往复式压缩机节能改造

叶运超

（濮阳永金化工有限公司，河南濮阳 457000）

0 引言

濮阳永金化工有限公司20 万吨乙二醇项目装置的原料气净化配套项目采用四川天一科技股份有限公司的气相变压吸附工艺。使用3 台潍坊生建生产的6MD-298/35 型往复式压缩机，此压缩机主要负责将系统尾气加压后送至后系统，采用MD型往复式，六列六缸四级压缩，气缸为双作用单级单列，3 个一级缸，二级、三级、四级各1 个（表1）。容积流量调节通过一回一自动调节、四回一自动调节，但由于机组各级做功能力不匹配，如果一回一开度过小，将导致二级缸进汽超压，日常一回一开度20%左右，造成极大能源和冷却水浪费，因此选用HRCS 压缩机节能改造系统调节压缩机负荷势在必行。

表1 6MD-298/35 往复机参数

1 气量调节系统技术概述

“回流省功”就是在压缩行程中，使得部分气体未经压缩而重新返回到进气总管中。气量调节系统采用的是“回流省功”原理，以压缩机负荷为50%时为例，具有气量调节功能的压缩机工作过程气缸内的P—V 工作关系如图1 所示。活塞在压缩机气缸的一个正常工作循环包括：①余隙容积中残留高压气体的膨胀过程（图1 中AB 曲线），此时压缩机的进气阀和排气阀均处于正常的关闭状态；②进气过程（图1 中BC 曲线），此时进气阀在气缸内外差的作用下开启，进气管线中的气体通过进气阀进入气缸，至C 点完成相当于气缸100%容积的进气量，进气阀关闭；③CD 为压缩曲线，气缸内气体在活塞的作用下压缩达到排气压力；④D→A 为排气过程，排气阀打开，被压缩的气体经过排气阀进入下一级过程。

图1 回流省功

如果在进气过程达到C 点后，进气阀在执行机构作用下仍被强制的保持开启状态，那么压缩过程并不能沿原压缩曲线由位置C 到位置D，而是由位置C 先到达位置（Cr，50）。此时原吸入气缸中的部分气体通过被顶开的进气阀回流到进气管而不被压缩，待活塞运动到特定的位置（Cr，50）时，执行机构使顶开进气阀的强制外力消失，进气阀片回落到阀座上而关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩，压缩过程开始沿着位置（Cr，50）到达位置（Dr，50）。气体达到额定排气压力后从排气阀排出。

由于往复式压缩机的指示功消耗与实际容积流量成正比，因此HTEC 往复式压缩机气量无级调节系统能够最大限度地节省能耗。其与旁通阀气量调节相比，系统的特点如表2 所示。

表2 HTEC 往复式气量无级调节系统的特点

2 节能效益分析

2.1 技术方案

针对现场工艺流程需求，综合考虑节能等因素，改造方案为：投用1 套气量调节系统；压缩机一级气缸（1A、1B、1C）进气阀全部安装执行机构，包括进气阀（带卸荷叉）、液压执行器等。

2.2 节能效益分析

往复压缩机安装HTEC 后，电机的能耗随着压缩机实际排气量的降低成比例的降低。

2.2.1 改造前主电机功率确认

压缩机用主电机电压U 为6 kV，现场实测电流为255 A，功率因数（cosφ）为0.9，则改造前压缩机主电机功率为：（1.732×UI测×cosφ）/1000≈2384.96 kW。

以压缩机主电机按每年运行时间8000 h 计算，投入气量调节系统前，年耗电量为：2384.96×8000=19 079 680 kW·h≈1907.97×104kW·h。

按平均0.68 元/（kW·h）计算，则压缩机主电机每年产生电费M=1907.97×0.68≈1297.42 万元。

2.2.2 改造后主电机功率确认

现场压缩机有一回一和四回一两台旁通阀，其中一回一旁通阀投用、开度约19%。当投入HTEC 往复式压缩机气量无级调节系统后，根据现场一回一旁通阀回流流量Q回与现场压缩机排气量Q排的比值，确定压缩机有效负荷L=［1-（Q回/Q排）］×100%。现场旁通阀使用工况见表3。

表3 现场一回一旁通阀使用工况

旁通阀供应厂家的技术人员根据阀门选型参数，参考现场阀门使用工况对旁通阀流量进行计算，计算结果为4500 Nm3/h。

现场压缩机排气量Q排1为14 300 Nm3/h，则可计算得到压缩机有效负荷L1=［1-（4500/14 300）］×100%=68.5%。压缩机一级气缸指示功功率Nil：

式中 mI——膨胀过程多变指数，取1.2

n——电机转速，5.5 r/s

P1I——一级缸实际吸气压力（绝压），115.09×103Pa

P2I——一级缸实际排气压力（绝压），2.6×105Pa

λ——排气系数，λ=λPλTλIλV，λP、λT、λI、λV分别为压力系数、温度系数、泄漏系数和容积系数，其中λP、λT、λI均取0.97

以L1作为现场压缩机一整年的平均负荷，可以计算出投入气量调节系统后，压缩机主电机节省的功率为：Nil×（1-L1）=547.1×0.315=172.35 kW。

按每年运行8000 h、0.68 元/（kW·h）计算，则可得到投入调节系统后节约的电费93.76 万元。

2.3 节能效果

实际有效负荷率以68.5%（可能更低）计，在一台压缩机上投用一套气量调节系统后的改造节能效果见表4。

表4 现场一回一旁通阀（19%开度）节能效果

3 实施效果

3.1 系统实现的功能

（1）二三级无回流阀，四回一回流阀开度很小，一回一回流阀调节约20%左右，因此仅在一级气缸盖侧安装9 套HRCS 执行机构，实现一级排气量50%～100%的气量无级调节。

（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）能够实现压缩机的零负荷起机、逐步加载/卸载、切机及停机等功能。

（4）当调节系统出现故障时，发出故障信号至DCS，DCS 则依据故障信号切除环瑞HRCS 系统，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）根据各方确认的主控变量（如进气、排气压力等）对压缩机进行控制，系统自动跟踪并稳定此值，且可调整级间压缩比。

3.2 控制方案

HRCS 压缩机节能改造系统的整个控制过程见图2：HRCS系统未投用时，压缩机气量是通过旁通调节阀进行调节，系统投用后，压缩机的气量则由HRCS 系统进行调节。HRCS 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，其与DCS 之间控制信号采用硬线连接的方式。

图2 控制系统与DCS 的关系

3.3 控制时序

以一个气缸为例，压缩机运行时，盖侧与轴侧进气阀的动作在时序上相差半个周期（对应曲柄转角π），所以在调节控制过程中，同一个气缸的盖侧进气阀保持同时动作，同一个气缸的轴侧进气阀保持同时动作，盖侧与轴侧之间动作时序上相差半个周期（对应曲柄转角π）（图3）。实际压缩机每一列气缸在压缩机运行过程中的状态以曲柄夹角计算出动作时序差值。

图3 控制时序图

4 结束语

无极调节系统经投用，顺利实现了压缩机一级负荷50%～100%范围内的自动无级调节，系统出现故障后会自动切除，切除后，压缩机在原控制系统下运行，完全不影响压缩机和生产的正常进行。

系统投运后，压缩机的耗电量随气量的减小呈线性降低，节能效果非常显著，1～2 年可以收回投入成本。