往复式压缩机无极气量调节系统FluxToFlow方案介绍

背景：

目前国内工业互联 平台发展非常迅速，以互联 技术为核心的工业平台往往更多地专注于打通数据孤岛，数据综合展示，辅助领导决策层面的应用，无法真正解决生产痛点。而且由于专业差别很大，通产较难使工业用户主动接受。通过利用平台+先进工业技术的方式，可以避免这个问题。我国工业技术层面还有较多的短板需要补充，通过引入行业先进的技术与平台相结合的方式，解决了企业的痛点，也使工业互联 平台更好的被用户接受，帮助中国工业的迅速发展。

国家对于碳达峰、碳中和要求的根本在于大规模的工业节能，往复式压缩机广泛用于如煤化工、石油化工等工业场景，是核心的动力设备，用能占比较高，甚至可以达到生产用能的80%以上。

往复式压缩机节能一直是工业节能的核心课题之一，经过200多年的发展，经历了变频调节、分级调节、余隙调节等各个阶段，目前最先进的调节方式为无极调节。目前在发达国家已经广泛应用，但在国内应用相对较少，有较大的市场空间。柯赞尼的无极气量调节系统FTF是目前世界上比较先进的节能技术解决方案，同时对生产平稳，长周期运行，降低劳动强度，避免大设备导致的操作风险也有很好的支持作用。

现以一个真实的客户需求为基础，完整的解决方案介绍如下：

一、项目建设的必要性

1、目前现状及存在的问题（含隐患、工艺、设备、操作条件、流程、参数等多方面），主要围绕拟申请项目进行相关描述。

目前大型往复式压缩机存在的普遍问题在于耗能较大、主要操作方式为人工操作，不符合国家机械化减人、自动化减人的安全要求，具有安全隐患。在相关机型上配有无级气量调节压缩机能起到节能作用。采用的调整负荷方式多用回流线，或者机组调节，即工作状况为满负荷机组+调负荷机联合运行方式。在启用调负荷机时只能用调整回流线匹配生产负荷要求。对压缩机长周期运行、设备切换过程中装置平稳操作、节能带来很大困扰。对相关机组安装无级气量调节系统，可以为公司降本增效，创造更好的经济效益。

2、建设后预期达到的效果

以用量较多的2500KW往复式压缩机安装无级气量调节举例，预期达到以下几点效果：

（1）节能情况

压缩机组电机轴功率为2500KW，转速为330rpm，活塞行程为420mm。

单台设备如按照100%满负荷运行一年使用电量为：2500kw/h×8700h=2175万kw/h，资金为：2175万 kw/h×0.35元（工业用电一度为0.35元）=761.25万元

如单台设备按照80%负荷运行一年节约电量为：2500kw/h×（1-80%）×8700h=435万kw/h，节约资金为：435万 kw/h×0.35元（工业用电一度为0.35元）=152.25万元

如按照11台设备80%负荷运行一年进行计算，则可以节约电费152.25万元×11台=1674.75万元

以此类推此压缩机不同负荷下年节约电量情况：

对应一级出口不同流量下能耗的变化情况

（2）压缩机运行更平稳，保证设备长周期运行

如机组也增加无级气量调节系统，对压缩机节能和设备长周期运行有很大帮助。压缩机在运行过程中如有无级气量调节将更方便工艺操作，随时根据工艺参数变化，调整压缩机负荷，达到节能目的。压缩机为无级气量调节，工艺调整将非常平稳，对装置的波动更小，工艺介质流量更稳定，减少操作人员工作量，避免因手动切换负荷过程中带来的管线振动和系统波动。

往复式压缩机设备检修管理中规定4000-5000小时应进行中修，16000小时应进行大修。如安装无级气量调节系统，可以保证压缩机的平稳运行，就避免了因为负荷不满和检修压缩机导致的能源的浪费。按照检修计划检修也能及时发现设备隐患从而保证设备长周期运行。

往复式压缩机节能控制技术经过200多年的不断探索，目前最先进的技术路线为电磁式无级气量调节与工业大数据技术相配合，即保证了压缩机本身的安全性，工艺流程的稳定性，同时做到最大程度节能以及控制的快速有效无延迟。

电磁式无级气量调节系统通过精确匹配现场真实需求，发挥压缩机有功能耗，减少无用功来降低能耗，提高压缩机的使用效率，适用于全国的化工系统，推进国内化工行业的进步。

相关技术广泛应用于欧洲和北美多个大型工厂，在国内的中石化、中海油也有相关应用，

二、方案技术情况

1、技术介绍

在压缩机能源管理系统FluxtoFlow?的功能的作用下，可以实现最大的节能效果，采用电动机械执行器，仅需连接电，系统最大地适应工艺要求，无级流量调节，宽广的流量控制范围 (0-100%)，高动态性能，单个执行器独立控制，安装维修简单，与压缩机周期同步，远程控制。

FluxToFlow无级流量调节系统采用“反向流量控制（Reverse Flow Capacity Control）”原理，即：在活塞运行经过内部死点后保持进气阀开启实现了流量的无级控制。具体如下：

压缩机常规的示功图如图1所示：气缸侧的一个正常工作循环包括：1）从A到B，即气缸余隙容积内残留的高压气体膨胀过程；2）从B到C，即气缸的进气过程；3）从C到D，即气缸的气体压缩的过程；4）从D到A，即气缸排气的过程。

过程1）气缸的进、排气阀均处于关闭状态，

过程2）进气阀由于压差开启，排气阀关闭，

过程3）进气阀关闭排气阀关闭，

过程4）进气阀关闭，排气阀由于压差开启。

反向流量控制原理的实现，是在过程3）时，利用外力施加在进气阀的卸荷叉上面，强制进气阀处于打开状态，气体流回吸入管路，此时气体压缩曲线将由C-D变为C-C1-D1,由C到C1气缸内的气体经过被强制开启的进气阀流回进气管路，压缩机不做功。其中C1为根据实际需求经过逻辑计算得出。C-C1-D1-D围成的面积即为在这个工作循环内压缩机节省的能耗。

利用这个原理工作的设备对于操作的精准度要求很高，对其稳定性和安全性要求也极高。但是其实现流量的控制具有快捷、稳定、准确、控制范围广泛的特点，相对于传统的控制方式优势十分明显。

使用FTF无极气量调速，现场的改造内容如下：

配电柜：控制柜由系统控制单元SCU(System Control Unit)和执行器控制单元ACU (Actuator Control Unit)组成，SCU相当于FluxToFlow系统的大脑，它接收TDC传感器及来自中控室的控制信号及连锁信号，经过逻辑计算，转化为ACU的动作。ACU将SCU的指令转化为执行器的动作，以实现压缩机流量的调节，是无极气量调节系统的核心。

控制柜必须安装在现场压缩机附近，一般与压缩机距离不超过10米。本身防爆参照ATEX 2014/34/EU: II 2 GD Ex db IIB + H2 T6 T5 T4 Gb，防护等级为IP65。

FluxToFlow与DCS的主要连锁信号可以根据现场情况具体选择定制，主要包括：

数字输入信号：

1) Compressor Fault 即压缩机故障停机信号；

2) Regulation Enable 即系统激活信号；

3) Compressor Load 即压缩机加载信号；

4) Compressor 100% 即压缩机满载信号；

5) Fault Reset 即故障重启信号

数字输出信号：

1） Fault 本系统故障

2） Warning 本系统 警

模拟输入信号：

4-20mA 即压缩机的实时流量信号

配电柜与各部分关系

电动机械执行器：电动机械执行器由电磁铁产生磁力，快速驱动顶杆上下移动，从而压开/释放进气阀来实现“反向流量控制”，以调节压缩机的流量。

如图所示，执行器由位置传感器、上下两个电磁铁、中部的弹簧缓冲系统、顶杆及不锈钢外壳组成。执行器为防爆防尘设计，参照ATEX 2014/34/EU: II 2 G c Ex e IIC T3 Gb EMC 2004/108/EC 防护等级IP55。

执行器安装在每个进气阀阀室盖的外侧，无需对压缩机体进行改造，结构如图所示。

电动机械执行器原理

位置传感器:TDC(Top Dead Centre)传感器，安装在压缩机飞轮附近，感应压缩机的实时转角，从而让FluxToFlow系统可以了解到活塞在气缸内位置及气阀在每个压缩循环里面的开启/关闭时间。

在安装传感器时，需要在压缩机飞轮或者曲轴上钻一个孔，或者安装一个信号反馈的螺栓。

位置传感器

专用诊断和监控软件

2、与传统技术对比

传统的流量控制方式包括回流线调节，变频电机，分级控制，可变余隙腔调节，在使用过程中都存在各种各样的问题：

与可变余隙腔比较：

可变余隙腔原理介绍：如上图所示，红色框体内部为可变余隙腔的主体结构，主要包括余隙腔气缸，余隙活塞，液压伺服活塞液压伺服油缸，位置传感器，调节控制装置。

可变余隙腔通过推动余隙活塞左右动作，减小压缩机有效做功体积，将多余的气体动态的保留在增加的余隙腔中，同时可以动态增加余隙体积，对出口流量进行控制，已达到节能的目的。

与无极气量调节系统相比较的优缺点在于：

（1） 优点：结构简单，易于理解。

（2） 缺点：

– 需要对压缩机缸体进行改造，通常布置在曲轴侧，造成曲轴侧与缸盖侧连杆受力不均，影响压缩机使用寿命；

– 对介质的洁净程度要求比较高，在缸内压缩/膨胀过程中对介质状态影响较大，需要将冷凝液及时彻底分离；

– 增加易损件，增加维护难度，维护成本，余隙活塞填料处易产生泄漏；

– 对高压压缩机，余隙调节需要的驱动力较大，能耗较高；

– 物理改变压缩机工作腔大小，余隙腔总体积成一定比例，无法实现0-100%调节；

– 调节方式通过右侧位置传感器控制，一般为人工控制；

– 调节速度较慢；

与液压式无极气量调节系统相比较：

液压式无极气量调节系统组成：执行机构，配电柜，液压油站，冷却水系统

液压式无极气量调节系统原理：通过液压能控制液压活塞作用控制吸气阀动作以达到节能目的。液压缸与液压站采用电磁阀控制，电磁阀带电时，阀芯动作使液压缸与液压站的高压油路连通，液压力推动液压活塞，执行机构在液压活塞的作用下被压下，强制打开进气阀；当电磁阀断电时，阀芯复位使液压缸与液压站的低压回油路连通，压叉在复位弹簧作用下复位，气阀在气体力与阀片弹簧作用下关闭，气缸内剩余的气体开始被压缩。由于吸气阀的延迟关闭，可以使多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，循环周期里只压缩了需要压缩的气量，节省了循环指示功。

与电磁式无极气量调节系统优缺点

（1）优点：节能原理一样，控制反向流量有效控制压缩机负荷。

（2）缺点：

– 增加了液压油站，循环水系统会导致投资相对更高；维护成本更高，维护难度更大；现场空间使用更大。

– 液压控制相对于电磁控制，控制速度较慢

– 执行机构复位过程中如果速度小于阀片动作速度，可能会形成反复撞击，造成阀片损坏。

与回流线相比较：

如果采用旁路控制(Bypass Control)，超出工艺系统需求的压缩气体将会通过旁通管路在压缩机排气口引回进气口，这样将会浪费许多能耗，其效率十分低下。

与分级调节相比较：

如果采用传统的气动卸荷器(Step Control)压开进气阀的分级控制方式，只可能根据压缩机的具体配置实现一定量的粗略调节，不能实现无级调节。如果长期运行的话，很可能会遇到活塞杆润滑的问题。

与变频调节相比较：

如果采用变频器调节(Speed Control)，其初期投入较高，控制速度很慢，而且调节范围也比较有限。

3、技术创新点

往复式压缩机无极气量调节系统依托于目前顶级的压缩机设备节能厂家意大利柯赞尼压缩机气阀有限公司，具有75年的行业经验，先进的控制技术，丰富的数据库，技术处于国际顶级水平，技术创新点包括：

? 分布式计算布置，保证计算的时效性；压缩机负荷调整精度为0.1%

? 电磁式无级气量调节系统，即时动态调节；

? 大数据算法优化全厂工艺流程，工艺压力可以稳定在0.02Bar以内；

? 实时计算节能量，电费，减少碳排放量；

本项目实现逻辑清晰，数据可靠。在设备的安装使用过程中具有如下特点：

? 安装方便，法兰或螺旋安装；

? 安全节能，执行器控制单元确保每个受力腔安全稳定；

? 过程可靠，系统控制单元保证工艺变化稳定；

? 使用方便，傻瓜式中控控制或就地控制；

? 实时反馈，1200rpm全循环跟踪，不丢转；

? 控制范围广，0~100%全负荷范围控制；

? 易维护，完全满足或高于相关国际标准；

? 适应性好，不受压力，温度等外在参数影响；

? 自身能耗低，仅依靠电能；

技术实现原理支持：根据给定气量负荷和当前活塞位置信息，通过电磁执行机构，精确控制进气阀开闭状态，其中：

? 远程控制，依靠云端处理能力，远程诊断现场情况。

往复式压缩机节能管理平台充分考虑了用户现场的情况，保证了设备、工艺的安全和稳定，具有强大的节能效果，满足用户的操作习惯，使用过程简单方便，具备实施和推广的可行性，帮助国家完成工业领域节能减排的目标。

4、主要工作量

（1） 需求确认，明确压缩机运行工况参数，气阀及阀窝尺寸；

（2） 对无级气量调节系统FTF进行设计生产；

（3） 对压缩机气阀进行定制设计生产；

（4） 无级气量调节系统安装配置；

（5） 压缩机能源管理平台投用；

三、具体拟建流程

该系统安装、调试仅需1周时间，可以与压缩机大修同步进行。具体施工内容及各单位分工如下：

供应商

供应商，即柯赞尼公司:

1. 提供FTF系统并保证其完整性、先进性和可靠性；

2. 确定上止点传感器在现场的安装位置并有客户安装；

3. 将参加开工会议，提供图纸和其它方面所需要的所有信息；

4. 签订商务合同后，参加技术协调会，在会议前提供最终的文件；

5. 技术服务

开机前提供FluxToFlow安装指导及配合组态;

提供电缆安装指导；

当压缩机开机时，供应商将安排技术人员负责调试，检测，并最终将该系统投用；

发生故障时，系统运行记录、故障表象和特征应该发送给供应商。供方在了解初步事实后采取相应措施以保证买方正常生产。同时应当建议解决问题的方案。

设计、施工方

1. 提供控制的所有细节，并编制最终控制方案;

2. 根据最终控制方案完成DCS组态;

3. 确定电控柜在现场的安装位置;

4. 根据图纸在现场连接线缆，包括:

a. 接到电控柜的220V电源线;

b. CS到电控柜的电缆;

5. 设计FluxToflow系统的220V 50Hz供电;

6. 根据供方要求设计电缆布置(从现场到DCS);

7. 根据供方要求提供材料(电缆和其它，将在技术协调会议上要求);

8. 根据最终控制方案完成DCS组态；

9. 关于DCS控制:

a. 根据主要控制变量PID，完成压缩机自动和人工载荷控制；

b. FTF 警和错误信息的管理；

10. 根据如下监视点完成中控室压缩机DCS显示:

a. 所有级的进气压力及其历史趋势;

b. 所有级的排气压力及其历史趋势;

c. 所有级每个阀室的温度及其历史趋势;

d. 所有级的排气温度及其历史趋势;

11. 完成控制室压缩机DCS显示，包括如下信号:

a. FTF系统 警

b. FTF系统故障

压缩机厂

1. 确定FTF系统的控制范围;

2. 为FluxToFlow设计和制造阀室盖接口 ;

3. 根据FluxToFlow系统需求，配合所有工作;

4. 在FluxToFlow系统调试阶段，安排一个全职专家与供方合作；

5. 安排足够的工人帮助供方按照日程进行工作；

6. 提供完成控制方案所需的所有传感器安装在压缩机上;

7. 根据供方要求，安装TDC传感器，在压缩机飞轮上钻一个孔，并安装一个合适的螺栓；

8. 根据供方要求，在供方指导下完成FluxToFlow系统的安装:

a. 安装FluxToFlow电控柜;

b. 安装气阀和执行器;

c. 提供并安装TDC传感器支架;

d. 安装电缆;

四、建设工期介绍

具体项目节点半年左右，举例说明：

1月15日-1月30日 确认需求，设计

1月31日-6月1日 定制化开发、配件生产

6月1日-6月15日 安装配置

6月15日-7月1日 联调

7月1日 系统投用

总功率实际损耗及DCS控制信号曲线高度吻合