楊澤軍 朱海山 雷亞飛 靜玉曉 楊天宇 崔月紅 胡葦瑋

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；2. 中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 3. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

離心壓縮機(jī)是氣田開發(fā)的重要設(shè)施，該設(shè)備投資高、運(yùn)行能耗大、維修時(shí)間長(zhǎng)，因此保障離心壓縮機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行是氣田生產(chǎn)的核心。然而，目前離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)主要基于穩(wěn)態(tài)參數(shù)，針對(duì)啟、停等非穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行適應(yīng)性的研究較少，一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)分析確定關(guān)鍵的非穩(wěn)態(tài)性能(啟機(jī)可靠性、回流能力等[1-3])。

動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)可用于展現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)工況中離心壓縮機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作點(diǎn)軌跡的瞬態(tài)分析，已廣泛應(yīng)用于離心壓縮機(jī)工況分析中。Patel等[1]綜述了各工程階段中離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的應(yīng)用案例，證明動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)可用于優(yōu)化離心壓縮機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和改造；John等[4]、Hansen等[5]分別使用HYSYS Dynamic開展挪威海油氣平臺(tái)離心壓縮機(jī)組擴(kuò)級(jí)改造和北海油氣平臺(tái)離心壓縮機(jī)組的動(dòng)態(tài)研究，在對(duì)啟停、流量階躍和段塞流等工況開展動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化其入口節(jié)流、回流和熱旁通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；熊飛[3]使用GASNET對(duì)乙烯冷凍離心壓縮機(jī)的跳閘和啟機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)解析，利用工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡判斷利用冷、熱旁通等控制措施避免喘振和阻塞工況的可行性；宋光 等[6]利用Aspen Plus對(duì)乙烯裂解氣離心壓縮機(jī)的開車過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)工作點(diǎn)軌跡驗(yàn)證了混合氣作為啟機(jī)氣源的可行性。

離心壓縮機(jī)順利啟機(jī)對(duì)油氣田流程設(shè)施的平穩(wěn)運(yùn)行、天然氣穩(wěn)定外輸和減少事故工況火炬泄放具有重要意義。然而，由于啟機(jī)實(shí)操流程復(fù)雜且可供檢索數(shù)據(jù)較少，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)的啟機(jī)動(dòng)態(tài)研究較少，對(duì)啟機(jī)過(guò)程的特點(diǎn)和啟機(jī)回流要求的分析并不深入。本文在對(duì)啟機(jī)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析的基礎(chǔ)上，提出了采用防喘振閥開度控制和增設(shè)回流回路的方法降低啟機(jī)流量的啟機(jī)流程優(yōu)化方案，可為保障離心壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模型的搭建

基于某海上平臺(tái)C338EL單筒多級(jí)葉輪離心壓縮機(jī)組開展動(dòng)態(tài)模擬。平臺(tái)設(shè)置3套離心壓縮機(jī)系統(tǒng)(2用1備)，額定排量5 089 m3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)出口壓力1 890～6 640 kPaA。目前氣田處于產(chǎn)氣高峰，外輸氣量23.32×104Sm3/h，外輸壓力5 850 kPaA；正常運(yùn)行時(shí)，單臺(tái)離心壓縮機(jī)處理氣量11.66×104Sm3/h，入口壓力3 168 kPaA，出口壓力6 137 kPaA，轉(zhuǎn)速約8 560 r/min。

C338EL離心壓縮機(jī)性能曲線如圖1所示。性能曲線可直觀地展現(xiàn)離心壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)速、流量和揚(yáng)程的變化趨勢(shì)[1,7]，是動(dòng)態(tài)分析的有效工具。圖1性能曲線左邊界是喘振線，流量低于喘振線可能引發(fā)氣流波動(dòng)甚至逆流，造成葉片損壞[8-9]；右邊界是石墻線，流量高于石墻線葉輪流道內(nèi)氣速極高(部分通流面會(huì)達(dá)到音速)，流動(dòng)摩阻劇增，造成流道阻塞、筒體劇烈振動(dòng)甚至疲勞損傷[1,3,8]。喘振線和石墻線之間是穩(wěn)定工作區(qū)，離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的目標(biāo)即是保證工作點(diǎn)在穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)[1,6,10]。由圖1可見(jiàn)，由于氣田產(chǎn)氣量大、壓縮機(jī)壓比較小，工作點(diǎn)偏向石墻線。

圖1 離心壓縮機(jī)性能曲線

基于現(xiàn)場(chǎng)離心壓縮機(jī)組，利用HYSYS Dynamic[11-12]搭建離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模型，包括離心壓縮機(jī)、滌氣罐、冷卻器等設(shè)備，防喘振、轉(zhuǎn)速-功率、液位等控制回路[10]和閥門、配管等附屬設(shè)施如圖2所示。離心壓縮機(jī)組設(shè)備、管線、閥門均按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)建模，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

由于啟機(jī)工況中平臺(tái)離心壓縮機(jī)上下游壓力基本恒定(為保障啟機(jī)氣量和壓力，平臺(tái)中控將通過(guò)調(diào)節(jié)油嘴開度維持生產(chǎn)分離器的壓力穩(wěn)定；同時(shí)海管憋壓致使下游壓力恒定)，動(dòng)態(tài)模型進(jìn)出口物流邊界選用壓力驅(qū)動(dòng)[1,4,6,11]：進(jìn)口壓力3 200 kPaA、氣相出口壓力6 135 kPaA。

圖2 離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模擬示意圖

設(shè)備直徑/m長(zhǎng)度/m入口滌氣罐2 1003 6出口滌氣罐1 5003 1離心壓縮機(jī)前配管0 35615 0離心壓縮機(jī)后配管0 35615 0防喘振閥0 102-

注：防喘振閥流通能力150。

2 啟機(jī)動(dòng)態(tài)模擬分析

參考現(xiàn)場(chǎng)啟機(jī)流程[13]開展離心壓縮機(jī)啟機(jī)的動(dòng)態(tài)模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析?，F(xiàn)場(chǎng)啟機(jī)采用如下流程：

1) 離心壓縮機(jī)盤車，閥門測(cè)試，吹掃充壓；

2) 驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)火，離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速迅速拉升并穩(wěn)定于50% NPT(離心壓縮機(jī)透平端轉(zhuǎn)速比)；

3) 轉(zhuǎn)速手動(dòng)提升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速71.3% NPT；

4) 離心壓縮機(jī)加載，關(guān)閉防喘振閥以減少回流量(以上游天然氣替代)，直至正常生產(chǎn)。

根據(jù)實(shí)操流程，簡(jiǎn)化了盤車、測(cè)試等不影響工藝參數(shù)的輔助流程，同時(shí)為規(guī)避人為控制造成的參數(shù)波動(dòng)，采用分段線性逼近的方式模擬離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和防喘振閥開度的變化?；诖?，在HYSYS工況控制平臺(tái)Event Schedule中進(jìn)行啟機(jī)編程，通過(guò)控制離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和閥門開度實(shí)現(xiàn)對(duì)啟機(jī)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬，提取壓力、流量的變化趨勢(shì)展現(xiàn)離心壓縮機(jī)的啟機(jī)過(guò)程，并由工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡判斷啟機(jī)過(guò)程的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)速和閥開度的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。

圖3 離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和防喘振閥開度對(duì)比

離心壓縮機(jī)入口流量、入口壓力和出口壓力的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，入、出口壓力和入口流量在啟機(jī)過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了HYSYS離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模型及模擬方法的可靠性。同時(shí)，基于動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果對(duì)啟機(jī)進(jìn)行過(guò)程分析，可劃分為體系充壓、啟動(dòng)、提速和加載等4個(gè)階段。

1) 充壓。啟機(jī)前離心壓縮機(jī)系統(tǒng)接近常壓，加載閥開啟后天然氣充入離心壓縮機(jī)筒體、滌氣罐、冷卻器和附屬管線，入、出口壓力同步提高至接近上游壓力，等待點(diǎn)火啟動(dòng)。此過(guò)程離心壓縮機(jī)入口存在充壓流量，如圖4(600 s前)所示，最高可以達(dá)到4 900 Sm3/h。

圖4 離心壓縮機(jī)入口流量、入口壓力和出口壓力的模擬值

2) 啟動(dòng)。為了快速越過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)火后離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速必須迅速拉升到50%NPT(6000r/min)。隨轉(zhuǎn)速提高，離心壓縮機(jī)吸入更多天然氣并增加對(duì)外輸出功，因此入口流量和出口壓力升高、入口壓力微降，達(dá)到怠機(jī)轉(zhuǎn)速后離心壓縮機(jī)恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，壓力、流量逐漸穩(wěn)定。

3) 提速。離心壓縮機(jī)進(jìn)一步提高NPT到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，提速過(guò)程中入口流量和出口壓力繼續(xù)升高，入口壓力降低?，F(xiàn)場(chǎng)啟機(jī)中，為盡可能遠(yuǎn)離喘振區(qū)，防喘振閥在充壓、啟動(dòng)、怠機(jī)和提速階段通常保持全開，因此離心壓縮機(jī)入口大部分是回流流量，上游來(lái)氣量(即離心壓縮機(jī)體系入口流量)很少：高峰入口流量133 700 Sm3/h，此時(shí)回流量129 100 Sm3/h，上游來(lái)氣僅4 600 Sm3/h。啟機(jī)過(guò)程離心壓縮機(jī)入口流量、體系入口流量和回流量趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 離心壓縮機(jī)啟機(jī)流量趨勢(shì)

4) 加載。達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速71.3 %NPT(8 560 r/min)后離心壓縮機(jī)進(jìn)行加載：即由平臺(tái)動(dòng)力人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀況逐步關(guān)閉防喘振閥[2,13-14](約每秒鐘0.196 %)，在保證上游流量及時(shí)補(bǔ)充(生產(chǎn)分離器壓力穩(wěn)定)的條件下穩(wěn)步減少回流量。在流量更替中，入口總流量先下降而后趨于穩(wěn)定，入口壓力在波動(dòng)中下降、最終穩(wěn)定；同時(shí)，流量降低使離心壓縮機(jī)能夠提供更高揚(yáng)程，出口壓力升高超過(guò)海管壓力，沖開出口單向閥開始外輸。

由啟機(jī)過(guò)程工作點(diǎn)軌跡(圖6)可知，由于各階段功能不同，工作點(diǎn)軌跡存在明顯區(qū)別：?jiǎn)?dòng)、怠速是啟機(jī)準(zhǔn)備階段，此時(shí)離心壓縮機(jī)流量雖大幅提高、揚(yáng)程增量卻較小，類似空載運(yùn)行；提速中流量和揚(yáng)程均有大幅提高；加載階段中上游流量替換回流流量，總流量逐步降低到穩(wěn)定工作點(diǎn)附近，在設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注防喘振閥的控制性能，保證其逐步關(guān)閉的能力。

圖6 離心壓縮機(jī)啟機(jī)工作點(diǎn)軌跡

3 啟機(jī)流程優(yōu)化

通過(guò)分析啟機(jī)過(guò)程工作點(diǎn)軌跡可知，啟機(jī)過(guò)程中離心壓縮機(jī)入口流量較高，工作點(diǎn)已越過(guò)石墻線進(jìn)入阻塞區(qū)。究其原因，在此離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段，為滿足緊急關(guān)停工況中的氣體回流量，防喘振閥選型相對(duì)較大，忽略了其對(duì)啟機(jī)過(guò)程的影響，由此產(chǎn)生啟機(jī)回流量超高的現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)啟機(jī)存在嚴(yán)重的摩阻損耗、筒體振動(dòng)以及機(jī)械損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此須限制啟機(jī)過(guò)程的回流能力。

基于此，提出新增流通能力較小的啟機(jī)調(diào)節(jié)回路(方案A)和通過(guò)開度控制降低防喘振閥流通能力(方案B)2套優(yōu)化方案來(lái)限制啟機(jī)回流量，并根據(jù)實(shí)際處理氣量、進(jìn)出口壓比開展啟機(jī)回流能力的動(dòng)態(tài)研究。經(jīng)模擬分析，啟機(jī)前期防喘振閥開度控制在73%或增設(shè)閥門流量系數(shù)為110的流量調(diào)節(jié)回路時(shí)，啟機(jī)過(guò)程較為平穩(wěn)、回流量較小。回流能力研究中離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操流程，方案A、B的防喘振閥開度、啟機(jī)流量趨勢(shì)如圖7、8所示，工作點(diǎn)軌跡見(jiàn)圖9所示。

圖7 離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和防喘振閥開度趨勢(shì)

圖8 離心壓縮機(jī)啟動(dòng)流量趨勢(shì)(方案A和方案B)

圖9 離心壓縮機(jī)優(yōu)化啟機(jī)工作點(diǎn)軌跡(方案A和方案B)

由圖9可知，優(yōu)化后的啟機(jī)過(guò)程中流量趨勢(shì)和工作點(diǎn)軌跡與現(xiàn)場(chǎng)啟機(jī)過(guò)程基本一致，均包括充壓、啟動(dòng)、提速和加載階段，但其加載階段的高峰流量和流量波動(dòng)明顯減小，A、B方案主要階段的流量見(jiàn)表2。由表2分析可知，2套啟機(jī)優(yōu)化方案均可有效解決啟機(jī)回流量高的問(wèn)題，使工作點(diǎn)一直處于穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)，避免了摩阻損耗高和離心壓縮機(jī)振動(dòng)的問(wèn)題，降低了啟機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，使啟機(jī)過(guò)程更穩(wěn)定。綜合對(duì)比2套啟機(jī)優(yōu)化方案，考慮到離心壓縮機(jī)改造較為復(fù)雜，推薦通過(guò)開度控制的方法解決防喘振閥選型過(guò)大、工作點(diǎn)進(jìn)入阻塞區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，啟機(jī)過(guò)程防喘振閥開度控制在73%以下即可滿足本機(jī)組工作點(diǎn)處于穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)的離心壓縮機(jī)運(yùn)行要求。

表2 離心壓縮機(jī)優(yōu)化后啟機(jī)過(guò)程流量對(duì)比(方案A和方案B)

4 結(jié)論與建議

1) 基于現(xiàn)場(chǎng)離心壓縮機(jī)組性能參數(shù)和實(shí)操流程模擬現(xiàn)場(chǎng)啟機(jī)過(guò)程，模擬流量、壓力等工藝參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了利用HYSYS開展離心壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模擬的準(zhǔn)確性。

2) 離心壓縮機(jī)啟機(jī)包括體系充壓、點(diǎn)火啟動(dòng)、提速和加載等4個(gè)階段，其中提速是流量和揚(yáng)程提高的主要階段、加載是進(jìn)行流量替換的階段，設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注防喘振閥的開度控制性能。

3) 針對(duì)啟機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)入阻塞區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題提出了采用防喘振閥開度控制和增設(shè)回流回路方法降低啟機(jī)流量的啟機(jī)流程優(yōu)化方案，并根據(jù)啟機(jī)回流能力的動(dòng)態(tài)研究結(jié)果，推薦海上平臺(tái)C338EL機(jī)組采用防喘振閥開度控制優(yōu)化方案(73%開度)解決啟機(jī)回流量過(guò)高的問(wèn)題；同時(shí)，建議在前期設(shè)計(jì)中充分分析防喘振閥流通能力對(duì)啟機(jī)過(guò)程的影響，依據(jù)動(dòng)態(tài)分析結(jié)果提出可靠的防喘振閥組選型方案，規(guī)避啟機(jī)前期回流量過(guò)高的工況。

[1] PATEL V,FENG J,DASGUPTA S,et al.Application of dynamic simulation in the design,operation,and troubleshooting of compressor system[C]∥Proceedings of the Thirty-sixth Turbomachinery Symposium.College Station,Texas:Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University,2007.

[2] BRUN K,NORED M.Application guideline for centrifugal compressor surge control systems[M].Dallas,Texas:Gas Machinery Research Council,2007.

[3] 熊飛．壓縮機(jī)非穩(wěn)定工況的動(dòng)態(tài)解析[J]．化工設(shè)備與管道，2015(4)：53-58．

XIONG Fei.Dynamic analysis of unstable working condition of centrifugal compressor[J].Process Equipment & Piping,2015(4):53-58.

[4] JOHAN L,ROBERT M.Dynamic simulation of a centrifugal compressor system[D].Sweden:Chalmers University of Technology,2013.

[5] HANSEN C.Dynamic simulation of compressor control systems[D].Aalborg:Aalborg University,2008.

[6] SONG Guang,ZHAO Yongchen,ZHANG Shenfu,et al.Start-up process of crack gas compressors via dynamic simulation[J].CIESC Journal,2014,65(12):4839-4843.

[7] 郁永章,姜培正,孫嗣螢.壓縮機(jī)工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2012.

[8] 汪慶桓．離心壓氣機(jī)的堵塞與喘振[J]．力學(xué)情報(bào)，1976,6(2)：10-32．

WANG Qinghuan.Clogging and surge of centrifugal compressor[J].Advances in Mechanics,1976,6(2):10-32.

[9] 宋智民．離心壓縮機(jī)喘振預(yù)測(cè)和控制研究[D]．大慶：大慶石油學(xué)院，2006．

SONG Zhimin.Surge forecast and control study of centrifugal compressor[D].Daqing:Daqing Petroleum Institute,2006.

[10] BERRY G,PATEL V,FENG J.Use of dynamic simulation in the design of ethylene plants[C]∥Proceedings of 2008 AIChE Spring National Meeting.New Orleans,USA:AIChE,2008.

[11] Aspen Technology,Inc.Aspen HYSYS dynamic modeling guide[M].Massachusetts,USA:Aspen Technology,Inc.,2005.

[12] 陸恩錫,張慧娟.化工過(guò)程模擬:原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[13] 彭德厚.壓縮機(jī)操作工[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[14] 靳兆文.壓縮機(jī)運(yùn)行維修實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.