王福生　程（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，青島　266071）

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煉油裝置往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用分析

摘 要為使往復(fù)壓縮機(jī)適應(yīng)工藝操作要求，通常采用氣量調(diào)節(jié)來穩(wěn)定系統(tǒng)管網(wǎng)壓力。對煉油裝置中往復(fù)壓縮機(jī)的4種氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（旁路調(diào)節(jié)、全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)、部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)、可調(diào)余隙調(diào)節(jié)）進(jìn)行應(yīng)用分析，分析其工作原理、系統(tǒng)組成、節(jié)能效果、可操作性、可靠性及設(shè)備投資等，以便工程技術(shù)人員選擇往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)時參考。

關(guān)鍵詞往復(fù)壓縮機(jī)；氣量調(diào)節(jié)；旁路調(diào)節(jié)；全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)；部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)；可調(diào)余隙調(diào)節(jié)

中圖分類號：TH 45

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-817X（2015）06-0048-000

往復(fù)壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，因此在壓縮機(jī)選型設(shè)計時一般采用裝置所需的最大容積流量作為壓縮機(jī)的流量。同時根據(jù)API 618壓縮機(jī)無負(fù)偏差要求，制造商一般會在確定壓縮機(jī)尺寸前將流量加大3 %來彌補(bǔ)制造誤差[1]。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行中所需氣量小于壓縮機(jī)的排氣量時，需對壓縮機(jī)進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)，使得壓縮機(jī)的排氣量適應(yīng)裝置操作的要求，以保持系統(tǒng)管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。

目前煉油裝置中往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)一般有以下4種調(diào)節(jié)方式：旁路調(diào)節(jié)、全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)、部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)、可調(diào)余隙調(diào)節(jié)。針對以上氣量調(diào)節(jié)方式的基本原理、系統(tǒng)組成、節(jié)能效果、可操作性、系統(tǒng)安全性及設(shè)備投資進(jìn)行應(yīng)用分析。

1　旁路調(diào)節(jié)

旁路調(diào)節(jié)是將多余氣體通過旁路管線和旁通閥返回氣體入口。調(diào)節(jié)時只需開啟旁通閥，全部或部分壓縮氣體即可返回氣體入口，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式結(jié)構(gòu)簡單，各級壓比保持不變，保證了壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。多余氣體經(jīng)過壓縮后返回氣體入口，浪費(fèi)了這部分壓縮氣體的壓縮功，經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)大量壓縮高溫氣體長時間返回時，還需在旁路管線上設(shè)置冷卻器用于冷卻高溫氣體。因此這種調(diào)節(jié)方式僅限于短暫運(yùn)行或應(yīng)急手段。

2　全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

利用氣閥閥片頂開裝置，將進(jìn)氣閥閥片強(qiáng)制頂開，使進(jìn)氣閥在每個工作循環(huán)過程中始終處于全開狀態(tài)，吸氣時氣體通過進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，壓縮時氣體通過進(jìn)氣閥返回氣體入口，排氣量為零。對于1列1級雙作用氣缸布置的壓縮機(jī)，全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)0、50 %、100 %三級調(diào)節(jié)。對于2列1級壓縮雙作用氣缸布置的壓縮機(jī)，全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)0、25 %、50 %、75 %、100 %五級調(diào)節(jié)。對于2列2級壓縮雙作用氣缸布置的壓縮機(jī)，全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)0、50 %、100 %三級調(diào)節(jié)。

全行程頂開進(jìn)氣閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，功耗主要用于克服進(jìn)出氣閥的阻力，能耗較小，投資較少。若是雙作用氣缸單側(cè)卸荷，活塞桿將處于較長時間的單向受力狀態(tài)，造成十字頭銷潤滑不良，加速磨損。實(shí)際生產(chǎn)過程中常與旁路調(diào)節(jié)相結(jié)合，損失部分能量（≤25 %或≤50 %）即可實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

3　部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)

3.1基本原理

如圖1所示，隨著活塞在壓縮機(jī)氣缸中的往復(fù)運(yùn)動，每個氣缸側(cè)的一個正常工作循環(huán)包括：① A-B曲線為余隙容積中殘留高壓氣體膨脹過程，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥和排氣閥均處于正常關(guān)閉狀態(tài)；② B-C曲線為進(jìn)氣過程，B點(diǎn)進(jìn)氣閥在氣缸內(nèi)外壓力的作用下開啟，進(jìn)氣管線中的氣體通過進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，至C點(diǎn)完成相當(dāng)于氣缸100 %容積流量的進(jìn)氣量，進(jìn)氣閥關(guān)閉；③ C-D曲線為壓縮機(jī)過程，氣缸內(nèi)的氣體在活塞的作用下壓縮達(dá)到排氣壓力，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥和排氣閥均處于正常關(guān)閉狀態(tài)；④ D-A曲線為排氣過程，D點(diǎn)排氣閥在氣缸內(nèi)外壓力的作用下開啟，被壓縮氣體經(jīng)排氣閥進(jìn)入下一級過程。如果在進(jìn)氣過程達(dá)到C點(diǎn)后，進(jìn)氣閥在執(zhí)行器作用下仍被強(qiáng)制保持開啟狀態(tài)，壓縮過程氣缸中的部分氣體通過被頂開的進(jìn)氣閥回流至進(jìn)氣管道而不被壓縮，待活塞運(yùn)動至待定的位置Cr（對應(yīng)所要求的氣量）時，執(zhí)行器頂開進(jìn)氣閥閥片的強(qiáng)制外力消失，進(jìn)氣閥閥片回落到閥座上而關(guān)閉，氣缸內(nèi)剩余氣體開始被壓縮，壓縮過程由Cr- Dr。氣體達(dá)到額定排氣壓力后從排氣閥排出，容積流量減少，壓縮功減少。

圖1　示功圖Fig. 1 Indicator diagram

部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作原理是計算機(jī)即時處理壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將信號反饋至執(zhí)行器內(nèi)電子模塊，通過液壓執(zhí)行器來實(shí)時控制進(jìn)氣閥的開啟與關(guān)閉時間，理論上實(shí)現(xiàn)0~100 %全行程范圍部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)。在部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制下，壓縮機(jī)進(jìn)氣閥不再是依靠壓差工作的自動閥，而是一個由外置動力驅(qū)動的強(qiáng)制閥，液壓執(zhí)行器及專用氣閥如圖2所示。

圖2　液壓執(zhí)行器及專用氣閥Fig. 2 Diagram of hydraulic actuator and special gas valve

若出現(xiàn)某種原因，部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法正常操作，專用氣閥可以實(shí)現(xiàn)普通氣閥的功能，最大限度地保障生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。

3.2系統(tǒng)組成

圖3　系統(tǒng)組成Fig. 3 Diagram of system compositon

3.2.1中間接口單元

提供部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部和用戶DCS控制系統(tǒng)的信號交換處理系統(tǒng)，承擔(dān)的主要功能如下：

（1）將液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋的閥室溫度信號，投用、報警、出錯及仿真等信號傳輸?shù)紻CS；

（2）通過專門的軟件對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；

（3）接收上死點(diǎn)傳感器拾取的曲軸轉(zhuǎn)角脈沖信號已確定執(zhí)行器動作的準(zhǔn)確時間。

3.2.2液壓執(zhí)行器

液壓執(zhí)行器是一組通過卸荷器對氣閥產(chǎn)生作用的部件總和，由液壓油站提供實(shí)現(xiàn)該動作功能所需的機(jī)械動力，中間接口單元進(jìn)行實(shí)時控制，EPS提供電源。它由閥室、電氣室和密封室三部分組成。

3.2.3液壓油站

液壓油站提供高壓液壓油向執(zhí)行器提供機(jī)械動力。通過內(nèi)置齒輪油泵的作用把液壓油的壓力從常壓提升到10 MPa左右（最高為20 MPa，準(zhǔn)確設(shè)定值取決于壓縮機(jī)中受控的最高一級的進(jìn)氣壓力）。在液壓油供油及回油管路上均安裝有隔膜蓄能器來穩(wěn)定油壓。液壓油站油壓、油溫需在DCS上實(shí)時顯示，并在DCS中組態(tài)設(shè)油壓低、油溫高、油位低報警或聯(lián)鎖停液壓油站。液壓油站包含電機(jī)、溫度變送器、壓力變送器、液位開關(guān)、過濾器、油箱等部件。

3.2.4上死點(diǎn)傳感器

在部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，上死點(diǎn)傳感器傳遞活塞在氣缸中的即時位置。為使上死點(diǎn)傳傳感器能獲取到信號，需要在壓縮機(jī)飛輪上打孔或安裝小螺栓。上死點(diǎn)傳感器信號傳入中間接口單元進(jìn)行處理后與從DCS或其它控制器來的各級控制信號進(jìn)行計算，然后由現(xiàn)場總線傳于執(zhí)行機(jī)構(gòu)以控制進(jìn)氣閥的實(shí)際啟閉。

3.2.5服務(wù)器單元

通過專用調(diào)試軟件對部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)置，使中間接口單元適用一個特定的場合要求，同時也可用于系統(tǒng)調(diào)試和故障診斷工作。

3.3可操控性

壓縮機(jī)裝備部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，通過液壓執(zhí)行器及DCS控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排量20 % ~ 100 %范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)的氣量調(diào)節(jié)簡化到僅需輸入期望的壓力設(shè)定值，系統(tǒng)及自動跟蹤并穩(wěn)定該值。部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)加載、無沖擊切換及停機(jī)，各項參數(shù)更穩(wěn)定。

3.4可靠性

在部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制下，壓縮機(jī)部分負(fù)荷工作時，同一級的軸側(cè)氣缸和蓋側(cè)氣缸輪流卸荷，活塞桿受力將處于交變狀態(tài)，十字頭銷一直處于良好的潤滑狀態(tài)，大大延長十字頭銷的使用壽命[2]。若由于某種原因部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)無法正常操作，專用氣閥可以實(shí)現(xiàn)普通氣閥的功能，最大限度地保障生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行。

3.5設(shè)備投資

由于需要精確計算頂開進(jìn)氣閥閥片的時間、執(zhí)行器動力快速高頻切換、執(zhí)行部件的快速響應(yīng)（毫秒級），因此對控制器和電磁閥都有極高的要求，設(shè)備投資高。

4　可調(diào)余隙調(diào)節(jié)

4.1基本原理

如圖4所示，A-B-C-D-A表示存在余隙容積Vo時每個氣缸側(cè)的一個工作循環(huán)。由于有余隙容積Vo的存在，使工作活塞在右行之處，因留存在余隙容積內(nèi)的氣體壓力大于進(jìn)氣管道的壓力而不能吸入氣體，直到活塞右行到位置B時，氣缸內(nèi)氣體體積由Vo膨脹到VB、壓力由PA下降到PB時才開始進(jìn)氣。

圖4　示功圖Fig. 4 Indicator diagram

當(dāng)需要減少排氣量時，可以增加余隙容積到Vr?；钊倚械轿恢肂r時才開始進(jìn)氣，Br- C為吸氣過程，容積流量減少，壓縮功減少。在A-Br膨脹循環(huán)過程中，氣體對壓縮機(jī)活塞作功，減輕了曲軸連桿的負(fù)載。壓縮過程活塞力的增加速率小于余隙容積為Vo時的速率。

圖5　系統(tǒng)組成Fig. 5 Diagram of system compositon

4.2系統(tǒng)組成

4.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

由余隙缸、余隙活塞和液壓缸等組成，如圖6所示。

圖6　可調(diào)余隙執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig. 6 Diagram of adjustable clearance regulated actuator

4.2.2電液控制系統(tǒng)

可以根據(jù)主控變量或通過手動給定參數(shù)，通過可編程控制器、電磁閥、位置傳感器、伺服油缸組成的電液控制系統(tǒng)，使余隙缸活塞按輸入信號作直線位移，從而實(shí)現(xiàn)各級余隙容積變化的伺服控制，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量和級間壓縮比的控制。

4.2.3液壓油站

包括電動機(jī)、油泵、蓄能器、油箱等，油泵工作采取間歇式工作設(shè)計，油泵根據(jù)設(shè)定的聯(lián)鎖啟停油壓大小自行運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2.4泄漏檢測系統(tǒng)

通過限流孔板、壓力變送器、限壓排放單向閥組成泄漏檢測系統(tǒng)，在線檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)泄漏狀況。也可通過現(xiàn)場操作就地排放閥直觀檢測泄漏。

4.3可操作性

實(shí)際操作時可根據(jù)需要選擇DCS遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場自動控制、現(xiàn)場手動控制3種方式；對雙作用氣缸來說，通過控制余隙活塞的位置可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣量60 %~100 %范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)；余隙調(diào)節(jié)時間慢，大約30~50 min，無法快速應(yīng)對生產(chǎn)處理量調(diào)整時新氫量的變化，故需保留部分返還量。

4.4可靠性

采用普通的電液控制系統(tǒng)，沒有高速運(yùn)動部件，故障率低；增加余隙降低了壓縮機(jī)壓縮和膨脹過程速率，改善了壓縮機(jī)曲軸、連桿機(jī)構(gòu)受力。

4.5設(shè)備投資

采用普通的電液控制系統(tǒng)，設(shè)備投資相對部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)低。

5　總結(jié)

（1）旁路調(diào)節(jié)。系統(tǒng)簡單；流量可連續(xù)變化，各級壓縮比不變，保證了壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；但浪費(fèi)多余部分氣體壓縮功，經(jīng)濟(jì)性差。一般僅限于短暫運(yùn)行或應(yīng)急手段。

（2）全行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)。系統(tǒng)簡單；只能有級調(diào)節(jié)（三級或五級），且氣缸單側(cè)卸荷，活塞桿將處于較長時間的單向受力狀態(tài)，造成十字頭銷潤滑不良，加速磨損；損失部分壓縮功；實(shí)際生產(chǎn)過程中常與旁路調(diào)節(jié)相結(jié)合。

（3）部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)。系統(tǒng)復(fù)雜，需要增加氣閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)；調(diào)節(jié)范圍廣（運(yùn)行范圍20 %~100 %），節(jié)能效果顯著；由于需要精確計算頂開進(jìn)氣閥閥片的時間、執(zhí)行器動力快速高頻切換、執(zhí)行部件的快速響應(yīng)（毫秒級），因此對控制器和電磁閥都有極高的要求，設(shè)備投資高。 因其調(diào)節(jié)范圍廣，節(jié)能效果顯著而被廣泛應(yīng)用。

（4）可調(diào)余隙調(diào)節(jié)。系統(tǒng)復(fù)雜，需要增加可調(diào)余隙氣缸、控制系統(tǒng)和泄露裝置；可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的[3]，但調(diào)節(jié)范圍有限（運(yùn)行范圍60 %~100 %）；增加余隙降低壓縮機(jī)壓縮和膨脹過程速率，改善了壓縮機(jī)曲軸、連桿機(jī)構(gòu)受力。設(shè)備投資相對部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)低。因其設(shè)備投資相對部分行程頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)低、節(jié)能效果顯著，在滿足調(diào)節(jié)范圍的前提下逐漸被應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[3] 賴通榮， 游碧龍. 煉油裝置往復(fù)式壓縮機(jī)余隙容積自動無級調(diào)節(jié)及節(jié)能改造[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2010，31（6）：41-43.

Application Analysis of Gas Capacity Regulation System for Reciprocating Compressor Used in Oil Refineries

Wang Fusheng, Cheng Min
（CPECC East-China Design Brach, Qingdao 266071）

Abstract:To make reciprocating compressor reach the requirements in process, usually, the treated gas capacity is regulated so as to stabilize the pressure in piping-net. In this article, four capacity regulation systems, which are bypass regulation, press-off inlet valve regulation within whole stroke, press-off inlet valve regulation within partial stroke and adjustable clearance regulation, for reciprocating compressor used in oil refineries were analyzed. The analysis included working principle, system configuration, energy saving effect, operation feasibility, reliability and equipment invest cost. The results may be used as references for the selection of gas capacity regulation system in reciprocating compressor.

Keywords:reciprocating compressor; gas capacity regulation; bypass regulation; press-off inlet valve regulation within whole stroke; press-off inlet valve regulation within partial stroke; adjustable clearance regulation

作者簡介：王福生（1983—），男，工程師，從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工程設(shè)計及研究。

收稿日期：2015-03-11