火炬氣壓縮機控制改造方案的實施

劉冰，王皓，余雄偉 (新疆克拉瑪依獨山子石化公司信息網(wǎng)絡公司，新疆 克拉瑪依 833699)

1 工藝流程簡介

化工新區(qū)配有火炬排放系統(tǒng)?；鹁鏆庵饕煞质潜惗∠?、乙烯、乙烷及氮氣。面對國家日益嚴峻的火炬及火炬氣排放相關的環(huán)境問題，采取措施對火炬氣進行“回收利用”，降低直接火炬排放。為了有效回收排放的火炬氣，公司建設了一套火炬氣回收系統(tǒng)?；鹁鏆饣厥諝庀到y(tǒng)是將廢氣壓縮并輸送至乙烯裝置裂解爐、焚燒爐等裝置或單元的燃料系統(tǒng)以重新利用[1]?；鹁鏆饣厥諝庀到y(tǒng)包含兩臺壓縮機及出口緩沖罐。

圖1 火炬氣回收氣系統(tǒng)工藝流程圖

2 壓縮機工作原理簡介

火炬氣壓縮機選用Garo雙極型液環(huán)壓縮機，由電動機驅(qū)動。壓縮機采用兩級泵體，一個雙葉型的葉輪，一個錐形氣體分配器。葉輪的兩個相鄰葉片形成一個密閉空間，在葉輪每轉(zhuǎn)形成兩個同步對稱的壓縮循環(huán)。氣體被兩級壓縮提升壓力，然后通過錐體法蘭的兩條狹槽縱向釋放出去。由于壓縮機是液環(huán)壓縮機，需要通過端蓋上沿軸線的法蘭處輸入密封液。為了排出壓縮熱能并且補償隨壓縮氣體一起排出的部分液體，密封液需要不斷添加。密封液最后進入了氣液分離器[2]。

3 壓縮機控制系統(tǒng)簡介

控制系統(tǒng)采用就地PLC控制，PLC實現(xiàn)壓縮機的啟動、停機聯(lián)鎖、負荷控制、壓力控制等功能。配有液晶顯示面板，面板上可以顯示壓縮機的流程畫面、運行參數(shù)、操作界面、報警信息等內(nèi)容。PLC將壓縮機相關的控制參數(shù)、報警信息等數(shù)據(jù)通過RS485通信至DCS系統(tǒng)。兩臺壓縮機的控制和聯(lián)鎖關系都是相同的[3]。

4 壓縮機主要控制

4.1 壓縮機入口壓力及負荷控制

壓縮機入口安裝一臺智能壓力變送器用于監(jiān)控壓縮機入口壓力，為保證壓縮機入口壓力工作在合適壓力范圍0.5 kPa至5 kPa內(nèi)，壓縮機廠家設計了壓縮機出口返入口的管線，管線安裝了一臺回流調(diào)節(jié)閥，用于控制壓縮機入口壓力。為了防止壓縮機入口壓力長時間低于0 kPa導致壓縮機損壞，壓縮機廠家設置了入口壓力低于0 kPa并保持80 s以上，機組將聯(lián)鎖停機。

壓縮機處于停機時，回流調(diào)節(jié)閥被強制在全關位置。按下開機按鈕，PLC接收到電機運行狀態(tài)信號后，回流調(diào)節(jié)閥閥位強制邏輯取消。4 s后，壓縮機負荷控制根據(jù)入口壓力做自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍限制在84.85%～100%之間。如果壓縮機負荷控制穩(wěn)定在84.85%且持續(xù)10 s，即通過降負荷仍然不能控制穩(wěn)定入口壓力，回流調(diào)節(jié)閥控制功能塊開始工作，此時回流調(diào)節(jié)閥受入口壓力自動控制。當功能塊輸出回流調(diào)節(jié)閥全關命令且持續(xù)4 s后，壓縮機電機負荷PID控制塊又開始工作，在84.85%～100%間自動調(diào)節(jié)。當壓縮機停機后，PLC強制回流調(diào)節(jié)閥全關。

4.2 壓縮機出口壓力控制

壓縮機出口安裝一臺智能壓力變送器用于監(jiān)控壓縮機出口壓力。壓縮機出口管線安裝了一臺調(diào)節(jié)閥，用于控制壓縮機出口壓力。當壓縮機出口壓力小于600 kPa時，出口壓力調(diào)節(jié)閥強制全關。只有當壓縮機出口壓力高于600 kPa后，出口壓力控制功能塊開始工作，出口壓力調(diào)節(jié)閥受出口壓力自動控制，出口壓力控制在0.7 MPa。為防止燃料氣管網(wǎng)壓力高于壓縮機出口壓力影響壓縮機正常運行，廠家在壓縮機出口進火炬氣緩沖罐的管線上設置了止回閥。

5 火炬氣壓縮機運行情況

火炬氣回收氣壓縮機運行期間，我們發(fā)現(xiàn)一些機組運行過程中與儀表、控制有關的問題，這些問題有設計、介質(zhì)、儀表選型、工藝操作需求等原因。這些原因造成了壓縮機運行的不穩(wěn)定，下面就以上原因進行簡要說明。

5.1 設計原因

壓縮機在運行初期，壓縮機進氣出現(xiàn)高真空，負荷控制一直無法正常工作，壓縮機外送火炬氣量低于設計的外送750 Nm3/h火炬氣量。為了找出引起火炬氣量低于設計外送的根本原因，我們做了以下工作：（1）控制系統(tǒng)方面，對PLC控制邏輯控制參數(shù)與壓縮機操作手冊操作參數(shù)進行逐項對比，確認邏輯控制參數(shù)和壓縮機控制要求一致；（2）現(xiàn)場儀表方面，對現(xiàn)場監(jiān)控的壓力、溫度、液位和流量計下線送檢；壓縮機本體軸承箱振動、軸承箱溫度、電機溫度等下線校驗，所有監(jiān)控儀表測量誤差均滿足測量精度要求；（3）對壓縮機工作參數(shù)，包括壓縮機密封液液位、泵體及軸承箱振動、軸承箱溫度、電機溫度等進行了核對，確認壓縮機工作狀態(tài)正常，排除了壓縮機機械故障因素；（4）通過工藝外圍壓力、溫度、介質(zhì)組分等參數(shù)計算分析，發(fā)現(xiàn)壓縮機入口管線在正常參數(shù)下運行時流通能力達不到設計的外送750 Nm3/h火炬氣量，導致壓縮機壓縮氣量無法達到設計要求。

5.2 介質(zhì)原因

壓縮機正常運行時，需要注入密封液，而密封液注入量的多少是由氣液分離罐的液位來控制。氣液分離罐液位計采用的是差壓式雙法蘭液位計。具體控制方式：當氣液分離罐液位低于198 mm時，打開密封液注入開關閥，開始注入密封液；當氣液分離罐液位高于245 mm時，關閉密封液注入開關閥，停止注入密封液。當氣液分離罐液位低于150 mm時，壓縮機聯(lián)鎖停機。

壓縮機運行還不滿一年的時間，出現(xiàn)了2次因液位計假顯導致壓縮機聯(lián)鎖停機的情況。對雙法蘭液位計進行下線，發(fā)現(xiàn)引壓管線內(nèi)全是油泥，感壓膜片已經(jīng)被油泥糊住，同時現(xiàn)場磁翻板液位計浮標表面和測量管內(nèi)壁有大量油泥，至此我們找到了液位計假顯的原因。對油泥進行了成份分析，確認油泥中含有加氫尾油。近期裂解裝置加氫單元停工檢修，大量含有加氫尾油的不潔輕烴氣體被排至火炬系統(tǒng)。密封液在壓縮機工作過程中與火炬氣接觸，火炬氣中的加氫尾油就會融進密封液中，在引壓管線內(nèi)沉積，導致感壓膜盒被油泥糊住。

5.3 儀表選型

密封液注入開關閥是選用美卓廠家的開關球閥，閥門廠家配ASCO普通型電磁閥。開關球閥在溫度低于-30 ℃的氣溫下，出現(xiàn)開關閥不動作的情況，檢查發(fā)現(xiàn)是廠家配置的電磁閥不耐低溫（適配環(huán)境溫度-20～40 ℃），當?shù)貧v史最低溫度為溫度-45 ℃，至少有兩個月環(huán)境溫度低于-20 ℃，當環(huán)境溫度低于-30 ℃時，電磁閥“失控”，閥門無法開關。

5.4 壓縮機控制無法人工干預

火炬氣回收氣壓縮機有壓縮機入口壓力機及負荷控制、壓縮機出口壓力控制。控制是由PLC內(nèi)邏輯實現(xiàn)：PLC面板僅顯示壓縮機的相關參數(shù)，沒有壓力設定值、負荷設定值、以及出口壓力設定值修改輸入窗口指令。PLC控制箱距離最近的操作中心3 km。這就導致如果火炬氣回收氣系統(tǒng)存在系統(tǒng)波動，工藝操作人員想通過修改壓縮機壓力或負荷設定值對壓縮機的負荷進行調(diào)節(jié)，以達到調(diào)整火炬氣回收氣系統(tǒng)波動的目的是無法實現(xiàn)的，即工藝操作人員無法人工手動干預壓縮機的控制。

6 整改措施

針對在壓縮機運行期間發(fā)現(xiàn)的以上問題，我們進行了有針對性的整改，措施如下。

6.1 修改設計

由于壓縮機入口管線流量不足，導致壓縮機進氣量不足，回收量受限不能達到設計要求的750 Nm3/h，我們與設計院、壓縮機廠商進行溝通論證，決定火炬氣回收壓縮機入口管線由4寸更換為10寸，壓縮機返程線接口位置不變，壓縮機補水線接口位置不變，壓縮機壓力檢測點位置不變。實施后，壓縮機入口火炬氣流量增加，外送火炬氣量達到設計要求。

6.2 介質(zhì)含油泥

由于雙法蘭液位計對介質(zhì)的潔凈程度要求較高，不適合較臟介質(zhì)的液位測量。針對密封液含油泥的情況，我們選用接觸式測量方式的帶有導波管類型的雷達液位計。更換液位計后，再沒有發(fā)生液位計假顯導致壓縮機誤停機的情況。同時，我們會定期對導波管進行下線清洗，保證液位計測量準確。

6.3 儀表選型不當

針對電磁閥不耐低溫的問題，我們聯(lián)系電磁閥廠家，采購耐低溫電磁閥（適配環(huán)境溫度-35～40 ℃），對現(xiàn)有四臺開關閥的電磁閥進行更換。更換后，在環(huán)境溫度低于-30 ℃時開關閥動作正常。

6.4 壓縮機控制改造

根據(jù)工藝操作要求，我們PLC中的壓縮機入口壓力機及負荷控制、壓縮機出口壓力控制轉(zhuǎn)移至DCS系統(tǒng)實現(xiàn)。控制改造涉及的儀表信號及類型進行統(tǒng)計（如表1所示）。

表1 控制改造涉及的儀表信號及類型進行統(tǒng)計

結(jié)合PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場實際情況，我們制定了兩種整改方案。

6.4.1 方案一

（1）利用現(xiàn)有主電纜JB-S-0001、JB-A-0001的三組備用信號線，分別傳輸壓縮機回流閥控制信號、壓縮機負荷控制信號、壓縮機出口控制閥控制信號。

（2）DCS壓縮機負荷控制信號通過電纜接進PLC盤柜，利用原有PLC去電氣MCC的電纜，傳輸負荷控制信號。

（3）壓縮機入口壓力表、壓縮機出口壓力表以及電機運行狀態(tài)信號，利用原有PLC與DCS的通訊傳輸至DCS。

方案一的優(yōu)點是不新增設備，不敷設新的電纜，實施所用的時間較短，但缺點是壓縮機入口和出口壓力信號是PLC通訊至DCS，通訊是否穩(wěn)定將影響壓縮機的穩(wěn)定運行。

6.4.2 方案二

（1）壓縮機增加1個接線箱，敷設1根主電纜，傳輸信號有壓縮機入口壓力信號、壓縮機回流閥控制信號、壓縮機負荷控制信號、壓縮機出口壓力信號、壓縮機出口控制閥控制信號、電機運行狀態(tài)信號。

（2）DCS系統(tǒng)的壓縮機負荷控制信號通過電纜接進PLC盤柜，利用原有PLC去電氣MCC的電纜，傳輸負荷控制信號。

（3）由于入口壓力在PLC中參與壓縮機開機控制，在現(xiàn)場PLC盤柜內(nèi)增加一入二出的安全柵，一路信號送至PLC，另一路信號送至DCS系統(tǒng)。

（4）電機運行狀態(tài)信號在PLC中另有邏輯，需加繼電器，分出一路信號送至DCS。

方案二的優(yōu)點是所有信號均為硬線連接，信號傳輸?shù)目煽啃暂^高，但缺點是需要新增設備，敷設新的電纜，實施所用的時間較長。

在與工藝人員溝通后，受限于壓縮機停機時間及環(huán)保監(jiān)控要求，方案二實施所用時間較長，所以決定采用方案一。DCS系統(tǒng)通道及功能塊組態(tài)完成后，對壓力、負荷控制回路信號進行調(diào)試，現(xiàn)場閥門聯(lián)校，確認信號傳輸及控制滿足實際要求。壓縮機開機后，工藝操作人員可以對壓縮機實現(xiàn)DCS系統(tǒng)遠程控制。

7 結(jié)語

通過火炬氣回收氣壓縮機在運行初期出現(xiàn)的設計、儀表選型、介質(zhì)影響等因素導致壓縮機運行一直運行不夠穩(wěn)定，對影響因素的原因分析，制定相應的整改措施，使壓縮機滿足設計要求，同時實現(xiàn)壓縮機PLC控制信號進行引入DCS控制改造，使工藝操作人員可以遠程控制壓縮機，確保機組長周期安穩(wěn)運行。