孫文高

(中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司， 天津 300452)

在海上油田天然氣生產(chǎn)中，通常使用壓縮機對天然氣進行增壓，以達到下游用戶的使用要求，或通過海底管道輸送至陸地。渤海油田海上設(shè)施多采用往復(fù)活塞式壓縮機[1]。根據(jù)油田特點，在某浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(floating production storage and offloading，縮寫為FPSO)中，將3臺離心式壓縮機進行并聯(lián)以實現(xiàn)天然氣增壓。為了避免離心式壓縮機在使用過程中出現(xiàn)喘振和并聯(lián)機組單機偏流的問題，在離心式壓縮機并線運行上增加了防喘振控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以有效地解決離心式壓縮機的喘振問題和多臺并線運行的偏流問題，使壓縮機組運行更加平穩(wěn)[2]。該控制系統(tǒng)自2009年投入應(yīng)用，一直運行比較穩(wěn)定，有效地保證了油田的正常生產(chǎn)。下面介紹該系統(tǒng)在海上油田的應(yīng)用。

1 往復(fù)活塞式和離心式壓縮機

1.1 往復(fù)活塞式壓縮機應(yīng)用

在渤海油田生產(chǎn)中，大部分中心平臺(central platform，縮寫為CEP)采用了往復(fù)活塞式天然氣壓縮機[1]。以BZ28-2S中心平臺為例，燃料氣處理系統(tǒng)的天然氣處理能力為17.2×104m3/d，設(shè)置3臺處理能力為8.6×104m3/d的天然氣壓縮機，兩用一備。來自原油處理系統(tǒng)一級分離器的壓力為400 kPa、溫度為60 ℃的伴生氣，經(jīng)燃料氣冷卻器冷卻至40 ℃，再經(jīng)除液罐分離液滴后進入燃料氣壓縮機。經(jīng)過第1段、第2段壓縮，燃料氣的壓力由400 kPa升至2 850 kPa后進入下游平臺。BZ28-2S中心平臺天然氣壓縮系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.2 離心式壓縮機應(yīng)用

渤海某FPSO裝置為中海油規(guī)模最大的海上浮式生產(chǎn)儲油裝置，其天然氣處理流程中有3臺離心式天然氣壓縮機，采用通用-新比隆公司(GENuovoPignone)生產(chǎn)的壓縮機。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，單臺壓縮機的最大處理量為28×104m3/h，出口壓力為4 900 kPa。其工藝流程與往復(fù)活塞式壓縮機類似，低壓氣冷卻后經(jīng)第1段入口除液罐進入第1段壓縮機進行壓縮，然后經(jīng)過冷卻器冷卻后進入第2段除液罐進行洗滌排液，再經(jīng)第2段壓縮機壓縮后達到額定壓力。該FPSO天然氣高壓壓縮機系統(tǒng)流程如圖2所示。

1.3 往復(fù)活塞式與離心式壓縮機參數(shù)對比

(1) 單機處理量。離心式壓縮機的單機處理能力遠遠大于往復(fù)活塞式壓縮機。往復(fù)活塞式壓縮機單臺功率為800 kW左右，其處理能力為19×104m3/d；離心式壓縮機單臺功率為3 690 kW左右，其處理能力為65×104m3/d。

(2) 排氣穩(wěn)定性。往復(fù)活塞式壓縮機可以連續(xù)運轉(zhuǎn)，出口排氣穩(wěn)定性好；往復(fù)活塞式壓縮機靠氣缸的往復(fù)運動和氣缸閥片開閉來實現(xiàn)排氣，排氣穩(wěn)定性低于離心式壓縮機[3]。

圖1 BZ28-2S中心平臺天然氣壓縮系統(tǒng)流程

圖2 渤海某FPSO天然氣高壓壓縮機系統(tǒng)流程

(3) 出口壓力。離心式壓縮機經(jīng)2段壓縮后的出口壓力可達到5 000 kPa；往復(fù)活塞式壓縮機經(jīng)2段壓縮后的出口壓力一般為3 000 kPa，如需壓力增高，則需采用3段以上的壓縮機。

(4) 維護成本。離心式壓縮機易損件少，維修量小，運轉(zhuǎn)周期長，只需針對機體磨損進行定期維修；往復(fù)活塞式壓縮機則需要定期更換閥片、活塞環(huán)等部件[4]。

(5) 操作適應(yīng)性。離心式壓縮機操作的適應(yīng)性差，氣體的性質(zhì)對操作性能有較大影響，在機組開車、停車及運行過程中，負(fù)荷變化較大；往復(fù)活塞式壓縮機則對氣體性質(zhì)要求低，開車、停車較方便。

(6) 流速及噪音。離心式壓縮機氣流速度高，流道內(nèi)的零部件有較大的摩擦損失，產(chǎn)生較多高頻噪音；活塞機內(nèi)部流體流速低，流道內(nèi)摩擦損失小，產(chǎn)生較多低頻噪音。

(7) 喘振。在離心式壓縮機運行中，容易出現(xiàn)喘振，因此必須配備專門的防喘振控制系統(tǒng)；在往復(fù)活塞式壓縮機運行中，只需要調(diào)節(jié)回流控制閥即可實現(xiàn)防喘振控制[5]。

(8) 控制系統(tǒng)。離心式壓縮機控制系統(tǒng)分為關(guān)斷和調(diào)節(jié)系統(tǒng)，振動監(jiān)控系統(tǒng)，防喘振控制系統(tǒng)，密封氣控制等子系統(tǒng)，系統(tǒng)控制非常復(fù)雜；往復(fù)活塞式壓縮機控制單元少，控制邏輯相對簡單。

2 離心式壓縮機防喘振控制

2.1 喘振現(xiàn)象

喘振是離心式壓縮機的特有現(xiàn)象，喘振現(xiàn)象的形成如圖3所示，其中Qs，VOL為壓縮機入口體積流量，pd為壓縮機出口壓力。隨著壓縮機運行，當(dāng)氣體由D點沿著性能曲線上升至喘振點A時，流量急劇降低；當(dāng)氣體由A點運行到B點時，壓縮機出現(xiàn)負(fù)流量，即出現(xiàn)倒流；倒流到一定程度時壓縮機出口壓力下降(B→C)，恢復(fù)正向流動(C→D)。氣體在壓縮機中來回流動的這種現(xiàn)象就是喘振。發(fā)生喘振時，壓縮機振動劇烈，發(fā)出異常聲音。如果不能及時控制喘振，壓縮機將會受到嚴(yán)重傷害。喘振發(fā)展比較快，通常在1～2 s即加劇，因此必須及時、有效、精準(zhǔn)地予以控制[6]。

圖3 離心式壓縮機喘振形成示意圖

每種壓縮機都有其獨特的性能曲線，多壓頭 — 入口流量受入口條件(壓力、溫度、氣體特征等)的影響，喘振曲線呈分散的多條曲線，給喘振控制算法的設(shè)計帶來很大影響。壓縮機的性能曲線通常由制造商給出的計算值來確定，會有一定偏差；同時，隨著壓縮機運行時間延長，內(nèi)部磨損越來越大，其性能曲線與出廠時的差別也越來越大。擺脫壓縮機性能曲線影響，制定一套快速準(zhǔn)確的喘振控制算法顯得尤為重要。

2.2 CCC防喘振控制策略

渤海某FPSO裝置中的高壓壓縮機采用了CCC(Compressor Control Corporation，美國壓縮機控制公司)防喘振控制系統(tǒng)。根據(jù)壓縮機特性和喘振理論，為其開發(fā)了一套控制算法和軟件，可以將多變的入口條件曲線轉(zhuǎn)化為與入口條件無關(guān)的喘振控制線，以便快速確定喘振點。

(1) 控制算法。CCC控制算法中沒有簡單采用流量對比的方式，從而避免了工藝擾動和能量浪費。常用壓縮機的性能曲線與入口條件有關(guān)(見圖4)，其喘振曲線呈分散的多條曲線，無法在現(xiàn)場對喘振進行控制。CCC控制算法處理后的壓縮機性能曲線(見圖5)，擺脫了入口擾動因素的影響，出現(xiàn)了高度重合，可以此作為現(xiàn)場控制的判斷依據(jù)。其理論推導(dǎo)公式如下。

計算離心式壓縮機多變壓頭Hp：

(1)

(2)

圖4 常用壓縮機性能曲線

圖5 CCC控制算法處理后壓縮機性能曲線

每個公式內(nèi)除以因子A=Zs·R·Ts，由于Zavg/Zs比率變化可忽略不計，可認(rèn)為Zavg/Zs=1，則有：

(3)

(4)

式中：Hp—— 為離心壓縮機多變壓頭，m；

Qs—— 入口質(zhì)量流量，kg/s；

hr—— 簡化后壓頭，無量綱；

Qr—— 簡化后流量，無量綱；

Zs—— 進出口壓縮因子，無量綱；

Mw—— 分子量，g/mol；

Ru—— 通用氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；

R—— 氣體常數(shù)，R=Ru/Mw；

Ts—— 入口溫度，K；

Rc—— 壓縮比，無量綱；

σ—— 多變指數(shù)，無量綱；

ps—— 入口壓力，kPa；

Δpo,s—— 流量測量裝置的壓差，kPa。

(2) 建立喘振線。喘振線上各點可用其至原點的斜率來表示，用實測值計算。喘振參數(shù)定義如下：

(5)

圖6 擬合后的喘振曲線

3 防喘振系統(tǒng)工程設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的架構(gòu)

CCC防喘振控制系統(tǒng)工作原理是，根據(jù)數(shù)學(xué)建模分析結(jié)果，執(zhí)行現(xiàn)場的控制實施方案，通過優(yōu)化參數(shù)來達到控制喘振的目的。

該FPSO裝置中配備了3臺海上離心式壓縮機，均采用兩段式壓縮，并聯(lián)運行，故CCC控制系統(tǒng)采用了單機配置、中心協(xié)調(diào)的策略。其中，主控制器采用冗余架構(gòu)，單機控制器采用單機架構(gòu)并通過高速網(wǎng)絡(luò)與主控制器進行通訊傳輸。CCC控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 CCC控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 簡要控制工藝流程

每臺壓縮機各有一套控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控每一級入口的壓力、溫度、流量、出口壓力溫度，控制每一級的回流閥門，進而控制喘振。需要說明的是，當(dāng)UIC-2試圖打開二級回流閥門以免進入喘振狀態(tài)時，就會輸出喘振信號給UIC-1，UIC-1則根據(jù)信號立即作出預(yù)處理反應(yīng)，直接提前打開一級回流閥門。

4 結(jié) 語

該離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)，運行平穩(wěn)，其主要特點如下：

(1) 經(jīng)濟性高。由于控制算法合理，壓縮機可以在最靠近喘振線的區(qū)域運轉(zhuǎn)，而無須打開回流閥。

(2) 可靠性高。運用該離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)，可減少因喘振而造成的停車現(xiàn)象，有效控制喘振現(xiàn)象，降低壓縮機的大修成本，延長壓縮機的運轉(zhuǎn)壽命。

(3) 控制架構(gòu)合理。運用該控制系統(tǒng)，可以有效地對并聯(lián)運行的壓縮機組流量進行合理的分配，使每臺壓縮機都處于高性能模式，從而有效地避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。