避免引压管积液影响测量信号准确性，将现场所有压力变送器、差压变送器从地面移位到机组二楼，重新配置引压管。从取压点到变送器，引压管要单调上升无袋形弯，其长度一般不宜超过3 m。

(3) 采用美国压缩机控制公司(简称CCC)最新S5冗余Vanguard系统构成的CCS替代现有的ITCC控制系统中的调速控制、喘振控制，以提高控制精度和水平。保留ITCC系统中联锁保护、逻辑控制和一般监测控制功能。

(4) 增加入口压力控制方案，实现机组入口压力自动控制，并与喘振控制之间协调动作。

(5) 目前，压缩机入口总管到压缩入口存在较大差压。对压缩机入口隔离阀、单向阀、入口分液罐等进行检修，消除入口压力损失。

(6) 进入Vanguard系统的模拟输入信号通过使用一进二出安全栅替换现有ITCC机柜中的单通道安全栅的方法获得。使用其一路输出将参与喘振控制、入口压力控制的模拟量输入信号通过新安全栅进入Vanguard系统，可不改变原有现场接线，同时ITCC画面基本保持不变。安全栅使用MTL5544D和MTL5576- RTD。

(7) 从Vanguard系统输出的模拟输出信号通过现有ITCC机柜中的安全栅到现场控制阀门。

(8) CCC控制系统设置1个机柜，安装于机柜间内。在中央控制室设置1台操作站，机柜间内设置1台工程师站(具有操作站功能)，操作站、工程师站通过以太网与控制器连接；Vanguard与ITCC系统之间的停机、系统故障、允许启动等信号通过硬接线连接。

(9) 在开工初期工艺条件具备时，重新测定喘振曲线。

3.3 主要设备

主要设备制造商为美国压缩机控制公司，压缩机控制系统主要硬件参数如表1所示。

4 经济效益分析

4.1 经济效益评价测试数据基础

汽轮机蒸汽消耗记录如表2所示。

表1 压缩机控制系统主要硬件参数

4.2 效益计算

按2014年4月数据，1 t蒸汽发电186 kW·h，外购电价0.75元/(kW·h)，上网费0.09元/(kW·h)计，年节约中压蒸汽成本140.02万元。年设备折旧费16.47万元，年检修费用3万元。增加S5 Vanguard冗余控制系统后，每年为企业带来的净利润120.55万元。

表2 汽轮机蒸汽消耗记录

5 结语

新能凤凰公司氨冷冻机组采用S5 Vanguard冗余控制系统进行改造后，系统运行稳定、可靠，自动化程度高。投用至今未发生喘振，减少了检修工作量及压缩机的内部泄漏量，同时蒸汽节约量与自控效果显著改善。经过改造前后72 h性能考核和正常运行一段时间的运行数据测试，系统改造后年蒸汽节约量达13 360 t，各项技术指标达到规定要求，每年可以创造利润120.55万元。

2016- 08- 19)