海上平臺天然氣壓縮機串聯(lián)運行防喘振改造

高彥平

中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司，廣東深圳 518067

海上平臺天然氣壓縮機串聯(lián)運行防喘振改造

高彥平

中海石油（中國）有限公司崖城作業(yè)公司，廣東深圳 518067

海上氣田開發(fā)后期，為進(jìn)一步挖掘氣藏潛能，需要串聯(lián)運行天然氣壓縮機以降低井口壓力。為配套串聯(lián)運行改造需要升級天然氣壓縮機轉(zhuǎn)子，但升級改造后原6 in防喘振閥不能滿足壓縮機轉(zhuǎn)子升級后的防喘振功能，而將8 in回流閥改造為既具有回流控制功能又具有防喘振控制功能后可解決上述問題。經(jīng)過實際測試證明，8 in回流閥改造后滿足了壓縮機轉(zhuǎn)子升級后的防喘振控制要求。介紹了壓縮機防喘振控制、回流控制、防喘振總體改造方案、回流閥執(zhí)行器的改造、改造方案的實施效果等內(nèi)容。

天然氣壓縮機；串聯(lián)運行；防喘振閥；回流閥；改造；海上平臺

在氣田開發(fā)后期，為進(jìn)一步降低井口壓力，將原設(shè)計為一備一用或并聯(lián)運行的天然氣壓縮機改造為串聯(lián)運行。進(jìn)一步降壓生產(chǎn)的主要瓶頸是天然氣壓縮機在低壓情況下流量通道太小，無法滿足流量要求，也不適應(yīng)于串聯(lián)運行。改造方案為將前級天然氣壓縮機轉(zhuǎn)子[1]由D12R5S改為新型大流量通道D12R5S，將后級濕氣壓縮機轉(zhuǎn)子由D12R5S改為D12R6S，2臺壓縮機串聯(lián)運行。但是這樣改造后產(chǎn)生了新的問題，壓縮機轉(zhuǎn)子由D12R5S改為新型大流量通道D12R5S和由D12R5S改為D12R6S后，原有6 in（1 in=25.4 mm）的防喘振閥不能滿足大流量通道壓縮機的防喘振要求，廠家建議更換原有6 in防喘振閥為8 in防喘振閥。但是這種閥門從設(shè)計到采購、安裝、調(diào)試是一個漫長的過程，遠(yuǎn)不能滿足整個降壓生產(chǎn)項目時間、費用等的要求。因此改造原有8 in防喘振閥為既具有回流控制功能又具有防喘振控制功能的回流閥，是有效解決前述問題的途徑。

1 壓縮機防喘振控制

1.1 喘振

當(dāng)壓縮機的壓縮比增大時，如果壓縮機的流量減少，就很容易發(fā)生氣體流動不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)完全回流的現(xiàn)象，即為喘振。喘振對壓縮機性能產(chǎn)生很大的破壞，防喘振控制的目的就是讓壓縮機遠(yuǎn)離喘振點工作，避免喘振發(fā)生[2]。從離心壓縮機的特性可以知道，提升轉(zhuǎn)速或加大通過壓縮機的氣體流量可以避免喘振。一般采取氣體放空或回流的方法來增加通過壓縮機的氣體流量，以保證壓縮機的運行點不落入喘振區(qū)。圖1為天然氣壓縮機的防喘振控制流程，壓縮機的入口、出口壓力調(diào)節(jié)器、流量調(diào)節(jié)器將各自測得的壓力值、流量值與事先給定的允許值作比較，如果流量低于給定值或壓力高于給定值，兩個調(diào)節(jié)器將分別發(fā)出控制信號，經(jīng)選擇調(diào)節(jié)器選擇后，產(chǎn)生使防喘振閥門自動打開的動作[3]，從而達(dá)到增加流量，防止喘振的目的。在壓縮機出口設(shè)有放空閥，當(dāng)壓縮機出口壓力異常升高時，可通過排空閥將壓力降低。

圖1 天然氣壓縮機防喘振控制流程示意

1.2 喘振極限

不同運行狀態(tài)下的壓縮機需要不同的最小流量[4]來防止喘振。壓縮比越大，所需要的最小流量就越大。例如在入口壓力都是1 015 psi（1 psi=6.896 kPa）時，當(dāng)壓縮機出口壓力為1 800 psi所需要的最小流量是200 MMSCFD（1 MMSCFD=106ft3/d，1 ft3= 0.028 316 8 m3），但當(dāng)出口壓力上升到2 000 psi時，所需要的最小流量為230 MMSCF。為了避免發(fā)生喘振，必須保證壓縮機的氣體流量大于其所需要的最小流量，這就是喘振極限（Surge Margin）：喘振極限=（實際流量-最小流量）×100%/最小流量。

2 壓縮機回流控制

2.1 壓縮機負(fù)載

壓縮機負(fù)載（Load Set）表示的是有多少天然氣需要被壓縮，由壓縮機進(jìn)口壓力控制器（Pressure Controller）[5]的模擬輸出信號（4～20 mA）表示。如果壓縮機的入口壓力在一定時間內(nèi)不斷上升，那么壓力控制器的輸出將會增大，說明壓縮機負(fù)載增大。此時壓縮機必須加速，因而壓縮機驅(qū)動端速度控制加速，讓壓縮機壓縮更多的氣體[6]。

2.2 回流閥

回流閥（Recycle Valve） 控制壓縮機的流量，同時保證壓縮機處于喘振極限外運行[7]。當(dāng)壓縮機負(fù)載等于或小于10.4 mA時，也就是進(jìn)口壓力控制器輸出小于40%時，回流閥就會參與控制，通過控制流經(jīng)壓縮機的流量來滿足喘振極限的要求。在流程上，防喘振閥和回流閥并行，防喘振閥開關(guān)的動作比回流閥快。只有當(dāng)喘振極限降低到一定值時（10%），防喘振閥才會迅速打開，保證壓縮機有足夠的流量，以避免真正的喘振發(fā)生。

3 防喘振總體改造方案

3.1 壓縮機回流閥和防喘振閥的改造要求

閥門流通能力用 Cv值來衡量，Cv值是流量系數(shù)?，F(xiàn)有的壓縮機回流管路流量調(diào)節(jié)閥（D-FV-2707/D-FV-2807）的Cv值為721，防喘振閥 （D-ASV-2708/D-ASV-2808） 的 Cv值為319。天然氣壓縮機轉(zhuǎn)子升級后，壓縮機廠家要求串聯(lián)運行時前一級壓縮機（D-K-2701）的防喘振閥Cv值處于 1 060～1 200之間，第二級壓縮機（D-K-2801）的防喘振閥Cv值處于510～625之間。現(xiàn)有的防喘振閥（D-ASV-2708/D-ASV-2808）不能滿足改造后壓縮機的要求。

3.2 回流閥和防喘振閥的改造方案

在確定了原壓縮機防喘振閥不能滿足壓縮機轉(zhuǎn)子升級后壓縮機防喘振功能的要求后，有以下兩種改造方案可供選擇：

方案1：采購8 in防喘振整閥（帶執(zhí)行器）并改造6 in的管道。

方案2：改造8 in的原回流閥。

從兩種改造方案的費用分析（見表1），確定采用方案2。

表1 方案費用（人民幣）

4 回流閥執(zhí)行器的改造

4.1 原回流閥執(zhí)行器

原回流閥閥體為費舍爾EHT型8 in旋塞閥，執(zhí)行器為費舍爾雙作用蘑菇頭執(zhí)行機構(gòu)，配備智能閥門定位器，見圖2。

4.2 改造后回流閥執(zhí)行器

圖2 改造后回流閥執(zhí)行器（虛線框短路連接即為原執(zhí)行器）

如圖2所示，在原回流閥執(zhí)行器的基礎(chǔ)上新增了電磁閥和快排閥。在天然氣壓縮機正常工作的情況下電磁閥帶電，閥門工作在正?；亓鏖y控制狀態(tài)，一旦工況達(dá)到防喘振控制工況，電磁閥即刻斷電，快排閥迅速排掉執(zhí)行器蘑菇頭上腔室儀表氣壓，使得閥門全開，從而實現(xiàn)了防喘振功能。

4.3 回流閥執(zhí)行器性能測試及測試方法

壓縮機防喘振閥的主要性能指標(biāo)是快開時間[8]，即閥門在任何開度時，防喘振電磁閥斷電，閥門執(zhí)行器氣缸失氣，閥門到達(dá)全開位置時所需的時間。廠家要求的回流閥改造后快開時間為2 s。采用表2三種測試方法進(jìn)行測試，測試方法1、2均未能滿足測試精度要求，采用方法3進(jìn)行測試獲得了滿意的測試精度。測試結(jié)果為：回流閥從全關(guān)位置到全開位置平均用時為1.62 s，從全關(guān)位置到開度63%平均用時為0.96 s。

表2 回流閥執(zhí)行器性能的測試方法

5 改造方案的實施效果

天然氣壓縮機回流閥改造的實施效果明顯，在保持回流閥原工作性能不變的前提下，增加了防喘振功能，節(jié)省了施工費用，促進(jìn)了整個降壓生產(chǎn)項目的按時投產(chǎn)。整個項目順利投產(chǎn)后，兩臺天然氣壓縮機串聯(lián)運行平穩(wěn)，回流閥控制正常。

6 結(jié)束語

天然氣壓縮機控制系統(tǒng)涉及面廣，有透平轉(zhuǎn)速控制，透平燃燒室溫度控制，壓縮機轉(zhuǎn)速控制，防喘振控制和生產(chǎn)流程入口、出口壓力控制[9]。此次回流閥改造涉及防喘振控制和入口、出口壓力控制，是整個壓縮機控制系統(tǒng)的核心。改造最終得到了廠家的認(rèn)可，現(xiàn)場功能測試滿足要求，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]李廣群，孫立剛，毛平平，等.天然氣長輸管道壓縮機站設(shè)計新技術(shù)[J].油氣儲運，2012，31（12）：884-886.

[2]王博，郭振霞，毛靚華.離心壓縮機防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計[J].風(fēng)機技術(shù)，2009（2）：53-56.

[3]邵軍，樊雙新，李志英.天然氣壓縮機組PG-PL調(diào)速器膜片式聯(lián)軸節(jié)斷裂故障分析與處理 [J].化工設(shè)計通訊，2015，41（1）：15-21.

[4]李方濤，李書臣，蘇成利，等.離心式壓縮機防喘振控制及故障診斷系統(tǒng)研究與應(yīng)用 [J].化工自動化及儀表，2011，38（5）：589-592.

[5]姜海軍，黃智，藺宏義.天然氣壓縮機防喘振控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].大氮肥，2014，37（5）：358-360.

[6]強明輝，孫樹鑫，張曉森.離心壓縮機防喘振智能控制系統(tǒng)研究[J].電氣自動化，2011，33（4）：12-15.

[7]黃志江.天然氣壓縮機振動故障及應(yīng)對措施研究[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（9）：92-92.

[8]鄭水成，董愛娜.離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計探討[J].石油化工自動化，2004（5）：16-17.

[9]郭剛.西氣東輸管線天然氣壓縮機組的運行管理探討[J].燃?xì)廨啓C技術(shù)，2006，19（3）：58-61.

Anti-surge Reconstruction ofNaturalGas Compressors Working in Series on Offshore OilPlatform

GAO Yanping
CNOOC Yacheng Operation Company，Shenzhen 518067，China

In order to further explore the potentialof gas reservoirs in the later phase development of offshore gas field，the natural gas compressors need to be connected in series to reduce the wellhead pressure.The rotor of the natural gas compressor needs to be upgraded.But after the natural gas compressor rotor is upgraded，the original 6 inch anti-surge valve cannot satisfy anti-surge control requirement.Therefore 8 inch recycle valve reconstruction not only possesses existing backflow control function，but also anti-surge control functions，thus solves the problem.The performance test shows that the reconstructed 8 inch recycle valve meets the requirement of anti-surge controlof the upgraded compressor rotor.

naturalgas compressor；working in series；anti-surge valve；recycle valve；reconstruction；offshore platform

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.017

高彥平（1979-），男，甘肅天水人，工程師，2005年畢業(yè)于西安石油大學(xué)自動化專業(yè)，從事海洋石油油氣田陸岸終端處理廠設(shè)備管理工作。Email：edwin.gao@cnooc.com.cn

2016-06-27