HydroCOM气量调节系统在天然气处理装置闪蒸气压缩机上的应用

，，吉　宁

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000；2.中海石油深圳分公司，广东 深圳 518067)

HydroCOM Air Conditioning Systems Used in the Natural Gas Processing Deviceof Flash Gas Compressor

ZHANG Weisen1，YU Yanhang2， JI Ning1

(1.CNOOC Deepwater Development Limited， Zhuhai 519000，China；

2. CNOOC Shenzhen Branch， Shenzhen 518067，China)

HydroCOM气量调节系统在天然气处理装置闪蒸气压缩机上的应用

张炜森1，于彦恒2，吉宁1

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000；2.中海石油深圳分公司，广东 深圳 518067)

HydroCOM Air Conditioning Systems Used in the Natural Gas Processing Deviceof Flash Gas Compressor

ZHANG Weisen1，YU Yanhang2， JI Ning1

(1.CNOOC Deepwater Development Limited， Zhuhai 519000，China；

2. CNOOC Shenzhen Branch， Shenzhen 518067，China)

摘要：对往复式压缩机常用气量调节方式的原理及特点进行了介绍，结合珠海高栏终端闪蒸气压缩机气量调节方式，对HydroCOM系统的工作原理、结构组成、控制方案、分程功能、无扰切换及应用效果等内容进行了详细阐述。实际应用效果表明，采用了HydroCOM气量调节系统的往复式压缩机，能快速、精确地控制压缩比、流量等参数，实现气量无级调节，机组运行可靠、操作简便、节能效果明显，经济效益十分可观，对其他在建或已投产同类压缩机的改造升级具有一定技术指导性及借鉴作用。

关键词：气量调节；HydroCOM；压缩机；无扰切换；闪蒸气

中图分类号：TH12

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0026-04

收稿日期：2015-06-23

Abstract：This paper is to introduce the theory and character of capacity control methods of reciprocating flash gas compressors， and to describe the theory， composition， proposal， spilt control function， undisturbed switching and application effect of HydroCOM system which was used in Zhuhai Gaolan Gas Plant. Actual application shows that HydroCOM capacity regulation system is not only reliable but also accurate and convenient to control， energy-saving. Also， it could provide technical reference for control mode selection or future upgrading of similar compressors.

作者简介：张炜森(1984-)，男，重庆万州人，工程师，研究方向为液化天然气、天然气行业生产加工及项目管理。

Key words：capacity control；HydroCOM；compress；undisturbed switching；flash gas

0引言

珠海高栏终端是国内目前最大的天然气处理终端，该终端主要对海上平台经由海底管道输送的天然气和凝析液进行加工处理，其中凝析液在凝析油稳定单元逐级稳定过程中会闪蒸出大量天然气，闪蒸气体经过往复式压缩机三级增压后输送至天然气脱水流程。受气田投产顺序与气井配产差异等外部条件影响，凝析油实际处理量变化较大，长期处于低负荷运行，为了最大限度的节约能源，闪蒸气压缩机综合采用了旁通管路、余隙容积及HydroCOM 3种气量调节方式，具有运行可靠、操作简便、节能效果好等特点，经济效益十分可观。

1压缩机常用气量调节方式

石油、化工企业往复式压缩机的排气量一般是根据装置最大所需量或近期装置可能扩容所需量来选择，并综合考虑装置负荷变化、入口条件改变等因素，所以压缩机排气量通常都有较大的富余量[1]。当装置实际用气量长期低于压缩机额定排气量工况下运行时，尤其是在装置投产初期，需要对压缩机排气流量进行调节。目前，旁通管路调节、压开进气阀调节、余隙容积调节、转速调节和气量无级调节是往复式压缩机较为常用的气量调节方式。

1.1　旁通管路调节

旁通管路调节是将压缩机进气管和排气管用旁通管路加以连通，并在旁通管路上设置调节阀门，通过对阀门的开度来实现压缩机排气量的调节。这种调节方式在往复式压缩机上得到了广泛应用，具有结构简单、流量可连续变化、各级压力比保持不变、运行稳定性好等优点，但由于回流气体的全部压缩功都损耗掉，压缩机电机功率消耗大、经济性较差，常适用于压缩机短期运行或者调节范围小的场合。

1.2　压开进气阀调节

利用阀片压开装置，把进气阀阀片强制压开，使进气阀丧失正常工作能力，在压缩机吸气过程中气体被吸入气缸，压缩过程中，因为进气阀全开，吸入的气体又被全部推出气缸。对于一个一级双作用气缸布置的压缩机而言，若只顶开活塞一侧的进气阀，气量只降低50%，如果两侧同时顶开，则排气量为零，故该机可实现气量0，50%和100%三级调节。这种调节方式具有操作方便、能耗较低、投资少等特点，实际生产过程中常与旁通管路调节相结合，应用十分广泛，但这种间断调节方式，调节幅度较大，仅适用于粗调节，不能实现精确调节。

1.3　余隙容积调节

在压缩机的气缸上，除固定余隙容积外，另外在气缸盖等处设有一定的空腔，调节时接入气缸工作腔，使余隙容积增大，容积系数减小，压缩机排气量降低。这种调节方式响应速度较慢、调节范围窄、需要手动调节干涉，但设备投资成本相对较低，能实现压缩机额定排气量60%～100%的连续调节。采用了电液控制和执行机构的可变余隙容积调节系统能实现压缩机自动气量无级调节，但其辅助系统较为复杂，易损件较多，维护难度增大。

1.4　转速调节

转速调节是通过改变压缩机的转速来实现气量调节。这种调节方式的优点是气量连续，调节工况比功率消耗小，压缩机各级压比保持不变，压缩机上不需要设置专门的调节机构；缺点是受原动机本身性能的限制，如内燃机只能在100%～60%转速范围变化，再低便需采取其他措施，且低于额定转速时，经济性降低[2]。对于电动机驱动的压缩机则需要配置变频器，大功率高压变频器价格昂贵且故障率较高，目前在电动机驱动的往复式压缩机上采用较少。

1.5　气量无级调节

压缩机气量无级调节系统采用数字计算机技术和控制技术，通过液压传动卸荷装置使压缩机在运行过程中，进气阀保持有可控的一定时间开启，即精确计算延迟关闭进气阀时间的方式，使气缸中的部分气体未经过压缩增压直接返回进气总管，从而实现全程范围的气量调节，气量无级调节系统实质就是“回流省功”原理，压缩循环中只压缩了需要压缩的气量，最大限度地节约了能源。

2HydroCOM系统工作原理及组成

2.1　工作原理

HydroCOM系统是贺尔碧格公司专门为往复式压缩机开发的液压式气量无级调节系统，它能根据实际用气量的要求来自动调节系统，使压缩机排气量完全与需用量匹配。其工作原理是计算机即时处理压缩机运行过程中的状态数据，并将信号反馈至执行机构内电子模块，通过液压执行器来实时控制进气阀的开启与关闭时间，实现压缩机排气量0～100%全行程范围无级调节，HydroCOM液压执行器和专用气阀如图1所示。在HydroCOM控制下，通过对进气阀的延迟关闭，使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，压缩机的进气阀不再是依靠压差工作的自动阀，而是一个由外置动力驱动的强制阀。

图1　HydroCOM液压执行器和专用气阀

2.2　系统结构组成

HydroCOM系统主要由液压执行器HA( hydraulic actuator )如图2 所示、中间接口单元CIU( compressor interface unit)、液压油站HU(hydraulic unit)、上死点TDC(top dead center)传感器、供电电源EPS及服务软件HSS等软硬件设备组成。其中液压执行器HA执行实际的控制任务，它在部分负荷下延迟进气阀的关闭；中间接口单元CIU是连接执行器HA和用户DCS/PLC的桥梁，通过它的中间转换接口作用， 使HydroCOM简化为一个接收4～20 mA标准电流信号的调节；液压油站HU通过液压管路供给执行器HA所需的动力；上死点TDC传感器实时提供活塞在气缸中的即时位置给CIU；供电电源EPS负责执行器HA需要的48 V直流供电。

图2　HydroCOM系统结构组成

3HydroCOM系统应用方案

3.1　工艺系统

珠海高栏终端凝析油稳定单元额定处理规模为145 m3/h，经海底管道输送的天然气首先在预处理单元进行气液分离，分离出的凝液经节流后进入凝析油一级闪蒸分离器，分离出的气相进入闪蒸气压缩机三级入口；一级闪蒸分离器分离出的液相经节流换热后进入凝析油二级闪蒸分离，分离出的气相进入闪蒸气压缩机二级入口；二级闪蒸分离器液相出口有两个去向，一部分经节流换热后进入凝析油稳定塔中部，另一部分节流后直接进入凝析油稳定塔顶部；凝析油稳定塔塔顶气进入闪蒸气压缩机一级入口，塔底稳定凝析油产品经冷却后进入凝析油储罐。凝析油稳定单元工艺流程如图3所示。

图3　凝析油稳定单元工艺流程

闪蒸气压缩机为2台美国通用电气公司GEMINI ES604 型天然气往复式压缩机组，通过弹性联轴器由电动机驱动，对称平衡布置，四列四缸，三级压缩，气缸余隙手动调节。

3.2　总体控制方案

投产初期，根据海上气田滚动开发计划、下游市场及装置配产情况，凝析油平均处理量约为额定的40%，两压缩机互为备用，随着装置处理量的增大，转为并联运行。2台压缩机共用3个级间自动补气旁通阀，单机运行时，补气旁通阀及HydroCOM由运行压缩机控制。并联运行时，一台压缩机为手动满负荷工作，补气旁通阀及HydroCOM由另一台压缩机控制。闪蒸气压缩机组HydroCOM系统控制方案如图4所示。

图4　闪气压缩机组HydroCOM系统控制方案

2台压缩机HydroCOM系统采用嵌入式控制方案，压缩机相关状态参数、HydroCOM系统报警及联锁信号等信息显示于中控DCS系统。压缩机二、三级入口分别有来自凝析油稳定单元的连续级间补气，压缩机进出口压力的稳定将直接影响凝析油稳定过程中闪蒸出的天然气量，故将压缩机级间入口压力作为HydroCOM的主控变量。

凝析油稳定单元在不同工况下，压缩机各级入口压力、温度、组份、流量等参数均会发生显著变化，HydroCOM极高的动态控制特性能使压缩比、流量等参数得到精确控制。在压缩机某级气量较小，HydroCOM负荷较低时，可通过调整气缸余隙容积增量，使压缩机各级负荷分配均匀，避免压缩机因负荷过低导致气阀阀盖温度高及活塞力不均衡等问题。

3.3　分程功能

压缩机出口压力的稳定是通过回流气量的多少来实现的，主控变量控制信号经过一个低选器后输出的值变大则需要回流量增大，即减小压缩机的负荷，反之亦然。输出信号既可以控制HydroCOM，也可以用来控制补气旁通阀，通过利用分程控制概念，在PLC组态时把主控变量输出信号通过分程功能分别作用于HydroCOM和补气旁通阀。

低选器输出信号与压缩机的负荷相关，HydroCOM负荷值分程点是按照压缩机的最低允许负荷来设置的。实践经验表明，HydroCOM最低负荷设定为30%是较合理的，故HydroCOM实际有效负荷调节范围为30%～100%，0%～30%负荷时由补气旁通阀调节。

HydroCOM在自动状态下，分程点为70%。低选器输出信号为70%～0%时，由HydroCOM控制压缩机负荷，补气旁通阀保持关闭；低选器输出信号为100%～70%时，HydroCOM保持在最低负荷30%，补气旁通阀自动调节。

HydroCOM在手动或切除状态下，分程点为100%，压缩机负荷由补气旁通阀实现气量调节。正常运行时，压缩机分程控制对应输出信号如图5所示。

图5　压缩机分程控制对应输出信号

3.4　无扰动切换

压缩机在启停、加载、切换、HydroCOM投用及切除过程中，为了保持出口压力及流量的稳定，防止对工艺流程产生较大的冲击波动，HydroCOM需要具备无扰动切换功能。HydroCOM无扰动切换的实质是对压缩机不同工况下控制信号分程点的改变来实现的，同时辅以手动或自动操作调节。

压缩机启动时HydroCOM负荷为0%，压缩机气阀处于卸荷状态，手动确认机组加载后，HydroCOM负荷按1%/s速率开始自动增加，补气旁通阀接收全部控制信号自动调节。当HydroCOM负荷信号大于控制信号时，激活HydroCOM自动控制，此时全部控制信号切换至HydroCOM中间接口单元CIU接收。控制信号分程点的变化将使补气旁通阀逐步关闭，分程点的变化速率小于1%/s，补气旁通阀关闭过程中，HydroCOM自动调节以维持压力稳定。

压缩机停机时控制信号分程点以小于1%/s的速率由70%向0%变化，直至补气旁通阀接收全部控制信号。分程点变化过程中HydroCOM仍然接收控制信号，以适应补偿压缩机负荷的变化。等待分程点变化结束，HydroCOM负荷自动以1%/s速率降至0%后切除，压缩机所有进气阀处于卸荷状态，压缩机可以停机。

HydroCOM故障时，不需要停止压缩机，HydroCOM将被自动切除，控制信号立即交由补气旁通阀调节，此时HydroCOM专用气阀与普通气阀功能一致，压缩机满负荷工作。故障排除后重新投用HydroCOM时，补气旁通阀接受全部控制信号，手动操作HydroCOM负荷值由100%降低至接近控制信号时，切换HydroCOM为自动控制，分程点的变化将使补气旁通阀逐步关闭，此时HydroCOM开始接受全部控制信号自动调节。

4HydroCOM系统应用效果

4.1　可操作性

闪蒸气压缩机装备HydroCOM后，可实现机组30%～100%负荷范围内气量无级调节，压缩机的气量调节简化到仅需输入期望的压力设定值，系统即自动跟踪并稳定该值，各级压缩比恒定。结合气缸余隙容积调整，压缩机能适应压力、温度、组份、流量等参数显著变化的复杂工况。系统具备的手动、自动和HydroCOM切除功能，能实现压缩机在多种工况下的无扰动切换，较普通压缩机的控制更趋合理，各项参数更加稳定。

4.2　安全及可靠性

当压缩机在常用的膜式气缸卸荷器的作用下实现50%负荷运行时，若是双作用气缸单侧卸载，活塞杆将处于较长时间的单向受力状态，造成十字头销润滑不良，加速磨损[3]。而安装了HydroCOM的压缩机在部分负荷工作时，同一级的轴侧缸和盖侧缸在液压执行机构下轮流卸载，活塞杆受力处于交变状态，十字头销一直处于良好的润滑状态，十字头销使用寿命大大延长。

HydroCOM已在国内外往复式压缩机上得到了广泛使用，具有很好的可维护性，故障率极低。正常情况下，系统维护仅需更换执行机构的内部密封件、垫片以及油站过滤芯等常规部件，专用气阀的维护也同普通气阀一致。

4.3　节能效果

珠海高栏终端在投产初期凝析油平均处理量约为60 m3/h，压缩机单台运行，负荷在40%左右即可满足工艺需求。在应用HydroCOM后，压缩机消耗的指示功基本与运行负荷成正比，即压缩机目前可以节省约60%的指示功。根据实际运行数据，闪蒸气压缩机100%负荷时，主电机电流为49 A，实际功率为618 kW；40%负荷时，主电机电流为21 A，实际功率为265 kW。经济效益可观。

5结束语

HydroCOM系统先进的数字计算及电液控制系统，能够快速地、精确地控制压缩比和流量等参数，实现了压缩机的气量无级调节，压缩机可操作性强、运行稳定、控制合理，适用于天然气处理工厂中压缩介质压力、温度、组份、流量不固定的复杂工况。

珠海高栏终端凝析油稳定单元闪蒸气压缩机HydroCOM系统的应用是成功的，机组运行可靠、操作简便、节能效果明显，经济效益好，对其他在建或已投产同类压缩机的改造升级具有一定技术指导性及借鉴作用。

参考文献：

[1]李红亮，郑芳，陈强.无级气量调节技术在加氢装置的应用[J].设备管理与维修，2013，S1：101-102.

[2]郁永章.活塞式压缩机.北京：机械工业出版社，1982.

[3]周杰，陈学安，赵俊伟，等.HydroCOM调节系统在蜡油加氢裂化装置新氢压缩机的应用[J].广州化工，2013，41(15)：187-189.