李国红，贾正首，薛忠峰，邱丽静

(中石化南阳能源化工有限公司，河南 南阳 473231)

余隙容积无级调节技术在往复式压缩机中的应用

李国红，贾正首，薛忠峰，邱丽静

(中石化南阳能源化工有限公司，河南 南阳 473231)

针对汽油加氢装置工艺操作条件变化导致新氢压缩机及循环氢压缩机的实际工况与原设计工况发生较大偏离的问题，选择应用余隙容积无级调节技术对往复式压缩机进行改造，改造后，机组运行平稳，节能效果明显。

往复压缩机 ; 余隙容积 ; 无级调节 ; 节能

0 引言

往复压缩机在石油化工领域有着广泛的应用，它属于容积式压缩机，是使一定容积的气体顺序地吸入和排出封闭空间以提高静压力的设备[1]。往复式压缩机在高参数、低相对分子质量气体等输送场合，尤其在炼油企业的应用是其他类型压缩机所不能替代的[2]。

实际生产中，随着炼油装置生产指标的调整，入口条件的改变(如介质组分、入口压力、温度等)、工艺流程或耗气设备的需求量改变，当耗气量小于压缩机的排气量时，便需要对压缩机进行气量调节，以使压缩机的排气量适应耗气量的要求，保持管网压力稳定。往复压缩机的额定设计流量与实际需求的流量往往存在着很大的差异，这就造成了能源的大量浪费，不利于节约成本。因此，对往复式压缩机排气量和排气压力进行调节控制，有利于往复压缩机的高效运转。

目前往复压缩机的节能技术主要有旁通流量调节、变频器调节、顶开吸气阀调节、余隙容积无级调节等几种[3]。其中旁通流量调节节能效果差，变频器调节在低排气量工况下会对机组本体及排气阀的性能产生较大的影响，顶开吸气阀调节执行机构复杂且运行维护成本较高；而余隙容积无级调节改造成本低、运行维护简单可靠、节能效果显著，并且能够改善机组的运行状态，降低运行风险。本文介绍了利用余隙容积无级调节技术对往复式压缩机进行节能改造的有关情况。

1 改造前的设备概况及存在问题

中石化南阳能源化工有限公司Hydro-GAP汽油加氢装置的新氢压缩机及循环氢压缩机为往复式，由无锡压缩机股份有限公司制造，两者的主要技术参数见表1。

表1 压缩机主要技术参数表

生产过程中，由于进料量下降及反应条件变化，反应需要的氢气量由825 Nm3/h降为500 Nm3/h。为满足反应所需氢量，制氢装置随之降低氢气产量，但氢气流量远小于新氢压缩机的设计流量，由于没有流量调节手段，导致氢气入口缓冲罐的压力由1.0 MPa降至0.4 MPa，新氢压缩机的压缩比偏离原设计，新氢压缩机能耗加大。因此，有必要增设流量调节，以降低压缩机能耗及氢气缓冲罐到压缩机入口之间的压力能损失。

就循环氢压缩机而言，由于工艺变化，与原设计相比，反应进料量从8 750 kg/h降至5 000 kg/h，在维持氢油体积比(350∶1)不变的情况下，需要的循环氢量减少约1 823m3/h；冷氢量从原来的4 000m3/h降至1 600m3/h，需要的循环氢量减少2 400m3/h左右，两者合计循环氢量减少4 200m3/h左右；但由于同样缺少流量调节手段，导致循环氢压缩机一直按原设计流量运转，超过装置正常生产所需的氢油比，造成压缩机能耗高于实际需求，装置的加热及冷却负荷偏大，导致装置生产成本增加。故现有压缩机流量过大，必须进行改造。

2 改造情况

由于工艺调整，循环氢压缩机和新氢压缩机压缩机排气量富裕量约40%，导致循环氢压缩机循环量过大造成能耗浪费，新氢压缩机依靠降低入口压力适应管网要求，新氢压缩机的压缩比提高，增大了新氢压缩机能耗。为降低循环氢压缩机流量，恢复新氢机入口工况，以降低压缩机运行电耗，从而降低装置能耗，决定对循环氢和新氢各1台压缩机的进出口气缸增设余隙自动无级调节系统。

2.1 余隙容积无级调节系统的工作原理

图1 存在余隙Vc的示意图和示功图

图1为压缩机存在固定余隙Vc的示意图和理想气体示功图。图中，横坐标V表示气缸容积变化，纵坐标p表示气缸压力变化，p1、p2分别是进、排气压力。

在图1中，1-2-3-4表示存在余隙容积Vc时全排气的循环图。由于有余隙容积Vc的存在，使工作活塞在右行之初，因留存在余隙容积Vc内的气体压力大于进气管道的压力而不能吸入气体，直到活塞右行到位置4时，气缸内气体体积由Vc膨胀到V4、压力由p2下降到p1时才开始进气。1-2-3-4-1包围的面积即为一个往复行程需要的功。

图2为压缩机在固定余隙容积由Vc增加到Vc′的示意图和理想气体示功图。对比图1、图2可以看出，余隙由Vc增大Vc′后，进气量由原来的Vs-V4变为Vs-V4′，排气量和所需要的能耗均明显减小。如果压缩机的余隙连续可调，则压缩机的排气量和能耗也连续可调。

图2 存在余隙Vc′示意图和示功图

自动余隙调节控制系统是在固定余隙腔调节的基础上，将固定余隙腔改变成余隙容积连续可调的调节方法，取消控制辅助余隙腔与气缸之间的联接的气动阀，余隙腔与外侧气缸直接相通并与智能控制系统结合在一起，实现对气量自动实时的控制，对双作用气缸来说，采用比较普通的电液控制设施就可实现压缩机排气量55%～100%无级调节。可调余隙调节装置由PLC或DCS控制，实现对气量自动实时的控制。

2.2 余隙容积无级调节系统组成

余隙容积无级调节系统由一、二级无级调节余隙缸、液压油控制系统、仪表与电气控制系统组成，如图3所示。控制系统可以根据主控变量或通过手动给定参数，通过可编程控制器(PLC)、电磁换向阀、位移传感器、伺服油缸组成的电液位置控制系统，使余隙活塞按输入信号作直线位移，从而实现各气缸余隙容积变化的伺服控制，最终实现压缩机排气量和级间压缩比的控制。

图3 系统基本组成图

2.2.1 执行机构

执行机构是采用余隙无级调节执行机构专利技术(专利号ZL2010 2 0630620.0)设计的，执行机构由余隙气缸、余隙活塞、油缸、油活塞及位置传感器等组成。

2.2.2 液压系统与控制系统

液压系统由电动油泵、电磁阀、压力变送器、液位开关、过滤器、油箱等部件组成，而控制系统由PLC和显示器等组成，提供系统内部和用户系统之间的信号交换、处理功能。

2.2.3 泄漏检测及保护系统

为了确保系统的可靠，系统设置有泄漏检测及保护系统，确保气体不会泄漏到液压系统和液压系统的液体不会进入压缩机气缸。

2.3 改造内容

2.3.1 在原缸盖处安装余隙调节机构

为达到通过余隙无级调节实现压缩机气量的无级调节和级间压力的自动调节，两台压缩机的所有原缸盖部分拆除，加装余隙调节执行机构。

2.3.2 现场安装电液控制柜

两台压缩机共用一套控制系统，电液控制柜已经集成控制系统、液压系统和泄漏检测系统。

2.3.3 控制回路及工艺管线

新增流量控制回路共2路，报警回路共3路；新增液压油泵至压缩机进出口气缸的液压油管线及漏液线；新增余隙气排气管线及现场排空。

3 改造后的效果

改造后，汽油加氢装置的两台压缩机可根据生产负荷进行自动调节，取得了下述效果。

循环氢压缩机能根据确认的主控变量对压缩机的排气量进行控制，在原有气量55%～80%的范围内自动和手动无级调节，生产过程中，当气量为60%时，循环氢压缩机电流由原来的31 A下降到26 A，节能约16%。

新氢压缩机能根据确认的主控变量对压缩机的排气量和级间压力进行控制，能实现原有气量55%～100%的自动和手动无级调节，当气量为60%时，新氢压缩机油电流由原来113 A下降到96 A，节能约15%。

压缩机始终运行在最佳状态，能实现调节范围内排气量与指示功成正比，有效降低能耗，两台机组全年约节约电耗约60×104kW·h。

新氢压缩机压缩比降低后，压缩机夏天的排气温度由原来的115 ℃降至95 ℃左右，提高了机组的运行性能，降低了运行风险。

余隙容积无级调节系统投资和维护费用较低、操作简单、运行平稳、节能效果显著，能够有效地改善机组的运行性能，有较好的推广应用前景。

2017-01-21

李国红(1965-)，男，高级工程师，从事炼油工艺技术管理工作，电话：13837736885。

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