離心式壓縮機出口堵塞工況的動態(tài)模擬

靜玉曉，朱海山，崔月紅，楊澤軍，楊天宇

(中海油研究總院 工程研究設計院，北京 100028)

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離心式壓縮機出口堵塞工況的動態(tài)模擬

靜玉曉，朱海山，崔月紅，楊澤軍，楊天宇

(中海油研究總院 工程研究設計院，北京 100028)

離心式壓縮機廣泛應用于海上油氣田開發(fā)，其設計、選型越來越倚重于動態(tài)模擬成果。采用HYSYS動態(tài)模擬技術，建立離心式壓縮機模型，從出口堵塞工況著手，分析其工作點、流量及出口壓力的變化特征，得到峰值壓力、平衡壓力與壓力高高報警值、高低壓管段容積等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，并獲取離心式壓縮機組的關閉壓力，對壓縮機系統(tǒng)管線的容積配置、出口管線設計壓力的選取、出口安全保護措施的設計和優(yōu)化等提出了建議。為離心壓縮機的工藝設計優(yōu)化提供參考。

離心式壓縮機；出口堵塞；HYSYS軟件；動態(tài)模擬；峰值壓力

0 引言

在石油石化行業(yè)中，壓縮機是天然氣處理的關鍵設備，而離心式壓縮機[1]具有結構緊湊、重量輕和機組尺寸小等優(yōu)點，在海上大中型氣田的開發(fā)過程中更為多見，其動力特征變化迅速[2]，一旦運行不穩(wěn)，極易出現(xiàn)喘振、關斷和泄放等事故，在設計階段需考慮各種復雜工況，保證壓縮機穩(wěn)定運行并盡可能減少事故放空，其中緊急關斷事故對壓縮機的沖擊最大，其發(fā)生原因通常包括壓縮機組壓力、溫度異?；蛉剂蠚庀到y(tǒng)異常等，如壓縮機出口堵塞導致壓力高高，引發(fā)關停高壓報警。

以往在離心式壓縮機的設計、選型中，所用參數(shù)通?；诜€(wěn)態(tài)模擬，這也是目前國內(nèi)的常見做法。國外知名廠商及設計公司等已普遍引入動態(tài)模擬技術，對離心式壓縮機的啟停、關斷等過程進行全面分析，以確定合理的控制流程和邏輯參數(shù)。由于引入了時間變量，其分析數(shù)據(jù)更加貼近生產(chǎn)實際，分析的重點多在于壓縮機體系的防喘振措施優(yōu)化[3-6]，對出口堵塞觸發(fā)關停這一工況較少提及，國內(nèi)對此的相關研究和應用報道亦較為少見。因此，本文采用動態(tài)模擬技術，研究離心式壓縮機出口堵塞工況，分析其動態(tài)特性，以優(yōu)化工藝設計參數(shù)。

1 動態(tài)模型建立

在眾多動態(tài)模擬軟件中，Aspen Tech公司推出的HYSYS Dynamics軟件[7]功能強大、能繼承穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬、通用性較好，故本文選用該軟件進行動態(tài)建模及分析。

1.1 建?；A

圖1為南海某海上中心處理平臺壓縮機系統(tǒng)動態(tài)建模的流程示意，來料天然氣經(jīng)入口滌氣罐除液后，由壓縮機增壓后進入后冷器，然后進入后續(xù)處理流程，流程設有防喘振控制回路，壓縮機出口設置壓力開關，壓力高高信號會觸發(fā)整個壓縮機系統(tǒng)關停。

圖1 壓縮機系統(tǒng)流程示意圖

壓縮機實際運行參數(shù)如下：入口溫度35 ℃，入口壓力3 643 kPaA，出口壓力5 300 kPaA，流量300 000 Sm3/h，冷卻器出口溫度40 ℃，壓縮機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量約為97 kg·m2，機組進出口管線分別為20英寸(1英寸=0.025 4 m)和18英寸，模型中涉及的主要設備還有入口滌氣罐和后冷卻器，入口滌氣罐為立式，尺寸為2 000 mm(內(nèi)徑)×6 000 mm(筒體長度)，壓縮機后冷卻器及相應管線的容積約為7.5 m3。

天然氣組分為現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，摩爾質(zhì)量為28.58 g/mol，以甲烷為主(摩爾含量約53%)，CO2含量較高(摩爾含量約33%)。

1.2 模型介紹

圖2為采用HYSYS Dynamics建立的壓縮機動態(tài)模型，進出口均采用壓力邊界，其中入口邊界壓力為4 000 kPaA，氣相出口邊界壓力為5 100 kPaA。液相出口邊界設為150 kPaA。入口流量通過流量調(diào)節(jié)閥FV控制，確保入口流量在期望范圍內(nèi)，壓縮機入口滌氣罐的液位通過液位調(diào)節(jié)閥LV控制，后冷卻器采用出口溫度控制方法，離心壓縮機的控制采用串級控制，即通過輸入功率的變化控制壓縮機的轉(zhuǎn)速，進而控制壓縮機入口滌氣罐的壓力。在系統(tǒng)進口、氣相出口、液相出口分別設有關斷閥(Shut Down Valve，SDV)，同時在氣相出口處設有壓力安全閥(Pressure Safety Valve，PSV)，閥門下游采用壓力邊界，設為150 kPaA。

圖2 HYSYS Dynamics中的壓縮機動態(tài)模型

利用HYSYS軟件中EVENT SCHEDULE功能，通過“觸發(fā)條件”和“執(zhí)行動作”的組合，實現(xiàn)緊急關斷(Emergency Shut Down，ESD)控制邏輯，模擬壓縮機出口管線堵塞情景，即出口閥門突然意外關閉，壓縮機出口管線壓力將快速升高，達到壓力高高設定點時，將觸發(fā)壓縮機系統(tǒng)關停系列動作：切斷壓縮機動力輸入、打開防喘振閥門、關閉系統(tǒng)進出口閥門，此后壓縮機轉(zhuǎn)子將依靠慣性緩慢停止轉(zhuǎn)動。在該控制邏輯中，壓縮機出口閥門的關閉方式為瞬間關閉，以模擬堵塞工況，壓縮機出口壓力高高報警值為5 500 kPaA，設置壓縮機入口SDV的關閉速率為5%/s，防喘振閥門的開關速率為50%/s，防喘振控制線比例為13%。

2 動態(tài)模擬結果分析

2.1 工作點及流量變化曲線

圖3為出口堵塞導致壓縮機關停時其工作點的變化曲線，可以看到曲線呈“S”型，工作點首先快速向左側喘振區(qū)移動，然后在靠近喘振線之前存在較尖銳的拐點，緊接著在壓縮機工作區(qū)間右側邊緣附近出現(xiàn)較平緩的拐點，最后緩慢歸0。在工作點變化曲線的初期，因為進口切斷閥關閉，壓縮機入口流量迅速減少；而后防喘振閥門的開啟導致出現(xiàn)第1個拐點，此時系統(tǒng)產(chǎn)生大量回流，將工作點拉回正常區(qū)間；隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的降低，系統(tǒng)內(nèi)的壓差逐漸變小，此時出現(xiàn)第2個拐點，流量最終趨于0。以上特征說明模型中選取的防喘振參數(shù)是合理的，可以有效避免壓縮機在停機過程中進入喘振區(qū)。

圖3 壓縮機工作點變化曲線

圖4是壓縮機在出口堵塞關停過程中的流量變化曲線，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)各流量的耦合特征。4條曲線分別代表壓縮機入口流量、滌氣罐入口流量、上游來流量和防喘振回流量，對應圖2中的物流08，04，02和20。開始時刻，防喘振回流量為0，其余3股物流的流量基本一致；隨后壓縮機關停且入口閥門關斷，上游來流量迅速減少，防喘振回流量急劇增大，二者的交叉耦合導致滌氣罐入口即04號物流的流量呈現(xiàn)“先增大后減小”的倒“U”型特征，當上游來流量降低為0后，滌氣罐入口流量即等于防喘振回流量。在這個過程中，壓縮機入口流量并沒有與滌氣罐入口流量同步變化，而是先降低后升高，即有一定滯后性，原因在于二者之間的滌氣罐存在較大容積，當入口閥門關閉后，壓縮機轉(zhuǎn)子因慣性并不會立即停止，仍存在較強的抽吸現(xiàn)象，防喘振回流需要先補充這部分缺口，然后才會提升壓縮機的入口流量；最后隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的進一步降低，壓縮機入口流量、滌氣罐入口流量和防喘振回流量3條曲線逐漸匯合到一起，并緩慢降低，對應了圖3中第2個拐點之后的變化過程。

圖4 壓縮機流量變化曲線

2.2 壓力/轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

圖5為出口堵塞導致壓縮機關停過程中的壓力和轉(zhuǎn)速曲線，可以看出：當出口壓力達到高高報警值5 500 kPaA時，壓縮機的轉(zhuǎn)速開始降低，這表明壓力信號觸發(fā)了壓縮機系統(tǒng)的關停動作，但是此后出口壓力仍繼續(xù)升高，最終達到峰值5 841 kPaA，然后才呈下降趨勢；在壓縮機轉(zhuǎn)速下降的同時，其入口壓力的升高呈先快后慢趨勢，最終與出口壓力匯合到一起，約為4 400 kPaA，這意味著壓縮機體系內(nèi)進口低壓段和出口高壓段的氣體達到均衡狀態(tài)。在工藝設計中，該壓力可作為壓縮機入口設備設計壓力的參考值。

圖5 壓縮機壓力和轉(zhuǎn)速曲線(出口堵塞觸發(fā)關停)

式中：T為溫度；n為物質(zhì)的量；P為系統(tǒng)壓力；Z為壓縮因子；V為體積；R為氣體常數(shù)，取8.31 J/(mol·K)；下標1～j為壓縮機體系中的不同部分；s為停機穩(wěn)定狀態(tài)。

模型穩(wěn)定后，各節(jié)點的參數(shù)見表1，其中物質(zhì)的量n通過氣體狀態(tài)方程pV=nZRT計算得出。

表1 壓縮機模型中各設備及管段參數(shù)匯總

通過式(1)可以算出，壓縮機正常關停后，體系內(nèi)的穩(wěn)定壓力約為4 065 kPaA，小于模擬值，這是因為模擬中壓縮機關停是由出口壓力高高觸發(fā)的，關停瞬間出口管段內(nèi)的壓力高于正常操作壓力，因此若運用公式計算壓縮機關停參數(shù)，建議采用壓力高高工況下的參數(shù)。

此外，本文研究了另外一種極端工況，即壓縮機出口出現(xiàn)堵塞時不觸發(fā)任何動作時的運轉(zhuǎn)特性。該工況下的壓縮機壓力和轉(zhuǎn)速特性曲線如圖6所示，可以看出：壓縮機進出口壓力及轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)了不同程度的升高。入口壓力升高，一是因為防喘振回路開啟，高壓氣體回流，二是因為入口閥門處流量幾乎為0，閥門前后壓力趨于一致；而壓縮機轉(zhuǎn)速及出口壓力均是先快速升高后平緩達到穩(wěn)定值，穩(wěn)定壓力約為7477 kPaA，即離心壓縮機出口堵塞后，在不停機的情況下，出口壓力存在一個限值，稱為關閉壓力，該值應與壓縮機的特性曲線即自身特性有關。

圖6 壓縮機壓力和轉(zhuǎn)速曲線(出口堵塞無動作)

2.3 壓力安全閥泄放

在工藝設計中，壓縮機出口管線設計壓力的取值和是否需要設置壓力安全閥均與壓縮機關閉壓力有關，若設壓力安全閥，其設定壓力一般小于等于管線的設計壓力。圖7為壓力安全閥設定壓力6 000 kPaA情況下，出口堵塞導致超壓泄放時，各標準安全閥孔板系列對應的閥前壓力，從M系列到R系列，孔板尺寸逐級增大。由圖7可以看出：隨著孔板尺寸的不斷減小，發(fā)生超壓泄放時的閥前壓力不斷增高，甚至超過了堵塞工況安全閥的最大允許積聚壓力，即設定壓力的1.1倍，說明該安全閥尺寸偏小，由此可輔助進行壓力安全閥的選型，對于本模型來說，建議選擇大于Q系列的孔板型號。

圖7 不同安全閥泄放時對應的閥前壓力

圖8為堵塞工況下，選用同樣安全閥孔板尺寸時，不同設定壓力對應的泄放量隨時間的變化曲線，可以看出：隨著設定壓力的升高，安全閥的開啟時間延后，且峰值泄放量不斷降低，在設計中，若壓縮機出口管線配置壓力安全閥，可在同等磅級范圍內(nèi)盡量提高安全閥的設定值，以期降低泄放系統(tǒng)的設計規(guī)模；當安全閥設定壓力提高至7 500 kPaA后，管線設計壓力已超過壓縮機的關閉壓力，即使出口堵塞而壓縮機未停止運行，安全閥也不會起跳，因此可以取消安全閥；當設定值為7 000 kPaA時，泄放量曲線存在一段較尖銳的階躍，這表明安全閥在短時間內(nèi)完成了數(shù)次開啟、回座過程，即“頻跳”，建議在設計中盡量避免這種現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 安全閥不同設定值對應的泄放量

2.4 敏感性分析

2.4.1 管線容積

圖9為壓縮機配置不同的高低壓段容積時，出現(xiàn)堵塞關停工況后的峰值壓力和平衡壓力，可以看出：隨著高壓段容積的增加，壓縮機停機過程中的峰值壓力逐漸降低，但是降幅不大，而停機后的系統(tǒng)平衡壓力呈上升趨勢，這表明增加的高壓段容積可以提供一定的壓力緩沖空間，但反過來也會成為壓力源，導致平衡壓力升高。

圖9 管線容積對壓縮機系統(tǒng)壓力的影響

2.4.2 壓力高高報警點

圖10為壓縮機設置不同的出口壓力高高報警值時，出現(xiàn)堵塞關停工況后的峰值壓力和平衡壓力，可以看出：隨著壓力高高報警設定點的升高，壓縮機停機過程中的峰值壓力有較小幅度的升高，與高高報警壓力的差值減小，而系統(tǒng)內(nèi)的停機平衡壓力變化不大。可以預見，隨著壓力高高報警值的逐步升高，關停過程中出現(xiàn)的峰值壓力將無限逼近關閉壓力。

圖10 壓力高高報警點對壓縮機系統(tǒng)壓力的影響

3 結論

本文對離心壓縮機的出口堵塞工況進行了動態(tài)模擬，獲取該工況下的峰值壓力、平衡壓力和關閉壓力，得到以下結論：

(1) 離心式壓縮機高低壓段管線容積比例對壓縮機平衡壓力影響較大，該比例宜控制在0.5左右；

(2) 在同一磅級范圍內(nèi)，可適當提高壓縮機出口管線的設計壓力，從而降低泄放系統(tǒng)的設計規(guī)模；

(3) 離心式壓縮機出口壓力高高設定值對壓縮機峰值壓力和平衡壓力的影響均較小，在設計中宜結合設計壓力和關閉壓力綜合選??；

(4) 若離心式壓縮機出口壓力安全閥設定值選取不當會出現(xiàn)頻跳現(xiàn)象，設計中應極力避免。

本文的研究結果對壓縮機系統(tǒng)管線的配置、出口管線設計壓力的選取、出口安全保護措施的設計優(yōu)化等均有較好的指導意義。

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Dynamic Simulation of Centrifugal Compressor in Case of Outlet Blockage

JING Yuxiao，ZHU Haishan，CUI Yuehong，YANG Zejun，YANG Tianyu

(Engineering Research & Design Department,CNOOC Research Institute, Beijing 100028，China)

Centrifugal compressor is widely used in the offshore oil and gas field development,while its dynamic simulation result is applied more and more frequently.With the HYSYS simulation technology,the centrifugal compressor dynamic model is built.The variation characteristics of operating point,flowrate and the outlet pressure are analyzed on the basic of outlet blockage case.The internal relations among the peak pressure,settle-out pressure,high high alarm pressure and pipe section volume is discussed.The shutoff pressure of centrifugal compressor is obtained by dynamic model.Some suggestion is proposed for the configuration of compressor pipeline system,selection of outlet pipeline design pressure and design of protection measures.It provides reference for technological design optimization of centrifugal compressor.

centrifugal compressor; outlet blockage; HYSYS software; dynamic simulation; peak pressure

2016-07-12

靜玉曉(1985-)，男，工程師

1001-4500(2017)03-0093-08

TE866

B