火炬气压缩机控制改造方案的实施

刘冰，王皓，余雄伟 (新疆克拉玛依独山子石化公司信息网络公司，新疆 克拉玛依 833699)

1 工艺流程简介

化工新区配有火炬排放系统。火炬气主要成分是丙烯、异丁烯、乙烯、乙烷及氮气。面对国家日益严峻的火炬及火炬气排放相关的环境问题，采取措施对火炬气进行“回收利用”，降低直接火炬排放。为了有效回收排放的火炬气，公司建设了一套火炬气回收系统。火炬气回收气系统是将废气压缩并输送至乙烯装置裂解炉、焚烧炉等装置或单元的燃料系统以重新利用[1]。火炬气回收气系统包含两台压缩机及出口缓冲罐。

图1 火炬气回收气系统工艺流程图

2 压缩机工作原理简介

火炬气压缩机选用Garo双极型液环压缩机，由电动机驱动。压缩机采用两级泵体，一个双叶型的叶轮，一个锥形气体分配器。叶轮的两个相邻叶片形成一个密闭空间，在叶轮每转形成两个同步对称的压缩循环。气体被两级压缩提升压力，然后通过锥体法兰的两条狭槽纵向释放出去。由于压缩机是液环压缩机，需要通过端盖上沿轴线的法兰处输入密封液。为了排出压缩热能并且补偿随压缩气体一起排出的部分液体，密封液需要不断添加。密封液最后进入了气液分离器[2]。

3 压缩机控制系统简介

控制系统采用就地PLC控制，PLC实现压缩机的启动、停机联锁、负荷控制、压力控制等功能。配有液晶显示面板，面板上可以显示压缩机的流程画面、运行参数、操作界面、报警信息等内容。PLC将压缩机相关的控制参数、报警信息等数据通过RS485通信至DCS系统。两台压缩机的控制和联锁关系都是相同的[3]。

4 压缩机主要控制

4.1 压缩机入口压力及负荷控制

压缩机入口安装一台智能压力变送器用于监控压缩机入口压力，为保证压缩机入口压力工作在合适压力范围0.5 kPa至5 kPa内，压缩机厂家设计了压缩机出口返入口的管线，管线安装了一台回流调节阀，用于控制压缩机入口压力。为了防止压缩机入口压力长时间低于0 kPa导致压缩机损坏，压缩机厂家设置了入口压力低于0 kPa并保持80 s以上，机组将联锁停机。

压缩机处于停机时，回流调节阀被强制在全关位置。按下开机按钮，PLC接收到电机运行状态信号后，回流调节阀阀位强制逻辑取消。4 s后，压缩机负荷控制根据入口压力做自动调节，调节范围限制在84.85%～100%之间。如果压缩机负荷控制稳定在84.85%且持续10 s，即通过降负荷仍然不能控制稳定入口压力，回流调节阀控制功能块开始工作，此时回流调节阀受入口压力自动控制。当功能块输出回流调节阀全关命令且持续4 s后，压缩机电机负荷PID控制块又开始工作，在84.85%～100%间自动调节。当压缩机停机后，PLC强制回流调节阀全关。

4.2 压缩机出口压力控制

压缩机出口安装一台智能压力变送器用于监控压缩机出口压力。压缩机出口管线安装了一台调节阀，用于控制压缩机出口压力。当压缩机出口压力小于600 kPa时，出口压力调节阀强制全关。只有当压缩机出口压力高于600 kPa后，出口压力控制功能块开始工作，出口压力调节阀受出口压力自动控制，出口压力控制在0.7 MPa。为防止燃料气管网压力高于压缩机出口压力影响压缩机正常运行，厂家在压缩机出口进火炬气缓冲罐的管线上设置了止回阀。

5 火炬气压缩机运行情况

火炬气回收气压缩机运行期间，我们发现一些机组运行过程中与仪表、控制有关的问题，这些问题有设计、介质、仪表选型、工艺操作需求等原因。这些原因造成了压缩机运行的不稳定，下面就以上原因进行简要说明。

5.1 设计原因

压缩机在运行初期，压缩机进气出现高真空，负荷控制一直无法正常工作，压缩机外送火炬气量低于设计的外送750 Nm3/h火炬气量。为了找出引起火炬气量低于设计外送的根本原因，我们做了以下工作：（1）控制系统方面，对PLC控制逻辑控制参数与压缩机操作手册操作参数进行逐项对比，确认逻辑控制参数和压缩机控制要求一致；（2）现场仪表方面，对现场监控的压力、温度、液位和流量计下线送检；压缩机本体轴承箱振动、轴承箱温度、电机温度等下线校验，所有监控仪表测量误差均满足测量精度要求；（3）对压缩机工作参数，包括压缩机密封液液位、泵体及轴承箱振动、轴承箱温度、电机温度等进行了核对，确认压缩机工作状态正常，排除了压缩机机械故障因素；（4）通过工艺外围压力、温度、介质组分等参数计算分析，发现压缩机入口管线在正常参数下运行时流通能力达不到设计的外送750 Nm3/h火炬气量，导致压缩机压缩气量无法达到设计要求。

5.2 介质原因

压缩机正常运行时，需要注入密封液，而密封液注入量的多少是由气液分离罐的液位来控制。气液分离罐液位计采用的是差压式双法兰液位计。具体控制方式：当气液分离罐液位低于198 mm时，打开密封液注入开关阀，开始注入密封液；当气液分离罐液位高于245 mm时，关闭密封液注入开关阀，停止注入密封液。当气液分离罐液位低于150 mm时，压缩机联锁停机。

压缩机运行还不满一年的时间，出现了2次因液位计假显导致压缩机联锁停机的情况。对双法兰液位计进行下线，发现引压管线内全是油泥，感压膜片已经被油泥糊住，同时现场磁翻板液位计浮标表面和测量管内壁有大量油泥，至此我们找到了液位计假显的原因。对油泥进行了成份分析，确认油泥中含有加氢尾油。近期裂解装置加氢单元停工检修，大量含有加氢尾油的不洁轻烃气体被排至火炬系统。密封液在压缩机工作过程中与火炬气接触，火炬气中的加氢尾油就会融进密封液中，在引压管线内沉积，导致感压膜盒被油泥糊住。

5.3 仪表选型

密封液注入开关阀是选用美卓厂家的开关球阀，阀门厂家配ASCO普通型电磁阀。开关球阀在温度低于-30 ℃的气温下，出现开关阀不动作的情况，检查发现是厂家配置的电磁阀不耐低温（适配环境温度-20～40 ℃），当地历史最低温度为温度-45 ℃，至少有两个月环境温度低于-20 ℃，当环境温度低于-30 ℃时，电磁阀“失控”，阀门无法开关。

5.4 压缩机控制无法人工干预

火炬气回收气压缩机有压缩机入口压力机及负荷控制、压缩机出口压力控制。控制是由PLC内逻辑实现：PLC面板仅显示压缩机的相关参数，没有压力设定值、负荷设定值、以及出口压力设定值修改输入窗口指令。PLC控制箱距离最近的操作中心3 km。这就导致如果火炬气回收气系统存在系统波动，工艺操作人员想通过修改压缩机压力或负荷设定值对压缩机的负荷进行调节，以达到调整火炬气回收气系统波动的目的是无法实现的，即工艺操作人员无法人工手动干预压缩机的控制。

6 整改措施

针对在压缩机运行期间发现的以上问题，我们进行了有针对性的整改，措施如下。

6.1 修改设计

由于压缩机入口管线流量不足，导致压缩机进气量不足，回收量受限不能达到设计要求的750 Nm3/h，我们与设计院、压缩机厂商进行沟通论证，决定火炬气回收压缩机入口管线由4寸更换为10寸，压缩机返程线接口位置不变，压缩机补水线接口位置不变，压缩机压力检测点位置不变。实施后，压缩机入口火炬气流量增加，外送火炬气量达到设计要求。

6.2 介质含油泥

由于双法兰液位计对介质的洁净程度要求较高，不适合较脏介质的液位测量。针对密封液含油泥的情况，我们选用接触式测量方式的带有导波管类型的雷达液位计。更换液位计后，再没有发生液位计假显导致压缩机误停机的情况。同时，我们会定期对导波管进行下线清洗，保证液位计测量准确。

6.3 仪表选型不当

针对电磁阀不耐低温的问题，我们联系电磁阀厂家，采购耐低温电磁阀（适配环境温度-35～40 ℃），对现有四台开关阀的电磁阀进行更换。更换后，在环境温度低于-30 ℃时开关阀动作正常。

6.4 压缩机控制改造

根据工艺操作要求，我们PLC中的压缩机入口压力机及负荷控制、压缩机出口压力控制转移至DCS系统实现。控制改造涉及的仪表信号及类型进行统计（如表1所示）。

表1 控制改造涉及的仪表信号及类型进行统计

结合PLC系统、DCS系统和现场实际情况，我们制定了两种整改方案。

6.4.1 方案一

（1）利用现有主电缆JB-S-0001、JB-A-0001的三组备用信号线，分别传输压缩机回流阀控制信号、压缩机负荷控制信号、压缩机出口控制阀控制信号。

（2）DCS压缩机负荷控制信号通过电缆接进PLC盘柜，利用原有PLC去电气MCC的电缆，传输负荷控制信号。

（3）压缩机入口压力表、压缩机出口压力表以及电机运行状态信号，利用原有PLC与DCS的通讯传输至DCS。

方案一的优点是不新增设备，不敷设新的电缆，实施所用的时间较短，但缺点是压缩机入口和出口压力信号是PLC通讯至DCS，通讯是否稳定将影响压缩机的稳定运行。

6.4.2 方案二

（1）压缩机增加1个接线箱，敷设1根主电缆，传输信号有压缩机入口压力信号、压缩机回流阀控制信号、压缩机负荷控制信号、压缩机出口压力信号、压缩机出口控制阀控制信号、电机运行状态信号。

（2）DCS系统的压缩机负荷控制信号通过电缆接进PLC盘柜，利用原有PLC去电气MCC的电缆，传输负荷控制信号。

（3）由于入口压力在PLC中参与压缩机开机控制，在现场PLC盘柜内增加一入二出的安全栅，一路信号送至PLC，另一路信号送至DCS系统。

（4）电机运行状态信号在PLC中另有逻辑，需加继电器，分出一路信号送至DCS。

方案二的优点是所有信号均为硬线连接，信号传输的可靠性较高，但缺点是需要新增设备，敷设新的电缆，实施所用的时间较长。

在与工艺人员沟通后，受限于压缩机停机时间及环保监控要求，方案二实施所用时间较长，所以决定采用方案一。DCS系统通道及功能块组态完成后，对压力、负荷控制回路信号进行调试，现场阀门联校，确认信号传输及控制满足实际要求。压缩机开机后，工艺操作人员可以对压缩机实现DCS系统远程控制。

7 结语

通过火炬气回收气压缩机在运行初期出现的设计、仪表选型、介质影响等因素导致压缩机运行一直运行不够稳定，对影响因素的原因分析，制定相应的整改措施，使压缩机满足设计要求，同时实现压缩机PLC控制信号进行引入DCS控制改造，使工艺操作人员可以远程控制压缩机，确保机组长周期安稳运行。