膨脹機(jī)控制方案探討

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I(mǎi)GV 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。

［1］ API 617-2002，Axial and Centrifugal Compressors and Expander-Compressors for Petroleum，Chemical and Gas Industry Services［S］.

［2］ 徐炳華，楊學(xué)熊，夏上惠. 流體輸送設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1982.Xu Binghua，Yang Xuexiong，Xia Shanghui. Automatic Adjustment of Fluid Conveying Equipment［M］.Beijing：Chemical Industry Press.1982.

［3］ 陸德明. 石油化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2000.Lu Deming. Petrochemical Automatic Control Design Manual［M］.Beijing：Chemical Industry Press.2000.

［4］ 周春暉. 過(guò)程控制工程手冊(cè)［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社.1993.Zhou Chunhui. Process Control Engineering Manual ［M］.Beijing：Chemical Industry Press.1993.

［5］ 熊雪立. 透平膨脹機(jī)節(jié)能調(diào)節(jié)［J］. 石油化工設(shè)備，2009，29（5）：46-48.Xiong Xueli. Energy -Saving Regulation for Turbine Expander［J］.Petrochemical Equipment，2009，29（5）：46-48.

［6］ White M H. Surge Control For Centrifugal Compressor［J］.Chemical Engineering，1972，79（25）：12.

［7］ 于建林，岳林林，周明軍，等. 天然氣處理廠硫磺回收風(fēng)機(jī)的優(yōu)化控制［J］. 天然氣與石油，2014,32（3）：56-59.Yu Jianlin，Yue Linlin，Zhou Mingjun，et al. Optimization Control of Air Blowers for Sulfur Recovery Unit in Natural Gas Treatment Plant［J］.Natural Gas and Oil，2014，32（3）：56-59.

［8］ 劉文泉， 汪耀林， 侯志軍. 增壓站離心壓縮機(jī)喘振控制［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn).2008，27（8）：32-36.Liu Wenquan，Wang Yaolin，Hou Zhijun.Techniques to Control the Surge of Centrifugal Compressor in Booster Station［J］.Oil&Gas Storage and Transportation，2008，27（8）：32-36.

［9］ 徐黎明.離心式壓縮機(jī)喘振原因分析及防范措施［J］. 石化技術(shù)，2014，21（1）：40-43.Xu Liming. Analysis and Solution for Surge in Centrifugal Compressor［J］. Petrochemical Industry Technology，2014，21（1）：40-43.

［10］ 趙玉峰，關(guān)學(xué)忠，姚建紅，等. 離心式壓縮機(jī)操作曲線及防喘振控制系統(tǒng)［J］. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，24（1）：31－33.Zhao Yufeng,Guan Xuezhong,Yao Jianhong,et al.The Operation Curve of Centrfugal-flow Compressor and the Control System of Anti-Surge ［J］. Journal of Jiamusi University（Natural Science Edition）,2006，24（1）：31-33.