干气提浓装置中往复式压缩机的控制方案设计

刘志新

(北京燕山玉龙石化工程股份有限公司，北京 102500)

在石油化工生产中，往往要求物料具有一定的压力，压缩机作为一种对气体进行压缩做功以提高气体压力，从而达到工艺要求的设备，是石化装置的关键设备。压缩机主要压缩原料气、空气或中间介质的气体，以满足石油化工生产工艺的需要。往复式压缩机是容积式压缩机的一种，又称活塞式压缩机，依靠活塞在气缸内作往复运动来压缩气体，使气体体积缩小以提高气体压力。

某炼油厂干气提浓装置改造项目依托现有干气提浓装置，增加了半产品气往复式压缩机、冷干机和罗茨真空泵等设备，通过优化往复式压缩机控制，提高了自动化水平，降低了能耗，消除了安全隐患，保证了装置高效、长周期平稳运行。

1 概 述

1.1 装置现状

该炼油厂干气提浓装置是国内第一套利用变压吸附(PSA)技术对催化干气提浓乙烯的工业化装置，位于炼油厂北端，与北侧的航煤加氢装置、S-zorb 装置组成联合装置。干气提浓装置自2003年7月开始筹建，由于当时经验不足和技术不完善，在工艺设计和设备选型上存在部分缺陷。

随着装置运行时间的加长，设备暴露出较多问题，压缩机故障率比较高，冷干机处理能力不足等，给装置的安全稳定运行带来一定的安全隐患，对工厂经济效益影响较大。装置的置换气压缩机(C201)和半产品气压缩机(C202)均为往复式压缩机，主要故障现象有：气阀堵塞、腐蚀；级间冷却器腐蚀，结垢严重；活塞环及支承环磨损；电机定子温度高；常规仪表损坏等。压缩机等设备存在的问题，严重影响了干气提浓装置的连续运转周期，不利于干气中的乙烯组分得到充分利用，同时由于设备经常故障停车增加了运行检修费用和班组现场巡检的工作量。同时，存在压缩机额定排气量大于实际需求气量的情况，有相当一部分气量通过回流阀返回压缩机入口反复做无用功。因此，为了保证装置的安全、稳定、可靠的运行和节能降耗，对压缩机等关键设备进行技术改造显得十分必要。

1.2 干气提浓装置工艺简介

干气提浓装置以催化干气为原料，采用PSA-Ⅰ和PSA-Ⅱ两段变压吸附工艺，除去大部分氢气、甲烷、氮气、一氧化碳等弱吸附组分，获得富含乙烯、乙烷等C2及C2+组分的半产品气，再经净化精制处理脱除硫化氢、二氧化碳、砷、氧等组分[1]，最终获得符合乙烯装置进料要求的富乙烯产品气，使干气中的乙烯组分得到充分利用，从而提高工厂经济效益。干气提浓装置由变压吸附单元、压缩单元、脱硫脱碳单元和微量杂质脱除单元四个部分组成。该项目涉及的2台往复式压缩机位于装置的压缩单元。干气提浓装置的工艺流程如图1所示。

图1 干气提浓装置工艺流程示意

2 往复式压缩机工作原理

往复式压缩机的工作原理为压缩机通过电机带动压缩机的曲轴，通过连杆的传动使活塞在气缸内做往复运动。曲轴旋转一周，活塞往复运动一次，气缸内相继实现膨胀、吸气、压缩、排气四个过程，即完成一个工作循环[2]。压缩机工作过程中活塞不停地往复运动，使气缸通过吸气阀和排气阀循环地吸气和排气，将压缩的原料气、空气或中间介质的气体压缩增压后连续地输出。单级式压缩机气缸结构如图2所示。

当活塞从气缸盖处开始向左运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，同时气缸内压力降低，即完成一个膨胀降压的过程；当气缸内压力下降到稍小于进气管中的气体压力时，气体就会沿着进气管推开吸气阀进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，即活塞移动至左止点，完成一个吸气的过程；吸完气后活塞开始反向运动压缩气体增压，气缸内的工作容积逐渐减小。从图2可看出，吸气阀有止逆作用使气缸中的气体不能返回到进气管线中去，当排气管中的气体压力大于气缸内压力时，气体仍然保留在气缸内，即完成一个压缩的过程；随着活塞的继续移动，气缸内气体的压力继续增大，当气缸内的压力稍大于排气管中的压力时，气缸内的气体便顶开排气阀流到排气管中，直到工作容积变到最小时为止，即完成一个排气的过程。

图2 单级式压缩机气缸结构示意

3 改造方案

根据该装置工艺流程要求，将PSA半产品气分两部分升压，一部分升压后返回PSA单元作置换气[3]，另一部分升至更高的压力后送往脱硫脱碳单元。对于往复式压缩机，该工艺条件下按常规设计方案，应为2组共4台往复式压缩机(每组各一开一备)，但受干气提浓装置现有占地面积限制，该方案无法实施。

装置原有C201和C202各1台，均无备用机组。通过之前的改造，已具备从C202出口分出1股气体减压后替代原压缩机产生的置换气，为拆除旧的原有C201和新上压缩机C202的备机创造了条件。

为解决制约该装置长周期安全稳定运行的问题，拆除旧的C201，将半产品气分流减压的备用流程改为主流程，新增1台半产品气压缩机(使用C201位号)与C202互为备用，其中水站为2台压缩机共用。新压缩机C201采用级间抽出的四列三级对称平衡式机型，将来自PSA的半产品气一起升压至表压0.9 MPa后，分出1股气体作为置换气返回PSA单元，其余气体则继续升压至表压3.45 MPa后送至脱硫脱碳单元。

根据装置现有的条件，压缩机的控制均在DCS里实现。信号引入装置机柜间DCS，在机柜间工程师站上进行相应的机组流程图等画面和仪表点的组态，完成对机组现场运行情况的实时监控。压缩机额定排气量大于实际需求气量时，为使压缩机只压缩需要的气量，避免压缩机反复做无用功，新压缩机C201增加气量无级调节系统，提高压缩机可靠性和使用寿命，降低了能耗。

4 往复式压缩机的主要控制

往复式压缩机的控制采用以下方式：将新加的往复式压缩机C201的温度、压力、液位、振动、位移等远传仪表信号引入干气提浓装置DCS中，由于装置没有设置SIS，机组联锁在DCS内实施。DCS为Foxboro系统，现有的备用点不足，在现有DCS的基础上通过对硬件扩容的方法来满足改造的需要，从而实现集中监视和自动数据采集等，使往复式压缩机的温度、压力、液位和振动位移等工艺参数稳定在一定范围内。

4.1 主要参数测量

往复式压缩机的控制系统，其控制的目标是在变工况条件下保证工作的正常，控制参数可以选取温度、压力、液位、振动和位移等，所有远传仪表信号引入干气提浓装置的DCS。压缩机主要参数测量有以下几项：

1)温度测量。温度测量的对象主要包括：各级进气温度、各级排气温度、油站润滑油温度、水站软化水温度、各级填料函温度、压缩机轴承温度、电机轴承和定子温度等。其中，电机轴承温度和电机定子温度为热电阻信号，在DCS里设置温变安全栅将RTD信号转变为4～20 mA信号。

2)压力测量。压力是压缩机控制的重要工艺参数，压力测量的对象主要包括：各级进气压力、各级排气压力、油站润滑油压力、水站软化水压力等。

3)液位测量。液位测量的对象主要包括：一级分离器液位、二级分离器液位、水站水箱液位、油站油箱液位等。

4)振动位移测量。振动测量的对象为机身振动，位移测量的对象包括：一级活塞杆下沉位移、二级活塞杆下沉位移等。

4.2 主要联锁控制

往复式压缩机设置有较完善的指示和控制仪表，对各级进气/排气的温度和压力，冷却水的温度和压力，润滑油供油总管温度和压力均设有就地或远传仪表，以便操作人员在控制室能直接观察压缩机实际运行参数，对压缩机稳定运行起到重要的作用。为了保证设备安全，对机组重要的运行参数设有报警和系统联锁保护，当压缩机的运行参数偏离正常值达到危险状况时，能及时自动报警，并能实现联锁停机保护机组。系统设置了压缩机、辅助油泵/水泵等启停联锁条件控制，联锁控制通过DCS软件逻辑程序实现。

1)允许启动联锁控制。往复式压缩机允许启动信号由以下几个条件组成：

a)供油总管压力高联锁(p油≥0.2 MPa)允许启动主电机。

b)供油总管温度高联锁(t油≥10 ℃)允许启动主电机。

c)盘车齿轮与飞轮完全脱开允许启动主电机。

d)电机吹扫完成允许启动主电机。

当上述4个条件均满足后，即压缩机满足允许启动的条件，此时DCS输出一个允许启动DO信号给电气，其中允许启动条件里的盘车开关和电机吹扫完成为2个DI点。

2)辅助油泵/水泵联锁控制。主泵运行后，辅助油泵和辅助水泵的自动启动和停止，一般是根据总管压力信号来处理的，包括辅助泵自动启动的压力信号及辅助泵手动停止的压力信号。当油泵或水泵运行时，供油总管油压或软化水总管水压低于压力联锁值时，自动启动辅助油泵或辅助水泵；当供油总管油压或软化水总管水压高于压力联锁值时，手动关闭辅助油泵或辅助水泵，2台往复式压缩机共用1台水站。辅助油泵和辅助水泵联锁控制由以下几个条件组成：

a)供油总管压力低报警和低联锁(p油≤0.2 MPa)自动启动辅助油泵；供油总管压力高报警(p油≥0.4 MPa)，手动停辅助油泵。

b)水站软化水总管压力低报警和低联锁(p水≤0.3 MPa)，自动启动辅助水泵；水站软化水总管压力高报警(p水≥0.5 MPa)，手动停止辅助水泵。

3)停主电机联锁控制。往复式压缩机联锁停主电机信号由以下几个条件组成：

a)供油总管压力p油≤0.15 MPa低联锁停主电机(“三取二”)。

b)水站软化水总管压力p水≤0.2 MPa低联锁停主电机。

c)压缩机轴承温度t轴≥70 ℃高联锁停主电机。

d)压缩机机身振动烈度v≥18 mm/s高联锁停主电机。

当压缩机满足以上任何一个或几个条件时，即给电气MCC输出一个DO信号，联锁停主电机，以确保机组的安全。其中，供油总管上3台压力变送器做“三取二”联锁，这里“三取二”可防止仪表油压低误动作造成压缩机停车事故，提高联锁保护的可靠性。

4)电机吹扫。由于压缩机主电机启动过程中容易产生电火花，若电机内存在可燃危险性气体将造成不可估量的损失，所以电机上装有起动前用于换气的电机吹扫装置。压缩机电机起动前必须进行吹扫过程，使电机内存在的爆炸危险性气体在电机启动前得到有效吹除。吹扫流量及吹扫时间通常由电机吹扫装置的制造商进行测试和设定，满足换气量后吹扫装置自动给出吹扫完成信号。DCS接收来自电机吹扫装置的3个DI信号，分别为电机吹扫完成信号、低于中间压力报警信号和低于最低压力报警信号。其中，电机吹扫完成信号作为压缩机主电机的一个启机条件。

5 气量无级调节系统

压缩机在正常生产工况下存在压缩机额定排气量大于实际需求气量的情况，采用回流阀进行调节导致压缩机的做功有一部分被浪费。例如：压缩机理论上需要70%负荷时，压缩机实际以100%负荷运行，多余的约30%的气量通过设置的回流阀，返回至压缩机的入口再次被重复做功，因此在压缩机上增设气量无级调节系统，在吸气阀上安装一个带执行机构的卸荷器，当进吸气过程完成后，吸气阀仍被强制顶开，延迟关闭的时间，进入下一个压缩过程时，气缸中的气体经顶开的吸气阀从气缸中回流到进气管中而不被压缩，但一段时间后卸荷器强制作用取消，此时吸气阀关闭，仅对气缸内剩余需要压缩的气体进行压缩并经排气阀排出，相当于只压缩需要的气量，可以自动控制流量在20%～100%的无级调节，同时保证每个气阀都处于工作状态，也有利于最大限度地节省电能，有效降低压缩机的实际负荷。在正常生产工况下关闭回流阀，减少了压缩机所做的无用功，降低了能耗，提高了工作效率。

该装置压缩机C201为三级压缩，其中二级有部分抽出，一级、三级进气用回流阀进行调节，流程示意如图3所示。压缩机出口压力为3.45 MPa，出口温度为120 ℃，实际需求的气量约为总负荷的70%，按照目前二级出口、三级出口的回流调节的方式，约30%的压缩功通过回流阀被浪费，与此同时，被压缩后的高温、高压且不需要的做无用功的回流气体还需要大量的冷却水冷却降温。

5.1 系统组成

气量无级调节系统由液压执行机构、液压油站(HPU)、电控单元(ECU)和止点传感器构成。通过Modbus RS-485对各级、各个执行机构进行控制，并实时反馈现场各执行机构的实际工作状态，实现对排气量的无级调节。气量无级调节系统的组成如图4所示。

卸荷器对吸气阀产生作用的元件为液压执行机构，液压油站向液压执行机构提供高压液压油，实现该动作功能所需的机械动力；电控单元提供系统内部和用户DCS之间的信号交换处理功能，属于数据采集处理和控制单元，通过RS-485对各个执行机构发送各级负荷信号，进行控制并实时反馈监测各执行机构工作状态，实现对排气量的无级调节；止点传感器传递活塞在气缸中的即时位置。

图3 压缩机C201控制流程示意

图4 气量无级调节系统的组成示意

5.2 系统工作原理

气量无级调节系统完全嵌入到装置现有的DCS中，工作原理为通过DCS中的PIC调节器输出往复式压缩机负荷调节AO信号至机柜间内电控单元，由电控单元根据接收到的4～20 mA负荷调节信号转化成电子指令输出到往复机各级入口吸气阀的液压执行机构，液压执行机构和吸气阀卸荷器根据负荷调节信号控制往复式压缩机吸气阀开启和关闭的时间[4-6]，吸气阀延迟关闭，多余的气量未经压缩返回进气管只压缩需要的气量，实现压缩机气量的0～100%连续调节(长期运行负荷范围30%～100%)，即常说的“回流省功”。

5.3 技术方案

在C201机组上安装DidroFLOW气量无级调节系统，该系统能够嵌入用户现有的DCS，根据确认的主控变量(一级进气压力或末级排气压力)对压缩机的排气量进行无级调节，使压缩机始终运行在最经济的工作状态，降低排气量的同时降低能耗。DCS/电控单元控制关系如图5所示。

图5 DCS/电控单元控制关系示意

当气量无级调节系统自身出现故障时，可发出电控单元报错DI信号至DCS，此时DCS可依据该报错信号自动切除气量无级调节系统，回到原先的DCS控制压缩机进入100%负荷运行，回流阀打开进行控制[7]。

5.4 气量调节系统控制

在往复式压缩机一级气缸进气阀处共增加4个(轴侧2个，盖侧2个)专用执行机构，在往复式压缩机二级气缸进气阀处共增加2个(轴侧1个，盖侧1个)专用执行机构；原一级和二级进气阀升级为专用无级调节进气阀，增加电控单元机柜，增加TDC止点传感器和液压油站1套。

气量调节系统厂家提供控制方案：即DCS给出允许投用信号，同时压缩机主电机和液压油站主电机运行，电控单元可投用；在该电控单元投用正常运行的过程中，如出现电控单元报错，或者液压油温过高，或者油站电机运行异常，或者给出切除信号，油站电机联锁停机，DidroCOM系统切除，压缩机回到现有DCS进行控制。系统切除后，压缩机处于满负荷工作状态，同时自动切换到回流阀调节。气量无级调节系统的逻辑控制如图6所示。

图6 气量无级调节系统的逻辑控制示意

DCS根据确认的主控变量对压缩机排气量进行自动控制或通过PI调节回路手动调节压缩机负荷，气量无级调节系统根据控制指令自动跟踪并稳定控制值。气量无级调节系统设有报警联锁功能，报警联锁功能包括：液压油站油箱液位低报警，液压油系统压力低报警，液压油系统温度高报警。油温高高和系统报错能实现联锁切除气量调节系统。

5.5 节能效益

C201机组的一级气缸标况下额定流量为1.347×104m3/h，三级气缸额定流量为7.800×103m3/h，额定轴功率为1.833 MW。

目前压缩机运行的实际平均负荷约为额定负荷的70%，30%的压缩功浪费在回流上。采用气量无级调节系统对往复式压缩机进行气量调节后，消除了回流，节省的功耗为1 833×30%=549.9(kW)。

按年运行8 400 h计算，每年可节电约4.619×106kW·h，折合电费346.4万元/年(电价按0.75元/(kW·h)计)。

另外，据现场反映，由于回流阀开度过大，回流气量携带部分重组分雾滴进入三级入口，对压缩机气阀的使用寿命造成了负面影响，影响了C201的长周期运行。采取气量无级调节系统之后，可以实现回流控制阀全关，避免气体带液现象，有利于C201往复式压缩机的长周期运行,减少停工维修次数，也存在一定的经济效益。

6 结束语

往复式压缩机在干气提浓装置的应用取得良好效果，装置改造完成后，设备运行情况良好，产品质量符合标准，为乙烯生产提供了保障，设备的故障率降低，节约了设备的维修及维护费用，降低了能耗，提高压缩机可靠性及使用寿命，实现了装置安全平稳长周期运行。