无极调量系统在制氢天然气压缩机中的应用

张小伟 彭 勇 冯 利 宋志乾

(成都艾尔普气体产品有限公司，四川 成都 611930)

成都艾尔普气体产品有限公司的天然气压缩机主要用于压缩外管网来的天然气，以满足制氢工艺对压力的要求。外管网天然气压力长期在2.0～3.2 MPa波动，出口压力又需要稳定在4.2 MPa，所以当外管网天然气压力高时，压缩机多余的气量通过回流阀返回压缩机入口，无法达到节能降耗的作用。为了保证压缩机低回流状态下能顺利调节进气阀的开度以达到节能的目的,采用沈阳远大压缩机制造有限公司的往复式压缩机，并通过技改增加了台州环天科技股份有限公司的无极调量系统(HRCS)，使压缩机的4个进气阀可以在30%～100%直接任意调节。当负荷高于30%时，回流阀全部关闭从而降低压缩机的工作电流，达到节能的目的，且全程自动控制，不需人为操作。

1 常见的压缩机气量调节方法与HRCS的对比

1.1 常见的压缩机气量调节方法

1.1.1 旁路调节[1]

旁路调节是一种最常用也最简单的气量调节方法，在压缩机的进口与出口之间增加一个带控制流量的管路加以连接，使压缩机排出的气体经旁通管全部或部分流回进口管，以达到调节排气量的目的。

1.1.2 余隙调节[1]

余隙腔调节是人为增加余隙容积来达到调节排气量的方法，此方法不能做到随时调节，且调节的量有限。

1.1.3 全顶开进气阀

全顶开进气阀属于间歇调节，在双作用气缸中只顶开气缸一侧的进气阀时可使排气量减少50%，如果两侧同时顶开，则排气量为零。但此方法在使用中发现容易造成压缩机受力不均、出口管线振动较大、调节流量不能线性等问题。成都艾尔普气体产品有限公司合成气制氢天然气压缩机技改前就使用此种调节方式。

1.2 HRCS调节

此法利用电磁、液压或气动控制装置或弹簧的作用使进气阀在部分压缩行程中处于顶开状态，气流被压回进气管，在其余行程中气阀被关闭，缸中气体压缩有气量排出。通过对进气阀关闭时间的控制，达到连续控制的目的。此方法与上述常见方法相比，可以线性调节且幅度大，节能效果明显，控制稳定，但缺点是一次性投资大。

无极气量调节系统利用液压油站提供的高压液压油作为动力，通过电磁阀脉冲控制压缩机吸气阀的关闭时间，从而保证多余的气体从吸气阀流出，减少压缩机的做功，顶开气阀的无级气量调节系统如图1所示。具体的工作原理为：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。在本设计方案中，电磁阀带电时间长短是由可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的输出决定的，PLC控制模块根据排气压力(与活塞行程及气量对应)来输出一个控制信号。

图1 无级气量调节系统结构

具有气量调节功能的压缩机工作过程气缸内的p-V曲线如图2所示。

图2 气量调节时的p-V曲线

由图2可知：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 HRCS的关键设备及调节控制方案的应用

2.1 关键设备

无极气量调节系统主要包括现场高压油站、分散控制系统(DCS)、压缩机气阀、电磁阀控制系统等。该系统现场配备了专用的进气调节阀、液力执行组件、液压系统和控制系统，4个吸气阀分别配备一个温度测点，油路配有油压、油温和油位测点。气阀温度和油位、油温分别是系统投用的许可条件。配备的专用进气调节阀其阀片的结构型式采用网状阀，阀片材料一般选择聚醚醚酮(PEEK)，它能够承受更大的阀片冲击力，且比压叉材料更软，当压叉撞击阀片时不易产生应力集中；液力执行系统配备的液压执行器组件，设置了进油口、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排放到漏油回收罐中；漏气口则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。液压系统是执行机构的动力源，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22 MPa，根据现场系统调试的结果最终确定油压的大小，一般在7～14 MPa，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、散热器等辅助元件。

2.2 控制系统应用及优化

DCS在原有的压缩机控制系统上新增加了计算块PY1120A，同时增加负荷控制器PIC1120A_1和限位控制器ZIC1120A。压缩机回流阀控制器PV1102A和负荷加载器控制器PIC1120A-1逻辑示意见图3。

图3 回流阀控制器和负荷加载器控制器

如图3所示：控制系统是在原西门子PCS7.0-300系统上修改，只在DCS中增加一个计算块PY1120A，增加了两个控制器(ZIC1120A,PIC1120A_1)，ZIC1120A用来限制负载的最小输出在30%(厂家建议在30%～100%运行)，PIC1120A_1根据出口所需的压力调节无极调量系统(HRCS)输出以及旁通阀的输出信号。而负荷输出PIC1120A_1线性化处理由DCS发出的4～20 mA控制信号给CIU，转换成电子指令信号控制执行机构。控制系统的作用主要是比较反馈的压力值与设定值，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。新增加的HRCS在原有的压缩机控制系统中进行改造升级，增加了部分功能，压缩机原有的控制取压点都不变，控制方案也可以不变，只是将原来直接送回回流阀的信号经过分程计算之后再分别送到HRCS控制系统和回流阀。同时考虑到HRCS故障后作用在吸气阀的液压油失去动力，HRCS跳车，则吸气阀瞬间会变成全开状态，这样压缩机瞬时打气量会大幅度增长，在回流阀调节不及时的情况下，可能会造成出口安全阀起跳或工艺安全事故，因此设计时增加了回流阀在无极调量故障瞬时跳开并交自动控制的逻辑控制。目前采用液压油泵反馈信号“mode-FB”和液压油压力“PT001”二选一触发，由压缩机的当前负荷决定回流阀PV1102A的跳开程度，即负荷越低回流阀跳开幅度越大，反之跳开幅度越小。目前采用的是PIC1120_1输出在50%及以下时回流阀PIC1120A跳开30%阀位后转自动调节，50%以上时跳开20%后转自动调节；当然也可根据负荷情况设计成线性的回流阀输出(反作用)脉冲，这一设计从根本上预防了HRCS故障对工艺造成的大幅波动。

2.3 能耗对比

天然气压缩机无级调速系统改造前后参数对比情况见表1所示。

表1 天然气压缩机无级调速系统改造前后参数对比

由表1可见：压缩机改造后回流阀处于全关状态，同等打气量的情况下电流有较大的下降，目前该压缩机天然气压力低时电流约50 A，天然气压力高时电流为42 A。按1 h节约10 A计算，一年8 400 h可节约电力504 MWh，电的价格按0.4元/kWh，每年可节约20万元人民币，经济效益相当可观，保守计算3年可以收回成本。由于该压缩机的额定功率相对较小，所以用在大型的往复式压缩机上效益更加可观。

3 结语

HRCS在目前的运行过程中未发现任何问题，运行平稳，输出线性，可靠性高，且液压系统使用的齿轮泵故障率极低，同时操作难度低，自控程度高，基本不需要人为手动控制。在压缩机选型比实际所需大的情况或压缩机进口气量变化引起做功富裕的机组上进行优化改造，效益比较明显。