技术
TECHNIQUE

PLC在往复压缩机节能控制中的应用

   引言
 
  往复压缩机具有排气压力高且运行稳定的特点,在石油化工企业应用十分广泛。往复式压缩机一般是按规定的工艺条件和额定的流量进行设计的,在选型时主要考虑满足峰值流量,这使得压缩机运行时流量经常处于富余状态,有效负荷率常常只有60%~85%。压缩机在运行过程中,主要靠调节旁路来实现压缩机的控制。大功率的压缩机通常用旁通回流调节的方式,虽然能满足下游工艺生产的需要,但造成了能源的巨大浪费。随着石油化工工艺的不断变化和能源的日益紧张,提倡节能与环保的发展趋势下,要求压缩机能够在更大的范围内实现排气的连续调节。往复式压缩机气量无级调节系统(可变余隙调节)能根据主控变量的变化而对压缩机的排气量和级间压力进行控制,使压缩机始终运行在最佳状态,有效降低能耗。
 
  一、气量无级调节介绍
 
  目前,往复机节能主要有气量无级调节和气缸余隙调节两种。气量无级调节代表作是贺尔碧格公司开发的HydroCOM系统。它是通过控制压缩机进气阀,生产需要多少气体,压缩机进气阀中进入多少气体,多余的气体不进入气缸,减少压缩机做功,最大限度地节约能源,通过智能化的液压调节机构,快速、精确地控制压力和流量,实现气量理论上0~100%的连续调节。
 
  HydroCOM的液压控制系统采用时间控制方案,通过记录曲轴的相位角来确定进气阀的关闭时刻,实现气量控制。它的中心部件是一个安装在吸气阀上的高精度、高灵敏度的电磁阀,在压缩机吸气终了时,电磁阀使吸气阀仍保持开启状态,活塞反向运动时,通过控制不同的曲轴相位角来控制吸气阀关闭的时间,实现压缩机排气量0~100%全行程范围的无级调节。先进控制理论和机电技术的结合,使HydroCOM系统在最大限度节省能源的同时,还拥有极高的控制动态特性,通过执行机构的动作,压缩机的负载可以在三个曲轴回转中从0加载到100%。
 
PLC在往复压缩机节能控制中的应用
 
 
  而且由于一级缸活塞负荷降低40%,活塞使用寿命得到提高。因此,往复式压缩机的安全性能也得到了改善。
 
  利用气量无级调节系统在不改变压缩机原主体结构,不改变压缩机原控制系统的情况下采用无级调节系统,仅对压缩机缸盖进行改造;通过电液控制机构智能调节,能根据用户对气量的需求,按照给定的控制参数,自动快捷地调节压缩机的实际负荷,在60%~100%范围无级可调,使压缩机仅仅对实际需要的气量进行压缩,在节约能源的同时,还可以轻松实现压缩机的平稳启动、切换和停机,短时间内在不需停压缩机的情况下就可对控制系统进行检修维护。
 
  二、余隙调节介绍
 
  压缩机余隙无级调节系统是在不改变压缩机原主体结构和原控制系统的情况下,仅对压缩机余隙缸盖进行改造,通过PLC控制的电液控制系统进行智能调节。它能根据给定的控制参数自动控制流量在60%~100%的无级调节和压缩比的调节。其特点是压缩机余隙可在60%~100%连续调节,调节稳定可靠,调节精度高,调节过程对生产造成的扰动较小。和贺尔碧格无极调节相比,余隙调节性价比优势非常明显。近年在国内得到了大量的应用,取得两很好的效果。
 
  中石化济南炼化逆流连续重整装置设三台重整氢增压机K202A/B/C,其中K202A设有无级调量系统,在加工负荷低于63t/h时(90%)可实现单机K202A无级调量运行;在负荷高于63t/h时,一台压缩机无法满足生产需要,增压机运行方式为运二备一(K202A无级调量+K202C满负荷)。双机运行时,K202C满负荷,K202A机无级调量受最低负荷30%的限制,仍然存在很大的回流损失,造成大量的能量损失。2016年8月份K202C增加山东易阳石化节能装备的余隙调节后,每小时省电950kW,每年节省经济效益几百万之巨。
 
  2.1余隙调节原理介绍
 
  在图2中,1—2—3—4表示存在余隙容积Vc时全排气量的循环图。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。进气量相应的线段长度为4—1,压缩过程为1—2,排气过程为2—3,膨胀过程为3—4。1—2—3—4—1包围的面积即为一个往复行程需要的功。
 
PLC在往复压缩机节能控制中的应用
 
  如图3所示,当需要减少排气量时,可以增加余隙容积到Vc′,此时功率循环图为1—2′—3—4′。进气量由全进气量相应的线段长度4—1减少到线段长度4′—1,压缩过程按1—2′进行,压缩过程活塞力的增加速率小于余隙容积为Vc时的速率,排气量由相应的全排气量线段2—3减少到线段2′—3。由于没有额外的阻力,在3—4′膨胀循环过程中,气体对压缩机活塞作功,减轻了曲轴连杆的负载。当需要外侧气缸零排气量时,可以增加余隙容积到Vc′,此时,余隙容积Vc′中留存的高压气体膨胀到吸气行程Vs终止,膨胀线和压缩线合二为一,如图中过程线1—3—3—4′所示,循环功为零。
PLC在往复压缩机节能控制中的应用
 
  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50%~100%范围无级调节。
 
 
  三、余隙调节自动控制
 
  往复机余隙调节采用西门子S7-300PLC实现压缩机余隙远程控制和控制油站的联锁逻辑。
 
  可编程序控制器(Programmable Logic Contoroller)简称PLC,是以微处理器为核心,用于工业控制的计算机,由于PLC广泛采用微机技术,使得PLC不仅具有逻辑控制功能,而且还具有了运算、数据处理和数据传送等功能。控制系统采用的西门子312CPU具有很快的I/O处理速度,强大的I/O扩展能力,并且便于安装。PLC自动循环扫描各个输入输出点的当前状态,并根据程序所确定的逻辑关系刷新输出点的状态,通过位移传感器和电磁阀来控制相应的电机的启停和油缸的动作,从而完成工艺流程的自动控制;操作界面上配有触摸屏,触摸屏内置通用端口,可通过串行通讯电缆直接与计算机及其它含有RS485通讯/编程口的设备实现互连。PLC提供了丰富的指令系统,给设计和维护带来很大方便。
 
  压缩机的控制分为余隙调节控制、油泵电机启停控制和油液位、温度等联锁保护。人机界面采用昆仑通泰触摸屏,为了达到防爆要求,人机界面和PLC安装在防爆控制箱中,手动操作和报警确认等功能都通过防爆控制箱上的按钮来实现。负荷的控制有手动控制和自控两种模式,手动控制时,可以通过手动按钮人为给定。自动控制模式时通过远程DCS给定控制信号,PLC依据远程给定的设定值和测量值的偏差来调节。整套设计和安装都是按照IEC61508的标准规范来执行,关键控制信号都不采用通讯或者软件选择的方式而是硬接线方式,提高联锁逻辑的可靠性。

 
PLC在往复压缩机节能控制中的应用
  四、结束语
 
  传统的往复机靠旁路回流控制浪费了大量的电能,压缩机气缸余隙调节能在满足生产的前提下,大大节约电能,近年来得到了广泛的应用,节能效果非常显著,具有较高的推广应用价值。
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