ISC无级气量调节系统在往复式压缩机上的应用

2024年4月23日发(作者：)

第５Ｏ卷第１期　

石油化工自动化　

Ｖｏ１．５０，Ｎｏ．１　

２０１４年２月　

ＡＵＴ０ＭＡＴＩＯＮ　ＩＮ　ＰＥＴＲ（）＿ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１４　

ＩＳＣ无级气量调节系统　

在往复式压缩机上的应用　

陈静　

（南京金凌石化工程设计有限公司，南京２１００４２）　

摘要：往复式新氢压缩机作为加氢装置中电力消耗的主要设备，采用先进技术对其进行节能增效具有重要意义。通过对往复式　

压缩机的几种负荷调节方法进行比较，阐述了使用无级气量调节系统控制往复式压缩机的优势。详细介绍了ＩＳＣ无级气量调节　

系统的工作原理、硬件组成、软件功能，通过Ｄ【　软件组态实施的成功案例，向用户提供了选择无级气量调节系统的新途径。　

关键词：往复式压缩机无级气量调节可编程控制器节能　

中图分类号：ＴＰ２７３　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００７—７３２４（２０１４）０１—００２６—０３　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩＳＣ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　Ｓｔｅｐｌｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　

Ｃｈｅｎ　Ｊｉｎｇ　

（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉｎｌｉｎｇ　Ｐｅｔｒｏ—Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００４２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｍａｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　

ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｎｅｗ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｔｏ　ａｄｏｐｔ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　

ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅｓｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　

ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ＩＳＣ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｓｔｅｐｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　

ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＩＳＣ　

ｃａｐａｃｉｔｙ　ｓｔｅｐｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｏｆ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　

ｃａｐａｃｉｔｙ　ｓｔｅｐｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ　ｂｙ　ｃｉｔｉｎｇ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｃａｓｅ　

ｔｈｒｏｕｇｈ　ＤＣＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｃａｐａｃｉｔｙ　ｓｔｅｐｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；　

ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　

往复式压缩机是容积式压缩机的一种，它依靠　

专门的调节机构等。但它仅广泛使用在驱动机为　

内燃机和汽轮机的压缩机上；如果驱动机为电动　

气缸内活塞的往复运动来压缩缸内气体，在气阀的　

配合作用下，实现气体的吸人、压缩和排出，从而提　

高气体压力，满足工艺生产要求。往复式压缩机由　

于具有适用压力范围广、效率高、适用性强的特点，　

日前已在石油化工等领域得到广泛的应用。一般　

情况下总是根据装置或系统所需的最大容积流量　

机，则需要配置变频器，但由于大功率、高压变频器　

价格昂贵，而且需要大量的维护、维修工作，因而目　

前在电动机驱动的往复式压缩机上很少采用该方　

法。此外，转速调节会产生气阀颤振，部件磨损大、　

振动增加，润滑不充分等现象，对往复式压缩机的　

工作产生不良影响，也限制了该方法的广泛应用。　

来选择压缩机，但由于石油化工生产装置工况不断　

变化，往复式压缩机的实际工况必须随工艺工况的　

需要进行调整，当耗气量小于压缩机的排气量时，　

２）余隙腔调节。在压缩机的气缸上，除固定　

余隙容积外，另外设有一定的空腔，调节时接人气　

缸工作腔，使余隙容积增大，容积系数减小，排气量　

降低。主要缺点：通常手动调节、响应速度慢，一　

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，并同时保持管网中的压力　

稳定。　

１　往复式压缩机气量调节方法　

稿件收到日期：２Ｏｌ３　１２—０２。　

１）转速调节。转速调节是通过改变压缩机的　

转速来调节排气量，优点：气量连续，比功率消耗　

小，压缩机各级压力比保持不变，压缩机上不需设　

作者简介：陈静（１９７５一），女，江苏南京人，毕业于东南大学自动化　

工程与管理专业，现就职于南京金凌石化工程设计．有限公司，从事　

自控设计工作，任工程师。　

第１期　陈静．ＩＳＣ无级气量调节系统在往复式压缩机上的应用　

般需与其他调节方式配合使用。　

３）旁通调节。压缩机排气管经由旁通管路和　

旁通调节阀与进气管相连接，调节时只要开启旁通　

阀，部分排气便又回到进气管路中。该调节方法比　

较灵活，而且简单易行，配上自动控制系统调节精　

度较高，但是因为多余气体的全部压缩功都损耗　

掉，所以经济性差。因此，该方法适用于偶尔调节、　

调节幅度小或配合其他调节的场合。　

４）压开进气阀调节。根据进气阀被压过程的　

长短，可分为全行程压开进气阀和部分行程压开进　

气阀两种方式。　

ａ）对于全行程压开进气阀调节，在吸气过程　

中，气体被吸入气缸，在压缩过程中，因为进气阀全　

开，吸人的气体又被全部推出气缸。全行程压开进　

气阀可以通过调节气阀开关的数量调节负荷，其调　

节幅度较大，适用于粗调节。　

ｂ）部分行程压开进气阀调节的原理与全行程　

压开进气阀相似，但它通过控制压缩过程中进气阀　

的关闭时刻，控制压缩过程中返回气量的多少，从　

而实现气量的连续调节。该方式由于压缩功几乎　

与排气量成正比地减少，因而具有很高的运行经济　

性，但在调节过程中需要精确计算气阀开启／关闭　

的时间，对控制系统和气阀动作精度都有极高的　

要求。　

２　ＩＳＣ系统原理　

ＩＳＣ系统是德莱赛兰公司针对往复式压缩机　

开发的一种加载、卸载控制系统，它允许往复式压　

缩机在２０　９／６～１００　９／６（取决于机组运行条件）负荷　

内无级控制。ＩＳＣ无级气量调节系统采用“回流省　

功”原理，如图１所示。在压缩机活塞的往复运行　

过程中，借助ＰＬＣ采集往复压缩机的运行状态，经　

过计算后通过ＰＬＣ高速脉冲输出模块将负荷给定　

信号转换为同步信号送至电液伺服阀，精确改变液　

压控制信号来控制压缩机汽缸的每个入口气阀卸　

荷器，实现对压缩机气量的无级调节。当压缩机进　

气过程结束时，往复式压缩机进气阀不再依靠差压　

自动关闭，而是加载伺服阀通电，进气阀在液压作　

用下强制卸荷器保持开启状态，压缩过程由原压缩　

曲线Ｃ—Ｄ改为由Ｃ—Ｄ　，此时原吸入气缸中的部　

分气体通过被顶开的气阀回流到进气管而不被压　

缩；待活塞运动到特定的位置Ｃ　（对应所要求的气　

量）时，卸载伺服阀通电，液压强制进气阀关闭，气　

缸内剩余的气体开始被压缩，压缩过程为Ｃ　一Ｄ　，　

气体达到额定排气压力后从排气阀排出，完成一个　

压缩过程。采用“回流省功”原理，压缩机负荷的增　

减是依靠精确地控制液压伺服阀动作时间实现往　

复压缩机负荷的无级控制，由于压缩机的功率和实　

际压缩容量成正比，所以采用ＩＳＣ无级气量调节　

系统可实现简单而高效的负荷调节。　

ｇ　／（ｍ　ｈ　）　

图１　“回流省功”工作原理示意　

采用ＩＳＣ无级气量调节系统可通过对卸荷器　

的不同控制，实现机组的零负荷起动或满负荷起　

动。当ＩＳＣ系统由于某种原因不能正常工作，加　

载、卸载伺服阀均失电时，气阀仍能像普通气阀一　

样承担正常的进气任务，从而保证机组设备和生产　

装置的安全运行。　

３　ＩＳＣ系统的组成　

ＩＳＣ无级气量控制系统由ＰＬＣ控制器、液动　

控制组件和卸荷器三部分组成。　

３．１　ＰＬＣ控韦４器　

ＰＬＣ控制器是ＩＳＣ系统的核心组成部分，包　

括高速ＰＬＣ控制器和人机界面ＨＭＩ。主要功能　

包括：　

１）采集往复机飞轮转动时上死点信号计算曲　

轴角度，依据负荷设定值控制电液伺服阀，从而精　

确控制压缩机人口气阀的开关时问。　

２）液压油站温度、油压和液位等相关参数的　

采集，监控以及油泵的就地、远程控制。　

３）压缩机组开停机的自动控制。　

４）ＩＳＣ系统控制器的故障检测和联锁保护。　

５）提供ＨＭＩ和Ｍｏｄｂｕｓ，ＲＳ一４８５接口，实现　

ＩＳＣ系统的就地控制和与ＤＣＳ等上位设备的远程　

控制。　

ＩＳＣ系统自身拥有独立的ＰＬＣ控制器，可以　

独立完成整个气量控制过程。气量调节过程、机泵　

开停逻辑以及联锁保护均封装在ＰＬＣ里，由厂商　

自行调试完毕后出厂，避免了用户对ＤＣＳ进行复　

杂的组态过程，减少了现场组态调试的内容，降低　

了出错风险。而用户所需要的参数及操作过程是　

通过ＤＣＳ与ＰＬＣ的通信完成的，实现起来简单快　

捷，无需复杂的逻辑组态工作。　

３．２液压控制组件　

液压控制组件包括液压油站、伺服阀、液压油　

集合管等附件。压缩机每个缸体设置１个２４　Ｖ　

２８　石油化工自动化　第５０卷　

（ＤＣ）ＭＯＯＧ７６１伺服阀，由液压油站提供驱动液　

压气阀的高压液压动力，按ＩＳＣ控制器负荷控制　

要求，驱动每个缸体上气阀开关，实现负荷调节。　

３．３卸荷器　

由于机组在０～３Ｏ　负荷内投用ＩＳＣ系统易　

造成气缸排气超温，与工艺设备人员商议后将ＩＳＣ　

系统的最低负荷设定为３０　９／６，即当机组负荷小于　

３Ｏ　时，ＩＳＣ负荷设定为３０　，此时通过调节级间　

返回阀控制压缩机负荷；当机组负荷大于３０　时，　

卸荷器包括液动执行器和指型卸荷阀。液动　

执行器接受来自伺服阀的高压液压油，推动指型卸　

荷阀上下移动，从而确保气阀的开启／关闭时间，控　

制压缩机汽缸进气量。　

４应用实例　

级间返回阀全关，压缩机负荷由ＩＳＣ负荷控制，因　

而为确保机组开机后ＩＳＣ系统手自动平稳切换和　

ＩＳＣ系统故障后控制方案平稳切换到常规级间返　

回阀控制，采用图２所示的控制方案。　

某石化公司２　Ｍｔ／ａ柴油加氢装置新氢压缩机　

１）当无级气量控制系统已投用而往复机尚未　

起动时，ＣＬ程序根据ＩＳＣ系统就绪信号（ＩＳＣ　

Ｒｅａｄｙ）和机组运行状态信号，将ＰＹ１—２０８１Ａ—ＳＷ　

组由２台往复式压缩机组成，该压缩机组采用两级　

压缩、一用一备，原压缩机负荷控制采用逐级返回　

霉　

加余隙缸调节的方式。由于加氢装置原料组分变　

化加之装置生产方案经常调整，导致装置新氢机组　

常处于低负荷运行状态，因而在新氢压缩机　

Ｃ１００２Ｂ上选用了ＩＳＣ无级气量控制系统。　

原新氢压缩机负荷控制方案为压缩机一级入　

口压力、二级入口压力和出口压力组成的压力分程　

选择开关切至ＰＹ１—２０８１，ＤＣＳ低选信号直接控制　

返回阀，ＣＬ程序同时将ＰＹＩ一２０８１控制方式改为　

手动且输出０，此时气阀处于零负荷状态，机组负　

荷完全由级间返回阀控制。　

２）当无级气量控制系统投用且往复机已起动　

（ＩＳＣ　Ａｃｔｉｖｅ），ＣＬ程序将ＰＹ１—２０８１Ａ—ＳＷ选择开　

关切至ＰＹ２—２０８１，级间返回阀按照设定速率逐渐　

关闭，关闭速率可通过调节ＰＹ２—２０８１　Ａｕｔｏｍａｎ　

点的ｏｐｂｉａｓ参数设定，ＣＩ　程序同时将ＰＹ１—２０８１　

投自动，根据压控输出信号逐渐起动无级气量控制　

系统补偿因返回阀逐渐关闭而引起的压力变化，确　

保机组安全运行。　

和超驰低选控制，通过级间返回阀控制压缩机出口　

流量；采用ＩＳＣ系统后，级问返回阀全关，压力分　

程和超驰低选控制信号将转而控制ＩＳＣ系统，通　

过调节液控气阀达到调节压缩机出口流量的目的。　

ＩＳＣ系统采用高压液压油控制卸荷阀，所以一　

旦液压系统故障或ＩＳＣ控制器故障时，由于油压　

低伺服阀不能驱动卸荷器根据曲轴角度正常开启，　

此时卸荷阀内弹簧的作用将使往复压缩机处于满　

３）当无级气量控制系统故障时，ＩＳＣ系统就　

绪信号置０，ＣＩ　程序将ＰＹ１—２０８１程序置为手动　

输出１００　，压缩机负荷阀处于１００　。同时　

ＣＬ程序将ＰＹ１—２０８１Ａ—ＳＷ选择开关切至　

ＰＹ１

—

负荷状态，因而为确保各种故障状态下机组设备的　

安全和生产装置波动最小。笔者在柴油装置　

Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ　ＴＰＳ上采用了无扰动自动控制方案。　

２０８１，ＤＣＳ低选控制信号直接控制返回阀。　

！　

　Ｘ２　Ｔｉ　Ｘ３　ＰＶ２０８ｌＡ　

停车条件　

开机条件　

时擘　一　

ＰＹ１　２０８１Ｌ——一ｌＰＹ２　２０８１ｌ——　－．一ＰＹ３　２０８１　

图２新氢机一段无扰动控制原理示意　

５结束语　

比，满足了工艺生产的要求。　

参考文献：　

［１］化学工业部教育培训中心．压缩机［Ｍ］．北京：化学工业出　

版社，１９９７：１８２—１９０．　

［２］中国石油和石化工程研究会．炼油设备工程师手册ＥＭ３．北　

无机气量调节系统将电子技术和机械技术结　

合，不但能节能降耗，提高装置综合经济效益，而且　

为往复式压缩机提供了一种全新的控制方式，操作　

人员可根据工艺情况灵活设定机组各级负荷和压　

（下转第５Ｏ页）　

５０　石油化工自动化　第５Ｏ卷　

确定度通过流量的计算反应到系统的检测结果中　

去。所以，该气体在线检测装置的不确定度主要是　

由检测的重复性引起的　。　

量计。为了保证测量结果的准确性和重复性，还要　

做好以下措施：１）减少仪表零漂和温漂影响，通　

电预热要在１０　ｍｉｎ以上，同时要求被检流量计在　

最大流量的７Ｏ　～１００　内运行不低于５　ｍｉｎ；　

２）定期检查管道连接的稳定性，减少因管道振动　

对测量结果的影响；３）定期检查系统接地，保证　

随机抽取某ＤＮ２５流量计的检定结果见表１　

所列，重复性误差的最大值为０．１１　，检测的最大　

误差为０．２２　＜０．５　／２，即在扩展不确定度（是一　

２）时不大于被检流量计最大允许误差绝对值的一　

半，可以得出，检测装置的不确定度符合规程规定　

的标准装置要求。　

表１某ＤＮ２５流量计检定结果　

ＰＬＣ频率输入值不受周边电磁场的干扰，特别是　

变频器对电源和信号的干扰。　

参考文献：　

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［４］谢少峰，陈晓怀，张勇斌．测量系统不确定度分析及其动态　

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［５］钱绍圣．测量不确定度：实验数据的处理与表示ｒＭ］．北京：　

４结束语　

清华大学出版社，２００２．　

［６］王辉，张亚妮，徐江伟．欧姆龙系列ＰＩ　Ｃ原理及应用［Ｍ］．北　

京：人民邮电出版社，２０１０．　

该气体在线检测装置，采用高准确度的标准表　

和ＰＩ　Ｃ作核心，结合人机界面设定操作，实现检　

测、记录和评定全自动控制，通过计算机和ＰＩ　Ｃ实　

时采集流量、温度和压力等信号，快速、准确地完成　

检测过程，大幅降低了检测的劳动强度，提高了检　

测的规范性和准确性。装置在２０１２年６月投用后　

［７］樊金荣．欧姆龙ｑ　１系列Ｐ１　Ｃ原理与应用［Ｍ］．北京：机械　

工业出版社，２００９．　

［８］　张贝克，尉龙，杨宁．组态软件基础与工程应用（易控　

ＩＮＳＰＥＣ）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１１．　

［９］伍锦荣．可编程控制器系统应用与维护技术［Ｍ］．ｆ　州：华　

南理工大学出版社，２００４．　

应用效果优良，工作稳定，并于２０１２年８月顺利通　

过授权单位的复审，可检测０．５级或以下的气体流　

［１Ｏ］郑阿奇．精通Ｃ＃编程［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１１．　

（上接第２８页）　

京：中国石化出版社，２００３：４２９—４３５．　

化工自动化，２０１３，４９（０４）：１３　１６．　

［７］张晓东．往复式压缩机无级气量调节系统的应用［Ｊ］．石油　

化工设备技术，２００７（Ｏ５）：３７—４０．　

［８］何文丰，沈永淼．气量无级调节系统在往复压缩机上的应用　

［３］郁永章．活塞式压缩机［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８２　

ｌ８２一ｌ９Ｏ．　

［４］　

彭乾冰，王百森，高海山，等．气量无级调节系统在重整装置　

增压机上的应用［Ｊ］．中国设备工程，２００８（０７）：１３—１５．　

［５］　宋健，洪伟荣，吴荣仁．活塞式压缩机排气量的全量程无级　

调节＿Ｊ］．机械工程师，２００６（０９）：８５—８８．　

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王立新．加氢工艺中新氢压缩机的压力控制方案＿Ｊ］．石油　

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［９］邵裕森．过程控制及仪表［Ｍ］．上海：上海交通大学出版　

社，１９９５．　

［１Ｏ］陆德民，张振基，黄步余．石油化工自动控制设计手册［Ｍ］．　

３版．北京：化学工业出版社，２０００．　

艾默生为基金会现场总线网络中的控制阀增加移动诊断功能　

艾默生过程管理的ＶａｌｖｅＬｉｎｋ　Ｍｏｂｉｌｅ软件４．０版为Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ现场总线网络增加了控制阀的移动管理。该软件可用　

于４７５现场通信器，所提供的直观界面具有大触摸屏图标，可供操作员在现场对阀门进行组态、校准、验证、诊断和故障　

排除。　

本安现场通信器可将该软件的优势扩展到ＦＩＥＬＤＶＵＥＴ　数字阀门控制器所在的危险区域，在全厂范围内访问控制阀　

状态，提高了操作的可靠性，同时利用该软件内嵌的故障排除指南增加总体工厂正常运行时间。　

该软件的设计符合现代工作规范，通过将ＨＡＲＴ和现场总线仪表的现场诊断功能无缝集成到ＶａｌｖｅＬｉｎｋ软件中提高　

Ｔ人的生产效率，改善资产管理。（艾默生过程控制有限公司）