無極調(diào)量系統(tǒng)在制氫天然氣壓縮機(jī)中的應(yīng)用

張小偉 彭 勇 馮 利 宋志乾

(成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司，四川 成都 611930)

成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司的天然氣壓縮機(jī)主要用于壓縮外管網(wǎng)來的天然氣，以滿足制氫工藝對壓力的要求。外管網(wǎng)天然氣壓力長期在2.0～3.2 MPa波動，出口壓力又需要穩(wěn)定在4.2 MPa，所以當(dāng)外管網(wǎng)天然氣壓力高時，壓縮機(jī)多余的氣量通過回流閥返回壓縮機(jī)入口，無法達(dá)到節(jié)能降耗的作用。為了保證壓縮機(jī)低回流狀態(tài)下能順利調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥的開度以達(dá)到節(jié)能的目的,采用沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)制造有限公司的往復(fù)式壓縮機(jī)，并通過技改增加了臺州環(huán)天科技股份有限公司的無極調(diào)量系統(tǒng)(HRCS)，使壓縮機(jī)的4個進(jìn)氣閥可以在30%～100%直接任意調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)荷高于30%時，回流閥全部關(guān)閉從而降低壓縮機(jī)的工作電流，達(dá)到節(jié)能的目的，且全程自動控制，不需人為操作。

1 常見的壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法與HRCS的對比

1.1 常見的壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方法

1.1.1 旁路調(diào)節(jié)[1]

旁路調(diào)節(jié)是一種最常用也最簡單的氣量調(diào)節(jié)方法，在壓縮機(jī)的進(jìn)口與出口之間增加一個帶控制流量的管路加以連接，使壓縮機(jī)排出的氣體經(jīng)旁通管全部或部分流回進(jìn)口管，以達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量的目的。

1.1.2 余隙調(diào)節(jié)[1]

余隙腔調(diào)節(jié)是人為增加余隙容積來達(dá)到調(diào)節(jié)排氣量的方法，此方法不能做到隨時調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的量有限。

1.1.3 全頂開進(jìn)氣閥

全頂開進(jìn)氣閥屬于間歇調(diào)節(jié)，在雙作用氣缸中只頂開氣缸一側(cè)的進(jìn)氣閥時可使排氣量減少50%，如果兩側(cè)同時頂開，則排氣量為零。但此方法在使用中發(fā)現(xiàn)容易造成壓縮機(jī)受力不均、出口管線振動較大、調(diào)節(jié)流量不能線性等問題。成都艾爾普氣體產(chǎn)品有限公司合成氣制氫天然氣壓縮機(jī)技改前就使用此種調(diào)節(jié)方式。

1.2 HRCS調(diào)節(jié)

此法利用電磁、液壓或氣動控制裝置或彈簧的作用使進(jìn)氣閥在部分壓縮行程中處于頂開狀態(tài)，氣流被壓回進(jìn)氣管，在其余行程中氣閥被關(guān)閉，缸中氣體壓縮有氣量排出。通過對進(jìn)氣閥關(guān)閉時間的控制，達(dá)到連續(xù)控制的目的。此方法與上述常見方法相比，可以線性調(diào)節(jié)且幅度大，節(jié)能效果明顯，控制穩(wěn)定，但缺點是一次性投資大。

無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用液壓油站提供的高壓液壓油作為動力，通過電磁閥脈沖控制壓縮機(jī)吸氣閥的關(guān)閉時間，從而保證多余的氣體從吸氣閥流出，減少壓縮機(jī)的做功，頂開氣閥的無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。具體的工作原理為：高速電磁閥控制著液壓缸的液壓通路，當(dāng)電磁閥帶電時，閥芯動作使液壓缸與液壓站的高壓油路連通，液壓力推動液壓活塞，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在液壓活塞的作用下被壓下，強(qiáng)制打開進(jìn)氣閥；當(dāng)電磁閥斷電時，閥芯復(fù)位，使液壓缸與液壓站的低壓回油路連通，壓叉在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位，氣閥在氣體力與閥片彈簧作用下關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余的氣體開始被壓縮。壓縮機(jī)達(dá)到所需氣量的關(guān)鍵是進(jìn)氣閥的延遲關(guān)閉時間，進(jìn)氣閥延遲關(guān)閉時間又是由電磁閥的帶電時間長短決定的。在本設(shè)計方案中，電磁閥帶電時間長短是由可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的輸出決定的，PLC控制模塊根據(jù)排氣壓力(與活塞行程及氣量對應(yīng))來輸出一個控制信號。

圖1 無級氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具有氣量調(diào)節(jié)功能的壓縮機(jī)工作過程氣缸內(nèi)的p-V曲線如圖2所示。

圖2 氣量調(diào)節(jié)時的p-V曲線

由圖2可知：當(dāng)壓縮機(jī)處于膨脹過程AB時，電磁閥未接通；進(jìn)入吸氣階段BC，進(jìn)氣閥在氣體力的作用下開始打開時，電磁閥接通，柱塞在高壓油作用下推動壓叉使進(jìn)氣閥片貼合在限制器表面；壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段時，電磁閥仍然處于通電狀態(tài)，閥片仍然被壓叉固定在限制器上，此階段CCr即為回流階段，它將多余的氣量不經(jīng)過壓縮自動排進(jìn)進(jìn)氣管路中；在CrDr階段，電磁閥斷電，閥片在氣體力作用下自動關(guān)閉，壓縮機(jī)進(jìn)入壓縮階段；DrA即為壓縮機(jī)的排氣階段。這一過程中，氣缸內(nèi)氣體通過進(jìn)氣閥回流到進(jìn)氣腔或者進(jìn)氣管路中，達(dá)到減小排氣量的目的。從p-V圖上也可以發(fā)現(xiàn)后者節(jié)省了循環(huán)指示功，相比于現(xiàn)有的旁通管路氣量調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)了壓縮機(jī)的節(jié)能。

2 HRCS的關(guān)鍵設(shè)備及調(diào)節(jié)控制方案的應(yīng)用

2.1 關(guān)鍵設(shè)備

無極氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場高壓油站、分散控制系統(tǒng)(DCS)、壓縮機(jī)氣閥、電磁閥控制系統(tǒng)等。該系統(tǒng)現(xiàn)場配備了專用的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥、液力執(zhí)行組件、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，4個吸氣閥分別配備一個溫度測點，油路配有油壓、油溫和油位測點。氣閥溫度和油位、油溫分別是系統(tǒng)投用的許可條件。配備的專用進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥其閥片的結(jié)構(gòu)型式采用網(wǎng)狀閥，閥片材料一般選擇聚醚醚酮(PEEK)，它能夠承受更大的閥片沖擊力，且比壓叉材料更軟，當(dāng)壓叉撞擊閥片時不易產(chǎn)生應(yīng)力集中；液力執(zhí)行系統(tǒng)配備的液壓執(zhí)行器組件，設(shè)置了進(jìn)油口、出油口、漏氣口、漏油口以及充氮口。漏油口的主要功能是將系統(tǒng)泄漏的少量液壓油統(tǒng)一排放到漏油回收罐中；漏氣口則是防止工藝氣泄漏到防爆接線盒中，影響系統(tǒng)安全性；充氮口的設(shè)置類似于壓縮機(jī)活塞桿的填料密封，防止高壓工況下的工藝氣躥升到防爆接線盒中。液壓系統(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作提供動力，通過油泵的作用把液壓油的壓力從常壓提升到所需壓力(最高為22 MPa，根據(jù)現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果最終確定油壓的大小，一般在7～14 MPa，設(shè)定好后，無需再進(jìn)行調(diào)整)，它主要包括液壓泵及其驅(qū)動機(jī)，溢流閥、換向閥、節(jié)流閥等液壓控制閥，還有蓄能器、過濾器、散熱器等輔助元件。

2.2 控制系統(tǒng)應(yīng)用及優(yōu)化

DCS在原有的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)上新增加了計算塊PY1120A，同時增加負(fù)荷控制器PIC1120A_1和限位控制器ZIC1120A。壓縮機(jī)回流閥控制器PV1102A和負(fù)荷加載器控制器PIC1120A-1邏輯示意見圖3。

圖3 回流閥控制器和負(fù)荷加載器控制器

如圖3所示：控制系統(tǒng)是在原西門子PCS7.0-300系統(tǒng)上修改，只在DCS中增加一個計算塊PY1120A，增加了兩個控制器(ZIC1120A,PIC1120A_1)，ZIC1120A用來限制負(fù)載的最小輸出在30%(廠家建議在30%～100%運行)，PIC1120A_1根據(jù)出口所需的壓力調(diào)節(jié)無極調(diào)量系統(tǒng)(HRCS)輸出以及旁通閥的輸出信號。而負(fù)荷輸出PIC1120A_1線性化處理由DCS發(fā)出的4～20 mA控制信號給CIU，轉(zhuǎn)換成電子指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)的作用主要是比較反饋的壓力值與設(shè)定值，由控制器計算出氣閥延遲關(guān)閉的時間，發(fā)送出電子指令，實時控制進(jìn)氣閥的狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)會自動采集傳感器的監(jiān)測信號，在超出安全范圍時報警或聯(lián)鎖；控制模塊與原DCS控制系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)據(jù)信號共享。新增加的HRCS在原有的壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行改造升級，增加了部分功能，壓縮機(jī)原有的控制取壓點都不變，控制方案也可以不變，只是將原來直接送回回流閥的信號經(jīng)過分程計算之后再分別送到HRCS控制系統(tǒng)和回流閥。同時考慮到HRCS故障后作用在吸氣閥的液壓油失去動力，HRCS跳車，則吸氣閥瞬間會變成全開狀態(tài)，這樣壓縮機(jī)瞬時打氣量會大幅度增長，在回流閥調(diào)節(jié)不及時的情況下，可能會造成出口安全閥起跳或工藝安全事故，因此設(shè)計時增加了回流閥在無極調(diào)量故障瞬時跳開并交自動控制的邏輯控制。目前采用液壓油泵反饋信號“mode-FB”和液壓油壓力“PT001”二選一觸發(fā)，由壓縮機(jī)的當(dāng)前負(fù)荷決定回流閥PV1102A的跳開程度，即負(fù)荷越低回流閥跳開幅度越大，反之跳開幅度越小。目前采用的是PIC1120_1輸出在50%及以下時回流閥PIC1120A跳開30%閥位后轉(zhuǎn)自動調(diào)節(jié)，50%以上時跳開20%后轉(zhuǎn)自動調(diào)節(jié)；當(dāng)然也可根據(jù)負(fù)荷情況設(shè)計成線性的回流閥輸出(反作用)脈沖，這一設(shè)計從根本上預(yù)防了HRCS故障對工藝造成的大幅波動。

2.3 能耗對比

天然氣壓縮機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)改造前后參數(shù)對比情況見表1所示。

表1 天然氣壓縮機(jī)無級調(diào)速系統(tǒng)改造前后參數(shù)對比

由表1可見：壓縮機(jī)改造后回流閥處于全關(guān)狀態(tài)，同等打氣量的情況下電流有較大的下降，目前該壓縮機(jī)天然氣壓力低時電流約50 A，天然氣壓力高時電流為42 A。按1 h節(jié)約10 A計算，一年8 400 h可節(jié)約電力504 MWh，電的價格按0.4元/kWh，每年可節(jié)約20萬元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，保守計算3年可以收回成本。由于該壓縮機(jī)的額定功率相對較小，所以用在大型的往復(fù)式壓縮機(jī)上效益更加可觀。

3 結(jié)語

HRCS在目前的運行過程中未發(fā)現(xiàn)任何問題，運行平穩(wěn)，輸出線性，可靠性高，且液壓系統(tǒng)使用的齒輪泵故障率極低，同時操作難度低，自控程度高，基本不需要人為手動控制。在壓縮機(jī)選型比實際所需大的情況或壓縮機(jī)進(jìn)口氣量變化引起做功富裕的機(jī)組上進(jìn)行優(yōu)化改造，效益比較明顯。