賴曉斌 周明軍 祁曉莉

0 前言

近年來(lái)，由于膨脹機(jī)高效、簡(jiǎn)單、易操作、需要的外界條件少等特點(diǎn)， 越來(lái)越多地應(yīng)用于控制天然氣烴露點(diǎn)，成為天然氣處理廠脫烴裝置的關(guān)鍵設(shè)備。 但膨脹機(jī)在天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用， 尤其是控制方案還不夠成熟，未形成固定的控制模式。

本文探討了膨脹機(jī)的控制方案，為今后工程中膨脹機(jī)的應(yīng)用提供借鑒。

1 膨脹機(jī)控制方案

1.1 膨脹機(jī)工作原理

當(dāng)氣體具有一定的壓力和溫度時(shí)，就具有由壓力而體現(xiàn)的勢(shì)能和由溫度所體現(xiàn)的動(dòng)能，這兩種能量總稱為內(nèi)能。 膨脹機(jī)主要的作用是利用氣體在膨脹機(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹對(duì)外做功消耗氣體本身的內(nèi)能，使氣體的壓力和溫度大幅度降低達(dá)到制冷與降溫的目的［1］。

膨脹機(jī)的主要工作在噴嘴及葉輪中完成， 當(dāng)高速、低溫的氣體通過(guò)葉輪通道時(shí)，由于葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣體速度很快下降。 同時(shí)，氣體在不斷變大的通道中流動(dòng)時(shí)，因?yàn)閴毫εc速度下降使氣體內(nèi)能降低，氣體溫度進(jìn)一步大幅度降低，達(dá)到降溫與制冷的目的。

由于膨脹機(jī)葉輪的飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)了與膨脹機(jī)葉輪在同一軸上另一端的壓縮機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮了通過(guò)增壓機(jī)葉輪的氣體，壓縮機(jī)葉輪不僅壓縮了氣體、利用了膨脹機(jī)發(fā)出的功率，同時(shí)控制了膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速［2］。

1.2 膨脹機(jī)基本流程

膨脹機(jī)基本流程見(jiàn)圖1。

圖1 膨脹機(jī)基本流程

在膨脹機(jī)基本流程中，上游來(lái)天然氣進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹制冷，從膨脹機(jī)出來(lái)的低溫氣體進(jìn)入后續(xù)工藝裝置，對(duì)輕烴進(jìn)行回收。 脫除掉輕烴后的產(chǎn)品天然氣進(jìn)入與膨脹機(jī)同軸的壓縮機(jī)，對(duì)產(chǎn)品天然氣進(jìn)行增壓，增壓后進(jìn)入外輸管網(wǎng)。

膨脹機(jī)入口設(shè)置有旁路J-T 閥（J－TV），可滿足以下工況時(shí)的正常生產(chǎn)，但正常情況下J-T 閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

a）上游來(lái)天然氣超過(guò)膨脹機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，為防止膨脹機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，分流部分氣體至J-T 閥。

b）膨脹機(jī)故障停機(jī)，全部上游來(lái)天然氣通過(guò)J-T 閥；

c）投產(chǎn)初期，對(duì)膨脹機(jī)加載負(fù)荷時(shí)使用。

由于J-T 閥的效率不如膨脹機(jī)， 由J-T 閥進(jìn)行脫烴的深度可能達(dá)不到工藝要求。

本文討論的控制方案不包含輕烴工藝裝置，在膨脹機(jī)出口至壓縮機(jī)入口之間僅涉及簡(jiǎn)單設(shè)備， 如換熱器、低溫分離器及相應(yīng)管線。

1.2.1 控制方案一

控制方案一以壓縮機(jī)排氣壓力為控制目標(biāo)，在滿足排氣壓力的情況下通過(guò)控制膨脹機(jī)入口流量及喘振閥來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。 采用控制方案一時(shí)，壓縮機(jī)排氣壓力能直接滿足外輸氣體壓力的需要，無(wú)需增加額外的壓力控制系統(tǒng)，有利于減少投資。 多用于輸氣末站，以及處理量較小且靠近外輸首站的天然氣處理廠。 控制方案一流程見(jiàn)圖2。

圖2 控制方案一流程

控制方案一主要通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)入口導(dǎo)向閥（IGV）、旁路的J-T 閥以及防喘振控制閥（FV）來(lái)滿足工藝過(guò)程控制的需要［3-5］。

1.2.1.1 IGV 的控制

IGV 用來(lái)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)的入口流量，剛啟動(dòng)膨脹機(jī)時(shí)，需要設(shè)置IGV 的最小開(kāi)度來(lái)滿足壓縮機(jī)入口的最低流量要求。 一旦膨脹機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，通過(guò)膨脹機(jī)負(fù)荷控制器的輸出，壓縮端入口流量就會(huì)自動(dòng)（或手動(dòng)）地增加或減少。

1.2.1.2 J-T 閥的控制

J-T 閥控制器應(yīng)處于待命狀態(tài)， 它的控制是基于壓縮端的排氣壓力來(lái)進(jìn)行的。 膨脹機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，J-T 閥保持在關(guān)的位置，這時(shí)，工藝過(guò)程的控制主要通過(guò)膨脹機(jī)負(fù)荷控制器控制IGV 和防喘振控制器控制FV 來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果負(fù)荷控制器和防喘振控制器不能滿足工藝參數(shù)控制要求， 則J-T 閥控制器參與控制并將J－T 閥打開(kāi)一定開(kāi)度。

1.2.1.3 防喘振控制

防喘振控制器的目的是保護(hù)壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振保護(hù)線。 對(duì)于每臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，在進(jìn)口流量—壓比曲線圖上，能夠獲得確定的工作點(diǎn)。 將不同轉(zhuǎn)速所能確定的所有喘振點(diǎn)連成一條線， 即為喘振限制線 （Surge Limit Line，SLL）。 在SLL 的左邊是壓縮機(jī)操作的不穩(wěn)定區(qū)域，防喘振控制器的目的就是避免壓縮機(jī)操作點(diǎn)達(dá)到SLL。 為了達(dá)到這個(gè)控制目標(biāo)， 需設(shè)定一條喘振保護(hù)控制線（Surge Control Line，SCL），該線位于SLL 的右邊。 當(dāng)操作點(diǎn)A 向SCL 左邊移動(dòng)并接近喘振點(diǎn)B 時(shí)，防喘振控制器就會(huì)打開(kāi)FV，增加壓縮機(jī)吸入口的流量，使操作點(diǎn)沿著速度曲線從喘振臨界區(qū)域向穩(wěn)定工作區(qū)間移動(dòng)［6-9］，見(jiàn)圖3。

1.2.2 控制方案二

如果壓縮機(jī)出口連接外輸管網(wǎng)，則壓縮機(jī)的出口壓力為外輸管網(wǎng)的壓力。 通過(guò)控制方案一中的PC1 來(lái)調(diào)節(jié)外輸壓力的能力非常有限，在這種情況下不推薦采用排氣壓力來(lái)進(jìn)行控制。

對(duì)于大型天然氣處理廠來(lái)說(shuō)，一般情況下產(chǎn)品氣出口連接外輸管道，與外輸站有一定距離。 外輸站與天然氣處理廠這段距離的壓損一般不能精確計(jì)算，為保證外輸站的運(yùn)行，天然氣處理廠的起點(diǎn)壓力會(huì)留有一定的余量。 同時(shí)，為保證膨脹機(jī)的操作條件，即壓縮機(jī)出口端不失壓，則需在天然氣處理廠產(chǎn)品氣出口設(shè)置壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，見(jiàn)圖4。 在控制方案二中PC 1 主要是控制膨脹機(jī)負(fù)荷。

圖4 控制方案二流程

當(dāng)天然氣處理量增加時(shí)， 由于膨脹機(jī)的總功率增大，膨脹機(jī)要吸收這些功率，會(huì)使轉(zhuǎn)速升高，甚至超過(guò)允許的轉(zhuǎn)速。 這種情況下增加壓縮機(jī)防喘振控制閥FV 的開(kāi)度，來(lái)增加回流量，使膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速下降。 這種方案的宗旨是增加壓縮機(jī)的制動(dòng)功率來(lái)降低膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速。 此時(shí)，外輸?shù)膲毫縋C 2 和PV 2 B 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.3 優(yōu)化控制方案

實(shí)際上，天然氣處理廠的設(shè)備不是孤立存在的，其運(yùn)行都會(huì)考慮到上下游各相關(guān)單體裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。 只有將單個(gè)的設(shè)備納入系統(tǒng)考慮，該設(shè)備的運(yùn)行才有意義。

控制方案二的不足之處在于： 當(dāng)處理量下降時(shí)，如果仍要維持同樣的外輸壓力，則需要增加膨脹機(jī)入口的流量使膨脹機(jī)對(duì)外提供更多的外輸功率。

對(duì)大型天然氣處理廠， 尤其是在多列裝置的情況下，上游裝置的入口均會(huì)設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。 通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥使整列裝置平穩(wěn)運(yùn)行，即膨脹機(jī)上游裝置來(lái)氣穩(wěn)定并保持一定的流量。 增大膨脹機(jī)入口流量的后果會(huì)導(dǎo)致上游壓力降低，甚至失壓。

為解決上述問(wèn)題， 采用膨脹機(jī)入口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證膨脹機(jī)上游裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)采用下游裝置壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)滿足外輸壓力的調(diào)節(jié)，優(yōu)化控制方案流程見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化控制方案流程

優(yōu)化控制方案以現(xiàn)有工況下最大地提高產(chǎn)量為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)入口壓力、氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

膨脹機(jī)入口壓力及流量波動(dòng)較大時(shí)，可以調(diào)節(jié)IGV、達(dá)到所需的壓力和流量，正常情況下應(yīng)盡量減少IGV 的調(diào)節(jié)。

2 膨脹機(jī)保護(hù)

膨脹機(jī)自身保護(hù)暫不探討，本文主要討論膨脹機(jī)與外部工藝過(guò)程接口之后涉及到的機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)，主要有膨脹機(jī)入口關(guān)斷，泄壓等。

2.1 膨脹機(jī)入口關(guān)斷

膨脹機(jī)入口關(guān)斷的特點(diǎn)是快速， 一般在5 s 左右就要求關(guān)斷。 為滿足快速關(guān)斷要求，膨脹機(jī)入口會(huì)設(shè)置快速關(guān)斷閥， 如圖6 中所示碟閥。 在高壓差下碟閥密封性能不能滿足嚴(yán)密關(guān)斷的要求，需增加嚴(yán)密關(guān)斷閥防止過(guò)程氣泄漏進(jìn)入膨脹機(jī)。 隨著技術(shù)進(jìn)步，蝶閥在高壓差情況下也能達(dá)到VI 級(jí)密封，并且開(kāi)關(guān)速度也能滿足要求。因此，僅用1 個(gè)蝶閥就能實(shí)現(xiàn)上述功能，但目前生產(chǎn)廠家較少。

圖6 典型膨脹機(jī)關(guān)斷、 泄壓流程

2.2 泄壓措施

膨脹機(jī)利用壓縮機(jī)回收輸出功率，增加壓縮機(jī)的排氣壓力。 從圖6 可看出， 對(duì)于簡(jiǎn)單膨脹機(jī)流程來(lái)說(shuō)膨脹端出口與壓縮端入口是連通的，這段管線連同設(shè)備實(shí)際上是獨(dú)立并與外部工藝管線隔離的。 如果在該段管線或設(shè)備上不設(shè)置泄壓設(shè)施， 當(dāng)膨脹機(jī)前后進(jìn)行緊急泄壓時(shí)，該段管線和設(shè)備就不能成功泄壓，存在安全隱患。

要泄放該段管線的余氣，推薦做法是在壓縮機(jī)入口和出口之間設(shè)置單向閥。 正常情況下，壓縮機(jī)的排氣壓力高于入口壓力，單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)火災(zāi)泄壓時(shí)，膨脹機(jī)入口通過(guò)BDV 1 進(jìn)行泄壓， 壓縮機(jī)出口通過(guò)BDV 2進(jìn)行泄壓。 在BDV 2 泄壓后壓縮機(jī)的排氣壓力低于壓縮機(jī)進(jìn)口壓力， 這時(shí)單向閥V1 自動(dòng)打開(kāi)將膨脹機(jī)出口與壓縮機(jī)入口之間這段管線的余氣進(jìn)行自然泄壓，達(dá)到安全保護(hù)的目的。

3 膨脹機(jī)控制的關(guān)鍵問(wèn)題

無(wú)論采用何種控制方案都應(yīng)注意以下問(wèn)題：

a） 負(fù)荷控制器和J-T 閥控制器在參數(shù)設(shè)定上應(yīng)有區(qū)別。 J-T 閥應(yīng)具有較大偏差死區(qū)，即對(duì)小偏差不敏感，以及較慢的響應(yīng)速度。 由波動(dòng)產(chǎn)生的偏差應(yīng)先通過(guò)負(fù)荷控制器來(lái)解決，當(dāng)負(fù)荷控制器解決不了時(shí)，才調(diào)節(jié)J-T 閥控制器。

b）J-T 閥控制器與負(fù)荷控制器的PID 參數(shù)應(yīng)有區(qū)別， 因在膨脹機(jī)開(kāi)/停車期間J-T 閥均處在自動(dòng)控制模式，IGV 采用手動(dòng)控制，在開(kāi)/停車期間，只有J-T 閥才對(duì)工藝需求的壓力控制起作用，因此J-T 閥和IGV 應(yīng)采用不同控制器，才能滿足J-T 閥控制壓力的需要。然而當(dāng)正常運(yùn)行之后，負(fù)荷控制器又將作為主控制器，只有通過(guò)IGV 和FV 快速反應(yīng)才能滿足工藝過(guò)程控制的需要［10］，而此時(shí)J-T 閥處于全關(guān)位置。

c）當(dāng)膨脹機(jī)故障時(shí)， 采用旁路J-T 閥節(jié)流降溫，可維持裝置繼續(xù)運(yùn)行，但需要考慮烴露點(diǎn)的控制是否滿足工藝要求。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析，在不同情況下，可采用不同的控制方案，滿足長(zhǎng)輸管線烴露點(diǎn)控制要求。

a)在站場(chǎng)或處理量較小的天然氣處理廠， 建議選擇控制方案一或者二來(lái)進(jìn)行控制。

b) 在大型天然氣處理廠則建議選擇優(yōu)化控制方案進(jìn)行控制。

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