无级调速系统控制说明及经济分析

夏祖虎（中海油惠州石化有限公司，广东 惠州516086）

0 引言

国内某石化公司煤化工联合装置低温甲醇洗单元长期低负荷运行，其循环气压缩机（往复式）按装置满负荷选型。正常操作时，压缩机入口循环气流量不足设计值的50%，启机后循环气大量回流，机出口温度高于联锁值（135℃），无法实现机组连续运行，循环气放空至火炬，造成物料浪费，影响企业经济效益。经研究，决定增设无级气量调节系统，确保机组在低负荷下安全稳定运行，回收有效气体，实现降本增效。

1 工艺说明

在中压闪蒸塔降压闪蒸后的循环气至循环气压缩机K201入口分液罐D201 进行分液，经K201 加压，在循环气压缩机出口冷却器E203中冷却，最终返回至工艺气系统，从而实现有效气体的回收，工艺流程如图1：

图1 循环气压缩机工艺流程

循环气压缩机K201 入口压力PC20202 为分程控制，通过放空阀PV20202A 和回流阀PV20202B 控制压缩机入口分液罐D201入口压力[1]。

2 无级调速简介

2.1 无级调速工作原理

无级气量调节系统由数字化电液执行机构DEHA、电控单元ECU 及液压单元HPU 等部分组成，系统可实现工业化总线控制，DCS 与ECU 之间可以实现工业级以太网方式连接，执行器之间采用BUS总线通讯，可实现独立PLC控制。

在往复压缩机所有进气阀安装无级调速执行机构，其执行的控制任务是：在压缩机非100%负荷下，延迟压缩机进气阀的关闭动作，调速执行机构所需的动力来源于配套的液压油站（HPU）。

电液执行机构DEHA 与电控单元ECU 之间通过RS485 总线进行信号传递，ECU给DEHA提供控制信号，并协助DCS/PLC与无级调速系统之间信号交流，进而实现闭环控制。

DCS、PLC 等回路控制器与无级调速之间的信号为模拟量及二进制开关量信号，同时电控单元ECU 也提供了Modbus接口。

上死点传感器可同步测量压缩机的转速，并能实时提供压缩机活塞在气缸中的即时位置给电控单元ECU ，执行机构DEHA据此控制压缩机进气阀的打开及关闭时间，这样，在控制室内输入需求参数值就可以实现往复式压缩机的气量调节。使用了无级调速系统，在压缩机活塞的三个往复周期内就可以改变压缩机的气量输出，在需要迅速和精准控制的工况下，无级调速是往复式压缩机气量调节的理想模式。

2.2 无级调速控制原理

无级调节的原理可理解为“气体回流，节省做功”，就是在压缩行程中，使部分工艺气未经过压缩而返回到压缩机进气总管，原理如图2所示：

图2 回流省功原理

压缩机气缸的指示压力值显示在P-V 图上。当位置在下死点（图中C点）时，压缩行程开始。在没有无级调速系统的情况下，压缩机在100%负荷工作时，一旦活塞通过图中BDC 位置，气体迅速被压缩。当压缩机气缸指示压力达到D 点时，排气阀打开，气体从气缸排处。当活塞位于上死点（图中A 点）时，膨胀过程开始。气体在余隙一定的气缸内膨胀，当气缸压力达到吸气压力B点时，进气阀打开，气体进入气缸。

3 压缩机控制逻辑

增设循环气压缩机无量调节系统后，机入口压力控制逻辑变更如下：

（1）原循环气压缩机入口压力控制回路PC20202由分程控制改为单回路控制，仅控制放空阀PV20202A；

（2）新增压力控制回路PC20202A，分程控制回流阀PV20202B和无级调速控制系统，在少量循环气返回时，先启用PV20202B，大于某一数值时，采用气阀调节控制（此时PV20202B关闭）。

循环气压缩机无级调速系统PY910601以压缩机进气压力为控制变量，PC20202A 分程控制PY910601 的负荷和PV20202B的开度，实现气量调节，详细操作说明如下：

（1）PY910601由系统自动设置为串级模式；

（2）当YS910601=1（ECU投用）且PY910601投串级时，分程模式1；否则选用分程模式2；

（3）启动循环气压缩机K201过程：

①将PC20202A设为手动模式，mv=0，PY910601串级模式，PV20202B串级模式；

②启动压缩机主电机，压缩机空载运行20秒以上；

③PC20202A.mv从0→10%→20%，此时PV20202B全关，压缩机负荷由PY910601控制为20%；

④继续增加PC20202A.mv，直到气量达到要求，将PC20202A改为自动模式。

控制逻辑如图3所示：

图3 无级调节系统分程控制逻辑

4 经济核算

循环气中H2、CO 及CH4为有效气成分，若将循环气全量回收，实现90%的H2并入H2管网，剩余的H2及CO、CH4并入燃料气系统，仅考虑H2价值，经济核算如下：

（1）回收氢气量：5215*0.23356*0.9=1096Nm3/h，换算为质量流量：1096*0.0899=98.53kg/h，日回收氢气质量：98.53*24=2365kg=2.365t

（2）压缩机日耗电量（按额定功率740kW 考虑）：740*24=17760kWh

（3）经济效益计算：

日产氢气价值（吨氢价格12000元）：2.365*12000=28380元

机组日耗电费用：17760*0.5=8880元

日效益值（不考虑运维成本）：28380-8880=19500元

无级调速系统报价60万元（含设备及安装、调试费用），按实际工况，循环气压缩机连续无故障运行31天后可收回成本。

5 结语

目前，无级调速系统广泛应用于石油化工行业，可实现往复式压缩机负荷线性调节，避免了装置生产运行过程中气体放空及过多回流，同时降低了压缩机运行电耗，显著提升了企业经济效益和市场竞争力。