余隙调节系统在新氢压缩机的上应用

一、立项背景

加氢车间30万t/a柴油改质装置，该装置原有两台新氢压缩机，后因装置提量，2014年新安装一台压缩机C5103，机组型号：2D32-15.3/16-87 加压氢气7.5 MPa（G）后送至加氢反应系统，补充系统循环氢的不足，满足耗氢量的需求。机组设计参数：

容积流量（吸入状态） 15.81 m?/min

吸气压力 1.6/3.971MPa（G） 排气压力 3.971/8.7MPa（G）

吸气温度 40/40 ℃ 排气温度 130/120 ℃

缸径 Φ370/Φ250 mm 行程 280 mm

转速 375 r/min 电机功率 1100 Kw 额定电压 10000 V

机组设计吸排气量14900Nm3/h，由于工艺变动，正常生产只需要6000-8000 Nm3/h的氢气。该机组的气量调节采用卸荷阀调节与旁路调节相结合的方式。卸荷阀只能实现50%和100%的两级调节，该机组设计余量偏大，此机组多时处于闲置状态，因此，机组在运行中主要采用旁路调节的方式。经过压缩后的多余的气体由旁路返回到一级入口重新压缩，机组一部分功被白白浪费，增大压缩机耗功，调节频繁运行工况不稳定而且压缩后的高温气体还需要用冷却水冷却后才能回到入口，此方法不但增大压缩机的耗功，还使压缩机出口温度过高，消耗大量的冷却水，导致能量的浪费。压缩机运行能耗很大。节能降耗有待解决。

二、主要做法

在了解到往复式压缩机余隙无级调节气量节能技术现在已经比较成熟，并且具有明显的节能效果，我公司经过与研讨论证后决定对该机组进行改造。取消机组气缸原控制辅助余隙腔与气缸之间连接的余隙阀，将可调余隙缸与气缸外侧直接相通，实现余隙自动无级调节。设计与安装有山东慧泰智能科技有限公司实施。

三、余隙自动无级调节原理

1、余隙调节系统结构

余隙自动无级调节装置是在固定余隙调节的基础上，将固定余隙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连接的余隙阀，可调余隙缸与气缸外侧直接相通，进出余隙缸的气体几乎没有阻力损失。余隙自动无级调节由智能控制系统控制,实现对气量自动、实时的控制。

余隙调节执行机构示意图如图1

一级 3D 外形示意图如图2

2、余隙无级气量调节节能原理

图 3为压缩机存在余隙 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。如果在余隙容积 Vc 基础上再增加余隙容积到 Vc’，示功图如图 4所示。排气量和所需要的能耗均减小。通过调节余隙容积的大小，可以达到调节气量和减少功耗的目地。

图3 图4

3、余隙无级调节系统的组成

余隙自动无级调节装置主要由执行机构、液压油站（包含油箱、油泵和伺服阀等）和控制系统等组成，见图5。

执行机构由余隙缸、余隙活塞以及液压缸等组成，取代原有的缸盖、余隙阀和气动执行机构。由于余隙缸的直径仅略小于气缸直径，直接与气缸相通，所以进出余隙缸的气体几乎没有阻力损失。

新增的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)、伺服阀、位移传感器、伺服油缸组成的电液位置控制系统，使余隙缸活塞按输入信号作直线位移，从而实现各级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。油站电动齿轮泵间歇运行，运行时间只占停泵时间的1/20，所以控制系统的耗能很低。

图5

四、创新亮点

机组安装余隙自动无级调节装置后，解决了原设备用电量大、机组出口温度高、调节频繁、工况不稳定等问题，使压缩机运行工况好转：一二级排气温度显著下降10℃，电机功率降低300KW左右,压缩机机身振动值大大降低。确保机组长周期、安全、平稳运行。，节能效果显著。

五、实施应用前后效果

2019年2月，加氢车间柴油改质装置新氢压缩机C5103安装余隙调节装置，8月正式投用运行至今，根据负荷变化电机功率在540—730KW之间，一级出口温度105℃左右，二级出口温度在110℃左右，机组运行平稳且节能效果显著。

机组经过改造后我们一般按控制余隙调节原则是控制60%的气量调节，鉴于本压缩机的Ⅰ/Ⅱ级的反向角分别为176/173?，数值比较大，可以按55%气量调节实际，具体操作时，可根据装置量的需求进行调节。

改造前后实际运行参数对比表：（2019年8月7日至2020年3月31日）

改造前

改造后

改造前-改造后

电机功率（平均）KW

949

646.54

302.46

一级出口温度℃

123

109

14

二级出口温度℃

124

114

10

运行时间（截至3月31日）h

5468

节电量（截至3月31日）

165.39万度

按当下实际工况，气量在6000~8000Nm?/h左右时，气量利用率在55%~60%左右，采用余隙无级气量调节装置后，机组运行截至3月底，按电费0.72元/度计算，节能约为：0.72*302.46*5468=1190772.92元，按8000h/年运行时间计算，年节约电费在174万元左右。投资回收快、节能效果显著。