顾文武

(中国石化上海石油化工股份有限公司炼油部，上海 200540)

大功率往复式压缩机使用气量无级调节系统既能实现节能还可以提高控制性能，因此已经被越来越多的用户认同，但是进口产品高昂的采购价格和居高不下的使用维护成本制约了该系统的进一步推广应用，因此有必要选择一种既能够降低企业采购成本、又能打破国外垄断的新型的国产往复式压缩机无级气量调节系统。

1 无级气量调节系统的工作原理、使用情况和发展趋势

1.1 气量无级调节系统工作原理

目前，国内采用气量无级调节系统的大型往复式压缩机组越来越多，其调节原理都是在压缩行程部分强制打开进气阀，实现气体回流，只压缩实际需要的气量。往复式压缩机P-V(压力-容积)示功图(见图1)是反映压缩机在一个工作循环(曲轴转角360°)中活塞在不同位置时气缸内气体压力变化的曲线，亦称气体力图。根据P-V图可对压缩机的工作过程做一系列的分析计算，对于气量无级调节系统，根据P-V图的面积可以计算压缩气体的指示功率。在气量无级调节系统的作用下，压缩行程的C-C’阶段是不压缩气体的，从P-V示功图上能够直观地看出其节省了压缩机功耗。

图1 气量无级调节时的P-V示功图

1.2 气量无级调节系统的应用和发展趋势

奥地利赫尔比格公司的HydroCOM系统、美国德莱赛兰的ISC系统等正是基于上述“回流省功”调节原理发展起来的，前者技术成熟、使用可靠，占据了国内大多数现有压缩机改造和新项目配套市场，处于市场领先地位。

赫尔比格HydroCOM无级气量调节系统于2002年首次进入国内石化企业，随后国内相关企业和研究机构开始进行开发研究，其核心部件就是能够实现气阀延迟关闭功能的执行机构。

(1)浙江大学化工机械研究所、温州建庆公司和中国石油化工股份有限公司镇海分公司合作，共同开发了一种采用伺服电机驱动的液压旋转阀作为实现气阀延迟关闭功能的关键部件。但是这种技术还不成熟，没有得到推广应用。

(2)中国石油化工股份有限公司天津分公司和天华化工机械及自动化研究设计院有限公司合作，共同开发了一种基于伺服先导控制阀的执行机构作为实现气阀延迟关闭功能的关键部件，并在天津分公司进行了装机实验，但是后期也没有得到推广应用。

(3)江苏迪肯节能环保科技有限公司(以下简称江苏迪肯)与上海迪瓦液压科技有限公司合作，共同开发了一种基于数控电磁阀的执行机构作为实现气阀延迟关闭功能的关键部件，并在沈阳远大压缩机股份有限公司的部分压缩机上进行了装机实验。相比于其他国内厂家，江苏迪肯开发的基于数字化液压控制技术的压缩机气量无级调节系统DiCOM(Digital Hydraulic Computerized System)采用的技术路线较为成熟，符合石化企业连续生产、安全可靠、设备智能化和节能化改造的发展趋势和迫切需求。

2 国产与进口无级气量调节产品比较

近年来，我国经济进入宏观调整期，对汽柴油的市场需求存在较大波动，因此需要石化企业的炼油装置具备一定范围的操作弹性，在进行变量操作的同时，兼顾到设备节能和智能化改造，综合提高企业能效。往复式压缩机是石化企业关键的工艺流程设备，其变量运行的可控性及可操作性与炼油装置的整体节能指标直接相关。无级气量调节系统作为实现往复式压缩机变量运行的关键技术手段，其先进性、可靠性及实用性将对压缩机及关联装置产生直接的影响。对进口产品HydroCOM与国产产品DiCOM从以下几个方面进行对比。

2.1 安全可靠性比较

进口 HydroCOM与国产DiCOM产品在生产安全方面的对比如表1所示。由表1的对比可以看出：国产DiCOM系统的安全性、可靠性指标不低于进口产品，在某些电子控制功能方面，由于采用了新的先进技术，甚至优于进口产品。

表1 进口 HydroCOM与国产DiCOM产品 在生产安全方面的比较

2.2 购置费用比较

目前国外无级气量调节系统如HydroCOM基本处于垄断状态，对中国用户的售价很高，国内相关已研发的产品由于前述原因暂时无法对国外产品构成威胁。基于这个原因，在石化项目设备招标采购过程中，进口无级气量调节系统的价格基本接近一台压缩机的价格，达到200万～300万元/套，而国产化后的市场平均目标价为100万～200万元/套，价格远低于进口系统。如果这类产品国内无法解决而完全依靠进口产品，将会耗费大量的资金，并影响到将来运行的经济性和可靠性。

2.3 维护费用比较

进口无级气量调节系统不仅初期投资费用大，正常维修和异常损坏后的修复价格也同样昂贵。如进口执行器一旦损坏，国外厂家一般不予维修，而是予以整体更换，代价很高。大量维修费用于采购进口无级气量调节系统备件，抵消了系统节能所带来的一部分效益。如果系统实现国产化，立足于国内技术设计、制造，试验，其产品交货期也将大大缩短，为企业安全、连续生产提供有效保证。

2.4 政策风险比较

目前世界贸易格局错综复杂，很多进口产品的稳定供应均受到不同程度的限制，一旦出现类似情况，其风险加大，会给今后企业的生产运行带来非常严重的隐患。因此完全依赖国外产品存在一定的风险，国产化工作的深入实施可以提高企业的抗风险能力。目前大型石化往复式压缩机机组已经实现了国产化，但其无级气量调节关键系统和部件仍然依赖进口产品。高端主机的发展与无级气量调节系统的配套供应不协调，已成为制约我国重大装备和高端装备发展的瓶颈。只有突破这个瓶颈，无级气量调节系统才能得到普遍推广，石化企业的节能降耗指标才能够顺利实现。

3 气量无级调节系统的应用

综合以上几点比较，选择江苏迪肯的压缩机气量无级调节系统DiCOM应用于中国石化上海石油化工股份有限公司(以下简称上海石化)汽油加氢精制装置的一台循环氢压缩机上，该压缩机是沈阳远大压缩机股份有限公司生产的往复式压缩机，机组型号为2D20-36.53/15-27。

其主要工作参数为：进出口压力，1.6/2.8 MPa；进出口温度，40/92 ℃；曲轴转速，331 r/min；排气量，正常为28 874 m3/h，最大为37 000 m3/h，最小为12 000 m3/h。

3.1 气量无级调节系统控制精度理论分析

上海石化循环氢压缩机C6101A以往一直采用人工手动在现场调节旁通回流阀门的方式来调节排气量，不仅需要很高的劳动强度，而且人工调节的方式很难达到较高精度。应用无级调节系统之后，能够根据实际的流量远传信号，通过可编程中断控制器(PIC)自动计算需要的气量，实现了较高的调节精度，具有较快的响应速度。在调节具体的往复式压缩机排气量时，发现PIC计算的0～100%压缩机负荷与实际的排气量百分比存在一定的偏差，经过分析可知，原因在于：压缩机的机械运动是通过曲柄连杆机构(图2)将驱动电机的旋转运动转换为活塞的往复直线运动；而气量无级调节系统对控制时段的平均划分，是源自曲轴的匀速圆周运动，相对应的，活塞的直线运动是非匀速的，也就是说压缩机的排气量在时间上是非线性的。

活塞的行程=曲轴长度×((1-COS(曲轴夹角))+1/曲轴连杆比×(1-SQRT(1-曲轴连杆比×曲轴连杆比×SIN(曲轴夹角)×SIN(曲轴夹角)))

曲轴连杆比=曲轴长度/连杆长度

图2 曲轴连杆机构示意

因此，PIC控制器的输出OUT是部分转角的0～100平均等分，气量无级调节系统执行器接收到的信号CONTROL则需要对部分行程进行0～100平均等分，两者之间的关系是非线性的，要考虑行程与转角之间关系参数。

寻找PIC的输出OUT与气量调节系统执行器接收值CONTROL之间的对应关系步骤如下：

(1)根据压缩机的参数(主要是进/排气压力，余隙容积)来确定100%气量状态下的各个阶段起止角度(具体见图3)；

图3 往复式压缩机工作的4个阶段

图4 PIC输出值—执行器控制值

(3)考虑到实际使用场合的设备限制，使用了将OUT数值按照0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100对应点的Control数值，用折线代替曲线，将非线性关系转化为区间线性关系。

采用区间线性化处理之后，在操作室分布式控制系统(DCS)上输入的OUT数值与现场实际排气量契合度大为提高。

3.2 控制精度实际数据与理论值对比

经过一段时间的实际运行，选取了一组实际气量和负荷数据，与上述理论分析数据进行对比(见表2)。

通过上面数据的对比，可以明显看出DiCOM无级气量节系统对实际压缩机的实际控制效果与理论分析基本一致，偏差在合理范围内。因此DiCOM无级气量调节系统实现了较高的调节精度和较快的响应速度，在调节具体的往复式压缩机排气量方面，有很好的优势。

表2 气量和负荷数据的理论值和实测值对比

3.3 气量无级调节系统节能效果分析

从系统一年多的运行来看，完全符合当初的预计，机组运行稳定，各项参数指标都正常，工艺指标比没有使用该套系统前有一定的提高。当前机组的负荷根据工艺需求基本维持在50%～60%，氢气出口回流阀完全关闭，氢气的匹配量精准，给整套装置的平稳运行带来了方便和保障。压缩机负荷与电流关系实测值见表3。

表3 负荷与节能效果关系

根据以上数据分析可看出，该机组使用智能变量系统后可以根据工艺需求任意调整机组负荷，按照目前60%的运行负荷来计算，其能有效减少氢气的回流约11 000 m3/h，同时降低氢油比至500，从而节约加热炉使用燃料气约30 m3/h，电流从85 A降低至65 A。

按照年运行8 000 h来计算，该机组若运行在60%的负荷下，每年可以节约燃料气约194 t，节约电量约9.6×105kWh。目前的电费计价为0.6元/kWh，燃料气计价为2 000元/t，该系统年节约费用总计约96.4万元。

4 结语

通过对DiCOM应用于循环氢压缩机的气量控制效果进行理论分析和实际气量数据进行比较，可以看出DiCOM无级气量调节系统对实际压缩机的实际控制效果与理论分析基本一致，偏差在合理范围内。经过一年时间的运行，在节能增效方面表现优异，因此DiCOM无级气量调节系统实现了较高的调节精度和较快的响应速度。在调节具体的往复式压缩机排气量和节能增效方面，有很好的优势，今后可以在同类型的往复式压缩机上推广应用，实现对往复式压缩机的精准调控和节能增效。