陳逢剛　吳笑菊

中國(guó)石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司

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天然氣壓氣站設(shè)計(jì)及運(yùn)行研究①

陳逢剛吳笑菊

中國(guó)石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計(jì)分公司

以具體天然氣壓氣站為設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹了天然氣輸送壓氣站項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程，在理論設(shè)計(jì)、自動(dòng)化設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、開(kāi)車運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)中，提出了合理的設(shè)計(jì)、選型及優(yōu)化方案，使壓氣站設(shè)計(jì)達(dá)到環(huán)保、安全的要求。并通過(guò)分析實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，為天然氣壓氣站的設(shè)計(jì)提出了合理的設(shè)計(jì)運(yùn)行方案，可供相關(guān)天然氣壓氣站設(shè)計(jì)作參考。

天然氣天然氣輸送壓氣站壓縮機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行

隨著天然氣開(kāi)發(fā)規(guī)模和使用規(guī)模的不斷增大，建設(shè)長(zhǎng)距離輸氣管道成為最主要的選擇，天然氣輸氣管線作為連接氣源和城市配氣系統(tǒng)的紐帶，具有輸送距離長(zhǎng)、管道管徑大、輸氣量大、輸送壓力高、管線系統(tǒng)投資高等特點(diǎn)。天然氣壓氣站作為天然氣輸氣管線系統(tǒng)上的“動(dòng)力心臟”有著重要的核心地位。其中,壓氣機(jī)投資占據(jù)很大一部分，壓氣站壓縮機(jī)所消耗的天然氣占管道所輸氣體的3%～5%，耗能較大[1]。國(guó)外T. F. Edgar等人以壓縮機(jī)能耗最小為目標(biāo)對(duì)天然氣輸氣管線系統(tǒng)進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，M. Pappas對(duì)輸氣管線系統(tǒng)的直徑和壓縮機(jī)功率進(jìn)行了優(yōu)化[2-3]。

對(duì)于單個(gè)天然氣壓氣站而言，從細(xì)節(jié)處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行研究是很有必要的。保證每一個(gè)天然氣壓氣站的優(yōu)化運(yùn)營(yíng)和安全運(yùn)行，對(duì)于穩(wěn)定輸氣管道系統(tǒng)、提高整個(gè)天然氣管線系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。為此，本文通過(guò)對(duì)實(shí)際壓氣站項(xiàng)目的工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析，對(duì)天然氣壓氣站設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題作了初步探討，可供相關(guān)壓氣站設(shè)計(jì)作參考。

1　天然氣輸氣相關(guān)參數(shù)

1.1天然氣的基本物性

天然氣是由互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的多種單一組分氣體組成的混合氣體，它們?cè)诠艿兰捌渌到y(tǒng)中的流動(dòng)特性不僅僅取決于氣體中每一組分的密度和黏度，還取決于它們的界面張力、分散狀態(tài)和相對(duì)數(shù)量。為了對(duì)天然氣流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出的宏觀特性進(jìn)行定量描述，根據(jù)問(wèn)題的需要，分析天然氣相對(duì)分子質(zhì)量、密度及相對(duì)密度等參數(shù)。

1.1.1天然氣相對(duì)分子質(zhì)量

工程上將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1 kmol 天然氣的質(zhì)量定義為天然氣的平均分子質(zhì)量，簡(jiǎn)稱分子質(zhì)量，其計(jì)算公式為[4]：

M=ΣyiMi

(1)

1.1.2天然氣的密度和相對(duì)密度

(1) 天然氣的密度[4]?；旌蠚怏w密度指單位體積混合氣體的質(zhì)量，天然氣的密度不僅取決于天然氣的組成，還取決于所處的壓力和溫度狀態(tài)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，天然氣的密度可由式(2)確定：

(2)

(2) 天然氣的相對(duì)密度[4]。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氣體的密度與干空氣的密度之比稱為相對(duì)密度。對(duì)于混合氣體：

Δ=ΣyiΔi

(3)

1.2輸氣管道穩(wěn)定流動(dòng)流量計(jì)算

輸氣管道穩(wěn)態(tài)工況的模擬計(jì)算有較大的局限性[5]，在探討輸氣管的流量與壓力之間的關(guān)系時(shí)，假設(shè)：

(1) 氣體在管道中的流動(dòng)過(guò)程為等溫過(guò)程，即溫度不變，t=常數(shù)；

(2) 氣體在管道中作穩(wěn)定流動(dòng)，即氣體的質(zhì)量流量在管道的任一截面上為一常數(shù)，氣體的質(zhì)量流量既不隨時(shí)間也不隨距離而改變；

(3) 輸氣管道是水平的，即管道高程差假設(shè)為0。

工程設(shè)計(jì)中計(jì)算水平輸氣管道的流量基本公式，常使用潘漢德?tīng)?B 式[6-7]：

(4)

1.3壓縮機(jī)軸功率計(jì)算

壓縮機(jī)是天然氣壓氣站的關(guān)鍵設(shè)備，大型的壓氣站常選用離心式壓縮機(jī)，其軸功率按式(5)計(jì)算[8]：

(5)

2　天然氣壓氣站工藝設(shè)計(jì)

中亞中烏天然氣管道工程天然氣壓氣站的上游天然氣設(shè)計(jì)流量為(60～100)×108m3/a，壓氣站天然氣輸入壓力為6.83～6.93 MPa，壓氣站天然氣輸入溫度為43.56～47.45 ℃，壓氣站天然氣排出壓力為8.85～9.48 MPa，壓氣站天然氣排出溫度為50 ℃，生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1。上游來(lái)的天然氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器和過(guò)濾分離器分離，進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后，再經(jīng)過(guò)空冷器冷卻后送往下游。

2.1工藝流程計(jì)算模擬

ASPEN HYSYS，Stoner Pipeline Simulato(SPS)兩個(gè)軟件對(duì)天然氣管道輸送模擬在國(guó)際上得到了廣泛的應(yīng)用[9]。本文依據(jù)進(jìn)站天然氣的流量、壓力、溫度，使用ASPEN HYSYS對(duì)壓氣站的工藝流程做了模擬，年輸氣量一期60×108m3和二期100×108m3工藝計(jì)算模擬結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1　年輸氣量60×108m3工藝計(jì)算模擬結(jié)果Table1　Processsimulationresultsofgastransmittingvolumeof60×108m3/a進(jìn)站壓縮機(jī)入口壓縮機(jī)出口出站流量/(106m3·d-1)17.7717.7717.7717.77表壓/MPa6.936.729.008.87溫度/℃45.2345.2371.0750.00

表2　年輸氣量100×108m3工藝計(jì)算模擬結(jié)果Table2　Processsimulationresultsofgastransmittingvolumeof100×108m3/a進(jìn)站壓縮機(jī)入口壓縮機(jī)出口出站流量/(106m3·d-1)29.6229.6229.4929.49表壓/MPa6.836.629.619.48溫度/℃47.1947.4582.2650.00

2.2重要工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

放空系統(tǒng)是壓氣站保證安全運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)，對(duì)壓縮機(jī)出口的高壓緊急放空尤為重要。一些壓氣站項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)去多是在幾臺(tái)壓縮機(jī)緊急放空時(shí)公用一個(gè)放空管系統(tǒng)。由此，當(dāng)出現(xiàn)停電等緊急放空情況時(shí)，就會(huì)造成壓力不均，甚至導(dǎo)致某臺(tái)壓縮機(jī)不能及時(shí)泄放壓力的安全隱患。本項(xiàng)目對(duì)于每一臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)置了獨(dú)立的放空系統(tǒng)，互不干擾，消除了緊急放空時(shí)不能及時(shí)泄放壓力的安全隱患。

2.2.2壓縮機(jī)組安全控制設(shè)計(jì)

項(xiàng)目所選壓縮機(jī)組為燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)組, 可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制輸出壓力, 機(jī)組自帶壓力報(bào)警和超壓緊急停車系統(tǒng), 每臺(tái)壓縮機(jī)組排氣端設(shè)有緊急放空閥，ESD 停車時(shí)自動(dòng)打開(kāi)。保證壓縮機(jī)的最大出口壓力均不超過(guò)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，多重保障了壓縮機(jī)出口管道系統(tǒng)的安全。

2.2.3壓力檢測(cè)與監(jiān)控設(shè)計(jì)

壓氣站出站緊急截?cái)嚅y前設(shè)壓力報(bào)警和壓力開(kāi)關(guān)，壓氣站出口設(shè)緊急截?cái)嚅y, 在壓縮機(jī)出口至出站截?cái)嚅y之間設(shè)自動(dòng)放空閥，與出站ESD緊急截?cái)嚅y聯(lián)鎖。當(dāng)出站壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，站控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或緊急停車，并緊急放空，全方位保證了壓氣站的安全運(yùn)營(yíng)。

3　設(shè)備選型設(shè)計(jì)

3.1旋風(fēng)除塵器和過(guò)濾分離器選型

上游來(lái)氣經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵10 μm及以上的固體顆粒，再經(jīng)過(guò)濾分離5 μm及以下固體顆粒和液滴，使干凈的天然氣進(jìn)入下游壓縮機(jī)，以保證下游壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本項(xiàng)目的旋風(fēng)除塵和過(guò)濾分離參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2壓縮機(jī)設(shè)備選型

由工藝計(jì)算模擬結(jié)果可知，有兩種工況:一是在輸送量為60×108m3/a時(shí)，要求壓氣站壓縮機(jī)將天然氣壓力從6.72 MPa提升到9.00 MPa；二是在輸送量為100×108m3/a時(shí)，要求壓氣站壓縮機(jī)將天然氣壓力從6.62 MPa提升到9.61 MPa。按式(2)計(jì)算得，工況一的軸功率為8 080 kW，工況二的軸功率為14 599 kW。以往的壓縮機(jī)選型追求設(shè)計(jì)點(diǎn)的高效率，能耗最小，天然氣管道壓縮機(jī)能適應(yīng)較寬的流量范圍和壓力波動(dòng)范圍[10-11]。對(duì)該項(xiàng)目的壓縮機(jī)而言，需要適應(yīng)全年輸氣量的較大變化，還要應(yīng)對(duì)不同的輸氣工況，如果堅(jiān)持以高效率、能耗最小為設(shè)備選型的原則，為應(yīng)付不同的工況，就需要不同型號(hào)的壓縮機(jī)或更換壓縮機(jī)的內(nèi)件，這無(wú)疑給項(xiàng)目增加很大的投資。經(jīng)過(guò)與供應(yīng)商的溝通交流，開(kāi)發(fā)出能適應(yīng)寬廣操作范圍、且保持在高效區(qū)運(yùn)行的離心壓縮機(jī)組，從而大大降低了壓縮機(jī)設(shè)備投資。該壓縮機(jī)的模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3　旋風(fēng)除塵和過(guò)濾分離器工藝參數(shù)Table3　Processdataofcycloneandfilterseparator旋風(fēng)除塵器過(guò)濾分離器最大操作壓力/MPa9.819.81操作壓力/MPa6.83～6.936.83～6.93操作溫度/℃43.56～47.4543.56～47.45流量/(104m3·d-1)1280～14101280～1410分離顆粒粒徑/μm≥10≤5過(guò)濾效率(額定工況下)/%9999

表4　壓縮機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果Table4　Compressorsimulationresults流量/(104m3·h-1)ps/MPapd/MPats/℃td/℃壓縮機(jī)功率/kW富余量/kW轉(zhuǎn)速/(r·min-1)效率/%74.046.729.0145.2371.0710172105786205.0055.40123.426.629.6147.4571.07148671154628210.0084.10

3.3壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)選型

壓氣站壓縮機(jī)動(dòng)力來(lái)源可來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文所選壓縮機(jī)組為燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)或變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，都可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制輸出壓力。

4　天然氣壓氣站運(yùn)行研究

4.1測(cè)壓點(diǎn)設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值對(duì)比

圖2是天然氣管道測(cè)壓點(diǎn)的壓力設(shè)計(jì)值與運(yùn)行值的對(duì)比圖。從圖2可以看出，天然氣壓力沿著輸送管道壓力逐漸降低，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，二者曲線相互吻合，保證了出口壓力，從而保證了天然氣向下游輸送的穩(wěn)定性。

4.2現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)測(cè)量

圖3是天然氣壓縮機(jī)工作點(diǎn)示意圖。供貨廠家給出的壓縮機(jī)工作范圍為5 700～8 856 r/min，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，天然氣輸送量約為60×108m3/a，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速約為6 200 r/min，出口壓力約為9.0 MPa。從圖3可以看出，該工況點(diǎn)落在工作區(qū)內(nèi)，表明在該工況下，壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

5　結(jié) 論

通過(guò)對(duì)單個(gè)天然氣壓氣站的設(shè)計(jì)分析和運(yùn)行研究，對(duì)于提高整個(gè)天然氣管線系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，保證管線系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要意義。其結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)對(duì)進(jìn)站天然氣的穩(wěn)態(tài)流程模擬，為壓氣站的工藝設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)；通過(guò)ASPEN HYSISI軟件模擬，能直觀清楚地了解壓氣站工藝設(shè)計(jì)流程，且比較接近壓氣站的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程。

(2) 對(duì)每一臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)置了獨(dú)立的放空系統(tǒng)，消除了緊急放空時(shí)可能存在相互干擾而不能及時(shí)泄放壓力的安全隱患。

(3) 加強(qiáng)壓力檢測(cè)與監(jiān)控設(shè)計(jì)，增加站控系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或緊急停車，并緊急放空，全方位保證了壓氣站的安全運(yùn)行。

(4) 選擇適應(yīng)性能較寬的天然氣操作范圍的壓縮機(jī)，大大降低了壓縮機(jī)設(shè)備投資，提高了經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)運(yùn)行良好。

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Design and operation investigation of natural gas compressor station

Chen Fenggang，Wu Xiaoju

(ChinaPetroleumEngineering&ConstructionCorp.BeijingEngineeringBranchPipingDept.,Beijing100101,China)

In this paper, the design process of natural gas compressor station project was introduced by the specific design example. From all aspects of theoretical design, automatic design, safety design, equipment selection, commissioning, etc., the reasonable design, selection and prioritization scheme were proposed to bring the design to meet the requirements of environmental protection and safety. And by the actual operation data analysis, the reasonable design and operation scheme were proposed to provide the necessary reference for the design of natural gas compressor station.

natural gas, natural gas transportation, gas compressor station, compressor, design, operation

陳逢剛(1980-)，男，碩士，專業(yè)方向?yàn)楣に嚺涔?。E-mail：fg_chen_liyu@sina.com

TE642

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.008

2016-05-06；編輯：康莉