close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1180.Системы регулирования производительности поршневых компрессоров

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПОРШНЕВЫХ
КОМПРЕССОРОВ
J. Jin, W. Hong, Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Ханьджоу, Китай;
L. Tang, Sinopec Zhenhai Refining & Chemical Company, Нинбо, Китай
Усовершенствовано плавное регулирование параметров поршневых компрессоров
Поскольку в промышленных установках между
производительностью поршневых компрессоров и
другими рабочими переменными нет согласованности, то очень важно выполнять плавное регулирование
производительности компрессора, чтобы удовлетворять требованиям изменения других параметров. Эта
статья представляет новую систему регулирования для
достижения поставленных целей.
ВВЕДЕНИЕ
Поршневые компрессоры до сих пор широко применяют в газо- и нефтеперерабатывающей промышленности для сжатия легких газов (таких как водород,
аммиак и метан) с целью получения их широкой приспособляемости и высокой эффективности. Но эффективное регулирование производительности для
компрессоров этого типа – долгосрочная проблема.
Чтобы обеспечить нормальное регулирование производительности поршневых компрессоров, разработаны три следующих варианта [1].
• Байпас. Энергия, используемая для сжатия превышающего норму газа, бесполезно используется через дроссельный клапан на байпасной линии и расходуемая энергия при различных величинах производительности одна и та же.
4
7
1
Давление
Сэкономленная
энергия
5
6
3
2
Объем
Рис. 1. Типичная диаграмма P-V при плавном регулировании
производительности поршневого компрессора
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№12 • декабрь 2009
• Контроль скорости. В этом варианте производительность компрессора может быть снижена вплоть до
50 % при ограниченной эффективности электродвигателя; для этого потребуются неприемлемые капитальные затраты на больших установках.
• Дополнительное мертвое пространство. При изменении дополнительного мертвого пространства в автоматическом режиме или ручном управлении производительность поршневого компрессора может плавно
изменяться в диапазоне от 100 до 40 % (или намного
меньше). Но дополнительное мертвое пространство
будет большим при более низком давлении и этот метод достаточно неэкономичный.
Во многих случаях можно скомбинировать методы,
чтобы добиться более качественного регулирования
для установок. Кроме того, для вышеприведенных принципов весьма трудно обеспечить достаточную динамику контроля и точность регулирования пропускной
способности.
Понижение функции всасывающих клапанов при
частичном ходе сжатия, чтобы добиться регулирования компрессора, имеет преимущества, заключающиеся в плавности регулирования и экономии энергии.
Лишний газ поступает обратно в камеру всасывания;
количество газа, поступающего обратно в камеру, распределяется по потребностям. Таким способом компримируется лишь требуемый газ, при этом только
небольшое количество энергии дополнительно тратится на поток лишнего газа обратно в камеру через всасывающий клапан. Как показано на рис. 1, заштрихованная площадь отражает экономию энергии за один
цикл. До сих пор этот метод является наиболее эффективным при регулировании производительности поршневых компрессоров. Эта статья представляет новые
средства регулирования, которые основаны на том же
методе, но имеют различные рабочие органы и методы
контроля.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Как ключевая часть системы регулирования, гидравлическое распределительное устройство создает
«управляемые» импульсные колебания давления масла [2]. На рис. 2 показана схема сборки гидравлического распределителя [3]. Сборка представляет собой
три индивидуальные части целого механизма: регулируемый электродвигатель, синхронный электродвигатель и гидравлическое распределительное устройство.
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
Верхняя втулка
Вход масла
Зона давления
Зона сброса
Средняя втулка
Выход масла Частичный
Регулируемый
Центральная
возврат масла
серводвигатель
ось вращения
Синхронный
серводвигатель
Рис. 2. Схема сборки гидравлического распределителя
Вход масла
Канал возврата
масла
относительно зоны давления на периферийной поверхности ротора. Когда среднюю втулку устанавливают
справа налево, время разгрузки снижается, и производительность компрессора увеличивается. Имеются
две системы давления и зоны сброса вдоль периферической поверхности ротора, которые выравнивают
гидравлические силы в радиальном направлении. В
соответствии с этим, средняя втулка имеет два прохода. Следовательно, при сравнении скорости вала электродвигателя компрессора половину скорости вращения гидравлического распределительного устройства
необходимо поддерживать в синхронном вращении
между ними. Следует отметить, что одно гидравлическое распределительное устройство может «обеспечить
давлением» две системы разгрузочного устройства в
двойном цилиндре.
Типичная диаграмма импульсного колебания давления, полученная при испытании, представлена на рис. 4.
При плавном регулировании производительности поршневого компрессора будут заметно меняться
эксплуатационные условия всасывающего кольцевого клапана. Не соответствующая этим условиям
конструкция будет значительно снижать время подъема всасывающего клапана. Согласно результатам
исследования, от 50 до 100 % систем регулирования
Зона давления Зона сброса
Гидравлическое
давление, бар
80
Рис. 3. Схема ротора с зоной давления
Гидравлический распределитель может быть также
распределен на три части: верхняя втулка, средняя
втулка и ротор. Верхняя втулка зафиксирована на опоре. Средняя втулка может двигаться в направлении оси
и не вращаться. Центральное осевое вращение осуществляется синхронно двигателем компрессора, чтобы создать такое же периодическое гидравлическое
колебание давления. Перемещение средней втулки
контролируют регулируемым серводвигателем через
ходовой винт; вращение ротора приводится синхронным серводвигателем.
На рис. 3 показана схема ротора с входным и выходным каналами для масла. Форма оны давления по
периферической поверхности ротора представляет
собой треугольник. Масло под давлением входит через полость в зону давления. Когда это давление достигает прохода в средней втулке, масло выпускается
через верхнюю втулку в разгрузочное устройство.
Давление поддерживается в разгрузочном устройстве
до тех пор, пока ротор вращается в позиции, при которой канал в средней втулке связан с зоной выпуска
масла по периферии ротора. Затем масло просачивается через выпускной канал и поступает обратно в гидравлический блок. Продолжительность фактического
действия давления в разгрузочном устройстве зависит
от продольного положения прохода в средней втулке
96
60
40
20
0
-10
0
50
100
150
200
250 300
350
400
250
499
Частота отсчетов
Рис. 4. Типичная диаграмма импульсного колебания давления
Вход и выход масла
Поршень разгрузочного
устройства
Соединительный узел
Подъемная пружина
Всасывающий клапан
Плунжер разгрузочного
устройства
Рис. 5. Типичная схема разгрузочного устройства
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
№12 декабрь • 2009
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
-0.10
-0.15
0.0
0.35
3
Производительность 450 м /ч
0.30
0.25
Давление, мПа
Давление, мПа
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
3
Производительность 450 м /ч
также влияют на распределение напряжения пластины всасывающего
клапана.
Итак, погрешности в сборке участка между плунжером разгрузочного
устройства и пластиной всасывающего клапана, а также гидравлическое
давление в разгрузочном устройстве
должны тщательно контролироваться, чтобы гарантировать достаточный
срок службы всасывающего клапана.
-0.05
КОНСТРУКЦИЯ РАЗГРУЗОЧНОГО
УСТРОЙСТВА
0.5
1.0
1.5
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Чтобы полностью использовать
-3 3
-3 3
Объем х 10 м
Объем х 10 м
одну из важных частей компрессора, разработали новый тип разРис. 6. Индикаторная диаграмма P-V при разной производительности поршневого
грузочного устройства (рис. 5).
компрессора
Разгрузочное устройство включает
узел входа и выход масла, гидравлический поршень, соединительный
Датчик TDC
шток, подъемную пружину, плунжер разгрузочного устройства и
Электродвигатель
переконструированный всасываюкомпрессора
Двухступенчатый
щий клапан. Масло под давлением
Одноступенчатый
цилиндр
цилиндр
проходит через входное отверстие
и перемещает поршень и плунжер
разгрузочного устройства вниз до
того, как всасывающий клапан закроется. Плунжер достигает упора
на проходах клапана и перекрывает их. Когда гидравлическое давление снижается, подъемная пружина поднимает вверх поршень и
плунжер; в цилиндре начинается
сжатие.
Чтобы произвести модернизаОдноступенчатый гидравлический
Двухступенчатый гидравлический
цию в существующем компрессораспределитель
распределитель
ре, необходимо правильно спроектировать все стыковые соединения
Гидравлический
Блок
блок
управления
(см. рис. 5), чтобы была выполнена соответствующая подгонка к
крышке всасывающего клапана.
Рис. 7. Схема системы плавного регулирования производительности
Диаметр гидравлического поршня
и гидравлическое давление должны
используют мембранные пневматические цилиндры,
быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить
чтобы держать открытыми всасывающие клапаны.
достаточное усилие для открытых уплотнительных
Большинство всасывающих клапанов выходят из строя
элементов системы. Обычно большой диаметр порпосле их эксплуатации около одного месяца из-за дошня и низкое гидравлическое давление являются
полнительной разгрузки. Это заключение отличается
хорошей альтернативой, поскольку высокое гидравот утверждения, опубликованного в источнике [1], где
лическое давление вызывает пульсацию трубы.
сказано, что применение мембранного пневматичесПроектирование системы труб и их установка.
кого цилиндра значительно повышает срок службы
Для рассматриваемой системы существует два вида
всасывающих клапанов. В работе [4], опубликованной
труб: для снабжения маслом и для возврата масла.
авторами, показано, что гидравлическое давление для
Для снижения вибрации труб проводились исследоразгрузки всасывающего клапана будет оказывать
вания. Один метод заключается в установке гидромаксимальное воздействие на всасывающий клапан
пневматического накопителя, который способен оспри гидравлическом ударе между разгрузочным услаблять гидравлические импульсы на входе масла в
тройством и пластиной всасывающего клапана. Угол
каждом гидравлическом устройстве. Кроме того, на
наклона разгрузочного устройства пластины клапана
два конца трубы можно установить гидравлические
вызывает значительную концентрацию напряжения;
шланги и соединить трубы с распределительным
конструкция разгрузочного устройства и материал
устройством и с разгрузочной системой. Тяжелые
-0.10
0.0
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№12 • декабрь 2009
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
металлические трубы можно разместить в середине
трубопроводной линии. Металлические трубы легко
закрепляются на жесткой недеформируемой опоре.
Поскольку необходимо какое то время, когда масло для гидравлических систем проходит из гидравлического распределителя в разгрузочное устройство, повышение давления на поршень разгрузочного устройства запаздывает после выхода масла из
гидравлического распределителя. Гидравлический
шланг будет способствовать более долгому запаздыванию. Для тяжелых труб необходимо уменьшить
это запаздывание вплоть до самого возможного, чтобы достигнуть более точного контроля в системе регулирования производительности поршневого компрессора.
СТРАТЕГИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ
Ключевой проблемой для реализации регулирования производительности поршневого компрессора
является поддержание гидравлического распределительного устройства и электродвигателя компрессора в синхронном состоянии. Чтобы достигнуть этой
цели, используют стратегию пропорционально –
интегрально – дифференциальной (proportional –
integral – derivative – PID) обратной связи для контроля вращения гидравлического распределительного устройства с применением датчика положения
коленчатого вала и датчика верхней мертвой точки
(top dead center – TDC) как первоначального сигнала управления. Лабораторные испытания показали, что этот метод достаточно эффективен. Имеется
время запаздывания действующего давления для
разгрузочного устройства относительно выхода масла из гидравлического распределителя; необходимо опережение по фазе вращения гидравлического
распределительного устройства относительно электродвигателя компрессора, чтобы гарантировать
разгрузку всасывающего клапана до TDC.
Обычно в процессе условия для всасывания газа
часто меняются. Ради поддержания требуемой производительности и уравновешивания межступенчатого давления система регулирования (особенно
на первой ступени) должна быть всегда в рабочем
состоянии. Но регулирование количественных величин или инерционность системы отличается на
всех ступенях. Следует осуществлять надлежащее
регулирование параметров на каждой ступени, такое как PID-регулирование параметров.
Несложно выполнить алгоритм регулирования
производительности компрессора в процессе с помощью распределенной регулирующей системы
(distributed control system – DCS). Управляющий
сигнал может быть тем же, что и первоначальный
сигнал на байпасной системе регулирования. Одна
из величин межступенчатого давления, давление на
выходе или производительность компрессора могут
быть выбраны как первоначальный управляющий
сигнал.
ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
Был разработан лабораторный прототип механизма с производительностью поршневого компрес98
сора 640 м3/ч. Систему управления производительностью компрессора выполнили для демонстрации ее
технических возможностей. Результаты лабораторных испытаний показали эффективность этой системы. Подача компрессора варьировалась в пределах
от 50 до 640 м3/ч. На рис. 6 представлена типичная
диаграмма P-V для компрессора с различной производительностью.
После успешных лабораторных испытаний первая промышленная система была установлена на несоразмерном переносном оборудовании для алкильного процесса Sinopic Zhenhai Refining и Chemical
Company (Китай). Двухступенчатый двухцилиндровый двойного действия компрессор смонтирован с
новой системой регулирования производительности. Водород компримировали от 12 до 37 бар и направляли на установку гидрогенизации. Компрессор
имеет следующие показатели: потребляемая мощность – 600 кВт; производительность газового потока – 14 500 м3/ч. Система регулирования способна работать в режиме экономии при расходе газа 11 000 м3/ч
и мощности компрессора 120 кВ/ч. В соответствии с
этим окупаемость затрат на этой установке составила
около одного года; работа компрессора, которая включает пуск, остановку, регулирование производительности, была стабильной.
Система регулирования была введена в эксплуатацию в октябре 2008 г. На рис. 7 представлена схема
системы плавного регулирования производительности для двухступенчатого поршневого компрессора.
Такую схему несложно переключить на новую систему, не нарушая структуру прежней системы. Эта
система регулирования доказывает полное соответствие ожиданием нефтеперерабатывающей компании
в отношении конкурентоспособной стоимости, экономии энергии и динамики контроля. Исследования
на надежность системы и ее оптимизации должны
заинтересовать специалистов дальнейшими разработками.
Перевел А. Степанов
J. Jin (Я. Ин), ученый института технологического
оборудования при Университете (Шеньян). М-р
Ин был одним из основных участников разработки
систем регулирования производительности поршневых компрессоров; кроме того, он занимается
вопросами динамики газов и жидкостей, динамики
кольцевых клапанов, а также мониторингом поршневых компрессоров. М-р Ин получил степень бакалавра Китайского университета нефти.
W. Hong (В. Хонг), процессор в институте технологического оборудования при Университете
(Шеньян). М-р Хонг руководит исследовательской
группой, занимающейся системами регулирования
производительности поршневых насосов. Кроме
того, в его компетенции находятся вопросы прочности поршневых компрессоровю Он имеет степени бакалавра и PhD Zhejiang University (Китай).
L. Tang (Л. Тан), менеджер по технологическим
процессам в компании Sino-Pec Zhenjai Refining &
Chemical Company. М-р Тан 13 лет руководит исследованиями в области синтетического аммиака
на установках PX. М-р Тан получил степень магистра в 1996 г. в университете Liaoning Shihua по специальности химическое оборудование.
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
№12 декабрь • 2009
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
24
Размер файла
442 Кб
Теги
регулирование, производительность, система, поршневые, 1180, компрессора
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа