新氢压缩机旁通气量调节与HydroCOM无级调速复杂控制方案

杨利丰,刘子夫,丛军

（1.大庆炼化公司，黑龙江大庆163000；2.中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁沈阳110167；3.中国石油抚顺石化公司石油三厂，辽宁抚顺113006）

新氢压缩机旁通气量调节与HydroCOM无级调速复杂控制方案

杨利丰1,刘子夫2,丛军3

（1.大庆炼化公司，黑龙江大庆163000；2.中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁沈阳110167；3.中国石油抚顺石化公司石油三厂，辽宁抚顺113006）

介绍了新氢往复压缩机旁通气量调节、无级调速控制系统基本构成及相关工作原理。阐述了往复压缩机旁通气量分程低选调节控制方案设计及无级调速控制方案设计。实际应用中旁通回流控制和HydroCOM无级调速控制系统切换不会影响压缩机的正常运行，达到了无扰动切换的目的，值得推广及应用。

旁通气量调节；HydroCOM；控制方案设；节能

自2013年1月1日后，中国相关部门对汽车尾气的排放和环保要求越来越严格，油品的质量要求也越来越高，汽、柴油质量升级周期也相应缩短。国家已经硬性要求提高汽、柴油质量,减少汽车尾气中有害物质排放。为了达到国家要求且兼顾技术经济指标得到改善，必须采取有效措施确保柴油质量完全满足国Ⅳ标准。在此项目建设背景下为170万t/a柴油加氢，相关压缩机的选型考虑到后续运行的便利性选择无锡压缩机厂的相关产品，型号确定为4M32，编号为K101A/B。主要将甲醇厂来的氢气经新氢入口分液罐经三级压缩后与八路柴油进料混合送入加氢反应系统。如果采用常规的气量旁通控制方案进行控制，压缩机控制系统只能在最大满负荷下工作，多余的压缩氢气只能通过一、二、三级旁通阀返回到入口管线，机组的能耗过大，同时级间压力控制不稳定。通常采用的级间压力控制方案只能达到压力的粗调，操作难度大及控制目标值不理想。为了克服压力控制方案的缺陷，柴油加氢装置采用了复杂低选控制方案与HydroCOM无级调速控制的方式。

1 新氢往复压缩机气量调节

往复式压缩机作为工业领域中的重要设备，在许多情况下需要进行气量调节和灵活控制。往复压缩机作为一种容积式压缩机，具有排气压力高出口流量变化小等特点，后续流程需求变动，需要调节压缩机排气量。前道工艺波动供气，通过调节气量维持流程稳定，大型压缩机的设计往往裕量较大，需要调节气量确保经济运行。传统的气量调节有：

1.1 旁通调节

常用往复式压缩机气量调节方法，简便易行，将压缩后的高温高压气体返回到进气总管，缺点是浪费了旁通回流气体所耗的压缩功。

1.2 转速调节

转速调节的原理就是改变转速来调节气体气量，使气量平稳连续，广泛使用在驱动机为内燃机和汽轮机的压缩机上。

1.3 逐级调节

往复式压缩机启停经常采用的调节方式，需要膜式气缸形式的执行机构和供气管路，可能有潜在的活塞杆负载和十字头销润滑问题。

1.4 余隙腔调节

大多固定余隙腔调节，少许可变余隙腔调节，调节速度较为缓慢。一般不适用于已有压缩机的改造。本装置共有两台新氢压缩机K101A/B，在气量调节控制方案上采用的是气量旁通调节控制。

2 HydroCOM系统组成与运行过程分析

2.1 HydroCOM运行过程分析

无极调速系统能实现压缩机气量在全范围内的无级调节。可以融入到装置已有系统当中去，成为其中的一个节点，如DCS系统。相关控制机理为，改变对应活塞所关联的气阀响应时间达到调节压缩气量的目的。由DCS控制系统中的PID调节器发出控制信号，部分负荷时进气阀全开，有控制信号时，进气阀关闭，气体压缩，到达排气压力后，排出到排气管线。压缩机只压缩实际工况的气量需要，这样的优点是可以达到能源的节约。

往复式压缩机有多种控制方式，HydroCOM系统即是针对这一设备而开发的无极调控系统，开发公司为贺尔碧格公司（图1）。

图1 HydroCOM运转原理Fig.1 HydroCOM system working principle

图1 所展示的正是该系统的核心。通过对总进气量的合理调配，将需要进行压缩的气量进行压缩，其余气量循环往返，实际应用了“回流省功”原理[1]。机械运动部分由进气阀开关时间决定。

2.2 HydroCOM装置构成

该装置有以下几个部分构成：中間接口單元，液压執行机构，液压油站，上死点传感器，服务器单元。

2.2.1 中间接口单元CIU（Compressor Interface Unit）

接收控制系统的信号，通过CIU的转换功能，完成：

（1）将DCS控制系统PID调节器计算的开度信号通过转变，转换成时间信号去控制进气阀的关闭与开启。

（2）将更多的监控和测量信号传输到DCS控制系统中。

（3）通过设定器可进行组态和监测。

2.2.2 液压执行机构HA（Hydraulic Actuator）

该机构由以下3个部分组成即阀室、密封室和电气室，液压执行机构由阀室、密封室和电气室三部分组成，该系统的液压动力[1]由液压油站HU实现。

2.2.3 液压油站HU（Hydraulic Unit）

该装置的主要作用就是为执行机构提供动力。

2.2.4 上死点传感器TDC（Top Dead Center Sensor）

作用是测定传递活塞相对于气缸的实时坐标[2]。

2.2.5 服务器单元HSS

本單元可实现即时线上工作对系统组态，从而实现系统的自诊断及调试流程。

3 压缩机气量复杂控制方案设计

3.1 新氢压缩机分程低选控制

柴油加氢装置有2台新氢K101A/B压缩机，目前运行方式为一开一备。装备HydroCOM前，气量调节通过旁路阀和全程压开进气阀的开关方式来实现（图2）。

图2 工艺概述Fig.2 Technique summary

3.2 分程低选控制设计思路

（1）新氢入口分液罐V104顶压力调节器PIC-11702的0%～50%的分程信号与新氢压缩机二级入口分液罐V114A顶压力调节器PIC-11802的50%～100%的分程信号进行低选后一路控制一返一旁通控制阀PV-1180C,另一路控制HydroCOM无级调速手操器KV-101A送给CIU进行无级调速。新氢入口分液罐V104顶压力调节器PIC-11702的50%～100%的分程信号控制新氢入口分液罐V104放火炬控制阀PV-11702。

（2）新氢压缩机二级入口分液罐顶压力调节器PIC-11802的0%～50%的分程信号与新氢压缩机三级入口分液罐V115A顶压力调节器PIC-11801的50%～100%的分程信号进行低选后一路控制二返二旁通控制阀PV-1180B,另一路控制HydroCOM无级调速手操器KV-101B送给CIU进行无级调速。

（3）新氢压缩机三级入口分液罐V115A顶压力调节器PIC-11801的0%～50%的分程信号与冷高压分离器V103顶压力调节器PIC-11201的0%～100%的信号进行低选后一路控制三返三旁通控制阀PV-1180A,另一路控制HydroCOM无级调速手操器KV-101C送给CIU进行无级调速。

上述复杂分程低选控制方案是在艾默生DELTAV DCS上组态完成的。

4 压缩机无级调速控制方案设计

4.1 HydroCOM控制方案

炼化公司柴油加氢装置压缩机K101B作为备用机使用，采用HydroCOM无极调速系统的压缩机K101A提供可变气量。新氢压缩机K101A的负荷可以在0%至100%之间进行调节。柴油加氢装置机组预定负荷为30%，当负荷低于预定负荷时，采用旁通阀控制的方式来实现气量调节。HydroCOM控制系统的控制回路都为闭环控制回路。

4.2 HydroCOM控制回路

压缩机的基本控制回路包括[3]：

（1）控制器；

（2）分程模块；

（3）信号线性化；

（4）中间接口单元；

（5）执行机构；

（6）旁通阀。

图3所示是柴油加氢装置往复压缩机K101A一级控制回路。

图3 基本控制回路(以进气压力控制为例)Fig.3 Basic control loop

4.3 把HydroCOM控制系统嵌入到压缩机分程低选DELTAV DCS控制系统

高集成度的HydroCOM系统嵌入中心控制系统DELTAV中，它对控制方案和人机界面无影响。

4.4 现有的控制系统

图4中原有控制方案由绿线和程序模块表示。

图4 原有控制方案（已简化）Fig.4 Original control scheme（simplified）

4.5 增加HydroCOM系统后的控制系统

图5中增加了HydroCOM后的控制功能由蓝线和程序模块表示。

图5 增加HydroCOM后的控制方案Fig.5 Control scheme after adding HydroCOM

4.6 控制逻辑图及其功能

采用了无极调速系统的K101A往复压缩机有这样几个控制回路：

（1）压缩机排气压力（即高分压力）控制回路。

（2）压缩机一返一压力控制回路。

（3）压缩机二返二压力控制回路。

（4）压缩机三返三压力控制回路。

4.6.1 第一级控制系统

图6是在第一级旁通控制的控制逻辑中加入无极调速HydroCOM系统后的分程控制原理图。

4.6.2 第二/三级控制回路

图7表示增加HydroCOM系统后的新功能，这些功能将被增加到第二级、三级的控制逻辑中。

4.6.3 分程功能块

第一级和第二级现有的控制信号将用来控制无极调速系统和旁通阀。

图6 第一级控制回路Fig.6 First stage control loop

图7 第二级、三级控制回路Fig.7 Second stage and third stage control loop

K101A压缩机旁通阀已有调节器输出信号的范围从0%到100%，本装置定为往复压缩机按满负荷时的33%气量考虑。假设已有PLS（压力低选器）的输出信号是压缩机旁通阀的开度。分程功能模块根据下表1所示的关系将控制信号的低段（对应压缩机高负荷）给HydroCOM系统，将控制信号的高段（对应压缩机低负荷）给旁通閥(表1)[4]。

表1 在正常工作条件下分程控制模块的输出信号Table1 Output signal of control module under normal working conditions

正常工况的分程点必须设定在HydroCOM系统的最低负值，因为是反向动作的控制信号，分程点70%对应于压缩机的最小负荷30%。

100%-分程点=HydroCOM最小负荷

这样，比例积分控制器的控制输出等于压缩机当前的负荷，并且可以用于DELTAVDCS显示。

压缩机的实际负荷=100%-PLS功能模块的输出值

如果控制信号像HydroCOM系统的信号适配那样被正确放大和线性化，PLS的输出信号将确确实实的反映了压缩机的实际负荷。这个信号将可用来在DELTAVDCS显示屏上显示出来。

4.6.4 无极调速系统的故障处理和逻辑功能

HydroCOM具有判断及处理故障的逻辑功能，系统可以自我诊断，能识别内部故障并可以提供错误和报警信息。油压、油温变送器的信号都接入到DCS中，并记录错误和报警值。油压、油温、液位信号参与压缩机的启停逻辑。安全联锁和错误处理也融进DELTAVDCS控制系统中的压缩机启停逻辑中，图8显示了HydroCOM需要的基本逻辑功能（这些功能必须嵌入到DELTAVDCS中）。

图8 逻辑图Fig.8 Logic diagram

5 结论

新氢压缩机常规气量旁通低选控制与贺尔碧格HydroCOM控制系统结合在一起，是一种复杂的控制方案。该控制方案通过在大庆炼化分公司170万t/a柴油加氢装置机组成功设计和应用，具有最优的控制特性、最宽广的调节范围，让流程更具柔性，并让压缩机的启停更加自如，高度自动化的控制方式，仅需极少的人工干预、快速而精确的调控，满足流程的动态控制需求，最大限度节省能源。自柴油加氢装置机组开工投入运行以来，新氢压缩机运行状况平稳，达到了设计应用的目的。

［1］肖娜娜.Hydrocom系统在加氢精制装置新氢压缩机中的应用[J].科技资讯，2007，21(8):2.

［2］刘建中,程晓燕,赵保兴,等.HydroCOM系统在往复压缩机上的应用[J].节能技术，2006,24(3):245-247.

［3］贺尔碧格调速操作规程[S].贺尔碧格（上海）有限公司.

［4］贺尔碧格HydroCOM控制系统培训文件[R].贺尔碧格（上海）有限公司.

Bypass Gas Volume Adjustment and HydroCOM Stepless Speed Regulation Complex Control Scheme of New Hydrogen Compressor

YANG Li-feng1,LIU Zi-fu2,CONG Jun3
（1.Daqing Refining&Chemical Company,Heilongjiang Daqing 163000，China；2.HQC Liaoning Company,Liaoning Shenyang 110167，China; 3.CNPC Fushun Petrochemical Company No.3 Refinery,Liaoning Fushun 113006，China）

Basic composition and related working principles of bypass gas volume adjustment and stepless speed regulation control system of new hydrogen reciprocating compressor were introduced.The designs of bypass gas volume adjustment scheme and stepless speed regulation control scheme were discussed.In practical application,the switching between bypass gas volume adjustment and HydroCOM stepless speed regulation will not affect the normal operation of the compressor.

Bypass gas regulating;HydroCOM;Control scheme design;Energy-saving

TQ 052

A

1671-0460（2017）03-0556-04

2016-08-24

杨利丰（1971-），男，黑龙江大庆人，工程师，1991年毕业于大庆石油学院化学工程专业，研究方向：仪表自动化。E-MAIL:YLF6869162@126.com。