張雙蕾 楊文川 高 興 陳 鳳

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

離心式壓縮機是天然氣長輸管道中廣泛應(yīng)用的增壓設(shè)備[1-3],從工作原理上而言屬于動力型(透平)壓縮機,是靠高速旋轉(zhuǎn)葉輪的作用,提高氣體的速度和壓力,隨后在固定元件中使一部分速度能進一步轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能[4-5]。由于壓縮機增壓后天然氣溫度較高,為防止因進入管道的天然氣溫度過高而影響管道輸氣效率及防腐層使用壽命,通常壓氣站內(nèi)都會在壓縮機下游設(shè)置空冷器以降低管道輸送溫度[6-8]。但在一些特殊工況下,增壓后的天然氣可能部分或全部未得到及時冷卻,且在站內(nèi)管道中反復(fù)循環(huán)增壓,導(dǎo)致天然氣溫度持續(xù)上升。因此,通過對典型循環(huán)溫升工況進行模擬和分析,可以在設(shè)計中提出有針對性的意見和建議,保護壓縮機和壓氣站管道系統(tǒng)[9-12]。

1 空冷器布置方式的影響

在天然氣長輸管道壓氣站中,工藝空冷器設(shè)置通常有集中后空冷和單機后空冷[13-15]兩種方案。

1.1 集中后空冷

空冷器位于多臺壓縮機出口匯管的下游,增壓后的天然氣進入壓縮機出口匯管匯集,然后經(jīng)過集中空冷器統(tǒng)一冷卻后輸往下游。集中后空冷的工藝流程見圖1。

圖1 集中后空冷方案壓縮機區(qū)典型工藝流程示意圖

1.2 單機后空冷

空冷器位于每臺壓縮機出口處,增壓后的天然氣被各空冷器分別冷卻后再匯合,然后輸往下游。單機后空冷工藝流程見圖2。

圖2 單機后空冷方案壓縮機區(qū)典型工藝流程示意圖

由于在離心式壓縮機正常啟機過程中,需要將壓縮機出口氣體通過防喘閥循環(huán)打入壓縮機進口管線,壓縮機一直在對循環(huán)的天然氣做功,對于采用集中后空冷的布置方式,這部分循環(huán)氣體將無法經(jīng)過空冷器冷卻,最終機械動能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能和壓力能,造成了壓縮機出口天然氣溫度的快速持續(xù)上升。該循環(huán)溫升工況將一直持續(xù)到壓縮機出口壓力上升至一定數(shù)值使出口止回閥打開,防喘閥自動關(guān)閉,此時增壓后的天然氣正常輸送,經(jīng)過集中空冷器冷卻后輸往下游。由于啟機過程的循環(huán)溫升工況相較其他工況(停車工況或機組現(xiàn)場測試的部分工況)而言更為惡劣,因此將其作為典型循環(huán)溫升工況進行模擬研究。

2 典型循環(huán)溫升工況模擬與分析

2.1 輸入條件

以集中后空冷布置方式的離心壓縮機啟機工況作為典型循環(huán)溫升工況進行分析,需要輸入的參數(shù)如下:

1)氣質(zhì)組分。

2)研究的管道系統(tǒng)各管段的管徑、長度、內(nèi)壁粗糙度。

3)啟機時,壓縮機進口壓力、溫度,出站壓力。

4)各動作閥門的Cv值,以及開關(guān)速度和開關(guān)特性曲線。

5)壓縮機性能曲線參數(shù)(含喘振線、防喘控制線和阻塞線)。

6)啟機過程壓縮機的轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線。

選用的機組不同,壓縮機性能曲線和驅(qū)動機啟動轉(zhuǎn)速變化參數(shù)也不同,這些參數(shù)通常由廠商提供,在模擬時需要根據(jù)工程實際選用的機組,采用工廠測試修正后的性能曲線,錄入?yún)?shù)[16]。

另外,對于不同的驅(qū)動方式和驅(qū)動機組,配套不同的壓縮機,啟機過程壓縮機的轉(zhuǎn)速變化曲線也有所不同。對于電驅(qū)壓縮機組,啟機過程中機組轉(zhuǎn)速可以從0線性提升至需要的轉(zhuǎn)速(提升速度受電機扭矩限制),即“轉(zhuǎn)速-時間”曲線近似為一條具有一定斜率的直線。通常在啟機時,電驅(qū)壓縮機轉(zhuǎn)速由0上升至最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速所需的時間在1.5～3 min左右。燃驅(qū)壓縮機組的“轉(zhuǎn)速-時間”曲線類似于臺階上升曲線,且啟機時間稍長,一般在6～9 min左右。對于不同的機組,具體啟機過程的壓縮機轉(zhuǎn)速變化曲線需要廠商提供。在模擬時應(yīng)根據(jù)工程實際選用的壓縮機組,按照對應(yīng)的啟機轉(zhuǎn)速變化曲線控制轉(zhuǎn)速。

2.2 模擬軟件選用

在啟機過程中,天然氣的流動為動態(tài)變化過程。為保證循環(huán)溫升計算的可靠性,應(yīng)根據(jù)管道和設(shè)備的實際情況(如管徑、長度、工藝運行參數(shù)、壓縮機性能曲線、轉(zhuǎn)速-時間變化參數(shù)等)應(yīng)用相應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)流數(shù)學(xué)模型進行瞬態(tài)模擬與分析,得出最接近于工程實際的計算結(jié)果。為保證計算精度并簡化分析過程,可采用成熟商業(yè)軟件進行計算分析。本文選用ASPEN HYSYS軟件進行建模分析[17-19]。

2.3 工況模擬與分析

2.3.1 模型建立

以某工程為例,該工程采用3+1臺25 MW等級燃驅(qū)壓縮機組,管道設(shè)計壓力12 MPa,設(shè)計輸量為300×108m3/a。由于機組A距離壓縮機上游計量裝置區(qū)出口匯管最近,由防喘管線回流的熱氣與未增壓前的冷氣混合后,經(jīng)過的管容最小,循環(huán)溫升情況最惡劣。因此,在模擬單機啟機工況時,選取機組A及對應(yīng)的進出口管路系統(tǒng)作為模擬對象,見圖3。

圖3 ASPEN HYSYS建模選取機組及建模范圍示意圖

根據(jù)單機流程圖建立對應(yīng)的ASPEN HYSYS動態(tài)計算模型,見圖4。

圖4 典型循環(huán)溫升工況ASPEN HYSYS模型圖

2.3.2 工況模擬

在典型循環(huán)溫升工況的動態(tài)模擬中,壓縮機啟機轉(zhuǎn)速變化參數(shù)至關(guān)重要。某25 MW等級燃驅(qū)壓縮機組的啟動過程轉(zhuǎn)速變化曲線見圖5。燃氣輪機點火后壓縮機在0～50 s期間,轉(zhuǎn)速由0線性增大到2 000 r/min(怠速),之后壓縮機維持該怠速狀態(tài)一直到360 s,隨后壓縮機在360～410 s期間,轉(zhuǎn)速由2 000 r/min線性增大到4 255 r/min(最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速)；即壓縮機轉(zhuǎn)速由0增加到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速共經(jīng)歷410 s(6.83 min)。在此期間防喘閥為手動全開。此后,防喘閥由手動控制切換為自動控制,然后根據(jù)天然氣輸送要求增加轉(zhuǎn)速。當(dāng)進行24 h機械運轉(zhuǎn)測試時,需要在最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速下運行一段時間,再提升轉(zhuǎn)速。

圖5 某25 MW等級燃驅(qū)壓縮機組啟機轉(zhuǎn)速變化曲線圖

其余主要輸入?yún)?shù)見表1。

表1 典型循環(huán)溫升工況主要輸入?yún)?shù)表

參數(shù)數(shù)值備注壓縮機進口管路管容/m3—軟件據(jù)各管段輸入?yún)?shù)計算壓縮機出口管路管容/m3—軟件據(jù)各管段輸入?yún)?shù)計算冷熱混合氣經(jīng)過管容/m3—軟件據(jù)各管段輸入?yún)?shù)計算壓縮機進口天然氣壓力/MPa9.14夏季工況壓縮機進口天然氣溫度/℃31.97夏季工況防喘閥Cv值1 000由壓縮機廠商提供防喘閥全開動作時間/s1由壓縮機廠商提供

為了研究壓縮機啟機之后,正常輸送和非正常輸送條件下增壓后天然氣溫度的變化情況,分別建立工況進行模擬分析。

2.3.2.1 正常輸送工況

依照轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線,壓縮機轉(zhuǎn)速從0增至最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min),然后防喘閥由手動控制切換為自動控制,并繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速直至壓縮機出口壓力升高使出口管線上的止回閥開啟,進入正常輸送狀態(tài)。

2.3.2.2 非正常輸送工況

依照轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線,壓縮機轉(zhuǎn)速從0增至最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min),然后在最低轉(zhuǎn)速繼續(xù)運行,防喘閥保持全開。若此時出站壓力較高,而壓縮機仍保持在最低轉(zhuǎn)速運行，使得增壓后的天然氣壓力低于出站壓力,則壓縮機出口管線上的止回閥無法打開,天然氣不能向下游正常輸送,只能通過防喘振管線回到壓縮機進口處,即啟機后系統(tǒng)進入非正常輸送狀態(tài)。

2.3.3 模擬結(jié)果

2.3.3.1 正常輸送工況結(jié)果

為保守起見,假設(shè)出站壓力為11.85 MPa(最大操作壓力),即增壓后的天然氣壓力需達到11.85 MPa(對應(yīng)壓縮機轉(zhuǎn)速為5 600 r/min)才能使壓縮機出口管線上的止回閥開啟。假設(shè)壓縮機從最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min)增加到5 600 r/min的時間為30 s,經(jīng)模擬,正常輸送工況下壓縮機工作點變化軌跡見圖6,壓縮機出口壓力和溫度的變化趨勢見圖7。

圖6 正常輸送工況壓縮機工作點變化軌跡圖

圖7 正常輸送工況壓縮機出口壓力、溫度變化曲線圖

從圖7可看出,壓縮機轉(zhuǎn)速由0增加到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速的410 s時間內(nèi),壓縮機出口壓力由9.14 MPa增加到10.51 MPa,出口溫度由31.97 ℃增加到49.7 ℃。然后防喘閥由手動控制切換為自動控制,壓縮機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,直至壓縮機出口壓力達到11.85 MPa使下游止回閥開啟,開始正輸流程。在第448 s(壓縮機轉(zhuǎn)速達到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速后第38 s)時,壓縮機出口溫度達到最高值63.2 ℃,之后壓縮機出口溫度開始降低并穩(wěn)定于54.5 ℃。整個過程中壓縮機出口溫度未超過防腐層使用溫度(一般高溫型加強級三層PE防腐層最高使用溫度為70 ℃[20])。因此,在本實例中若壓縮機組正常啟機并實現(xiàn)外輸,期間造成的循環(huán)溫升不會對設(shè)備和管道造成不良影響。

2.3.3.2 非正常輸送工況結(jié)果

經(jīng)模擬,非正常輸送工況的壓縮機工作點變化軌跡見圖8,壓縮機出口壓力和溫度的變化趨勢見圖9。

從圖9可看出,在壓縮機轉(zhuǎn)速由0增加到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速的410 s時間內(nèi),壓縮機出口壓力由9.14 MPa增加到10.51 MPa,出口溫度由31.97 ℃增加到49.7 ℃。之后,壓縮機保持最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min)繼續(xù)運行,防喘閥保持全開。若出站壓力高于壓縮機出口壓力10.51 MPa,則壓縮機出口管線上的止回閥無法開啟?？梢姀牡?00 s(壓縮機轉(zhuǎn)速達到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速后第190 s)開始,壓縮機出口溫度將高于70 ℃。因此,在本實例中,當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速達到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速后,應(yīng)保證在190 s(3.17 min)內(nèi),提升壓縮機轉(zhuǎn)速(具體轉(zhuǎn)速應(yīng)對應(yīng)當(dāng)時的出站壓力),使增壓后的天然氣壓力高于出站壓力,從而開啟壓縮機出口管線上的止回閥,實現(xiàn)天然氣的正常輸送,避免天然氣通過防喘回路循環(huán)回流造成溫升效應(yīng)。

圖8 非正常輸送工況壓縮機工作點變化軌跡圖

圖9 非正常輸送工況壓縮機出口壓力、溫度變化曲線圖

3 結(jié)論與建議

1)對于采用集中后空冷布置方式的壓氣站，壓縮機組在典型循環(huán)溫升工況下增壓后的工藝氣體得不到及時冷卻,導(dǎo)致溫升速度較快,如果設(shè)計不合理將對運行產(chǎn)生不良影響。因此,如果壓氣站采用了集中后空冷流程,建議均進行典型工況的循環(huán)溫升模擬,以確保運行安全。

2)采用ASPEN HYSYS軟件動態(tài)模塊可實現(xiàn)增壓流程典型循環(huán)溫升工況的模擬和分析。壓縮機循環(huán)溫升工況為動態(tài)過程,需要依據(jù)工藝流程、設(shè)備和管道布置、壓縮機組啟動曲線(轉(zhuǎn)速變化曲線)、壓縮機機芯曲線(含防喘線及阻塞線)參數(shù)、驅(qū)動機現(xiàn)場最大輸出功率、防喘閥和防喘控制器響應(yīng)特性、天然氣組分等輸入條件建立動態(tài)模擬模型。

3)對于啟機后正常輸送的工況,建議以最保守情況(即壓縮機出口管線止回閥的下游壓力為最高操作壓力)模擬機組從轉(zhuǎn)速為0沿轉(zhuǎn)速提升曲線直至壓縮機出口管線止回閥打開,氣體開始正常外輸?shù)臏厣闆r。啟動過程中壓縮機出口溫度的最高值將作為確定循環(huán)回路中的設(shè)備、管路系統(tǒng)材料(包含防腐層)設(shè)計溫度的依據(jù)之一,以確保能安全啟機。

4)在實際運行中,若站場壓縮機機組故障停機,出站壓力會在一段時間內(nèi)維持較高的壓力,應(yīng)盡量避免在出站壓力較高的情況下立即啟機。如果需要立即啟機,則啟機轉(zhuǎn)速達到最低連續(xù)運行轉(zhuǎn)速后,應(yīng)盡快將轉(zhuǎn)速提升至出站壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)速,使系統(tǒng)進入正常輸送的狀態(tài),避免循環(huán)溫升對管路和設(shè)備造成不良影響。