離心壓縮機啟機動態(tài)仿真與流程優(yōu)化

楊澤軍 朱海山 雷亞飛 靜玉曉 楊天宇 崔月紅 胡葦瑋

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028；2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 3. 中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

離心壓縮機是氣田開發(fā)的重要設施，該設備投資高、運行能耗大、維修時間長，因此保障離心壓縮機安全、穩(wěn)定運行是氣田生產的核心。然而，目前離心壓縮機的設計主要基于穩(wěn)態(tài)參數(shù)，針對啟、停等非穩(wěn)態(tài)工況進行適應性的研究較少，一般通過經驗和穩(wěn)態(tài)分析確定關鍵的非穩(wěn)態(tài)性能(啟機可靠性、回流能力等[1-3])。

動態(tài)仿真技術可用于展現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)工況中離心壓縮機組的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對工作點軌跡的瞬態(tài)分析，已廣泛應用于離心壓縮機工況分析中。Patel等[1]綜述了各工程階段中離心壓縮機動態(tài)仿真的應用案例，證明動態(tài)仿真技術可用于優(yōu)化離心壓縮機系統(tǒng)的設計、調試和改造；John等[4]、Hansen等[5]分別使用HYSYS Dynamic開展挪威海油氣平臺離心壓縮機組擴級改造和北海油氣平臺離心壓縮機組的動態(tài)研究，在對啟停、流量階躍和段塞流等工況開展動態(tài)分析的基礎上優(yōu)化其入口節(jié)流、回流和熱旁通系統(tǒng)的設計；熊飛[3]使用GASNET對乙烯冷凍離心壓縮機的跳閘和啟機進行動態(tài)解析，利用工作點運行軌跡判斷利用冷、熱旁通等控制措施避免喘振和阻塞工況的可行性；宋光 等[6]利用Aspen Plus對乙烯裂解氣離心壓縮機的開車過程進行動態(tài)模擬，通過工作點軌跡驗證了混合氣作為啟機氣源的可行性。

離心壓縮機順利啟機對油氣田流程設施的平穩(wěn)運行、天然氣穩(wěn)定外輸和減少事故工況火炬泄放具有重要意義。然而，由于啟機實操流程復雜且可供檢索數(shù)據(jù)較少，由實測數(shù)據(jù)校驗的啟機動態(tài)研究較少，對啟機過程的特點和啟機回流要求的分析并不深入。本文在對啟機過程進行動態(tài)模擬分析的基礎上，提出了采用防喘振閥開度控制和增設回流回路的方法降低啟機流量的啟機流程優(yōu)化方案，可為保障離心壓縮機安全穩(wěn)定運行提供參考。

1 離心壓縮機動態(tài)模型的搭建

基于某海上平臺C338EL單筒多級葉輪離心壓縮機組開展動態(tài)模擬。平臺設置3套離心壓縮機系統(tǒng)(2用1備)，額定排量5 089 m3/h，設計進出口壓力1 890～6 640 kPaA。目前氣田處于產氣高峰，外輸氣量23.32×104Sm3/h，外輸壓力5 850 kPaA；正常運行時，單臺離心壓縮機處理氣量11.66×104Sm3/h，入口壓力3 168 kPaA，出口壓力6 137 kPaA，轉速約8 560 r/min。

C338EL離心壓縮機性能曲線如圖1所示。性能曲線可直觀地展現(xiàn)離心壓縮機中轉速、流量和揚程的變化趨勢[1,7]，是動態(tài)分析的有效工具。圖1性能曲線左邊界是喘振線，流量低于喘振線可能引發(fā)氣流波動甚至逆流，造成葉片損壞[8-9]；右邊界是石墻線，流量高于石墻線葉輪流道內氣速極高(部分通流面會達到音速)，流動摩阻劇增，造成流道阻塞、筒體劇烈振動甚至疲勞損傷[1,3,8]。喘振線和石墻線之間是穩(wěn)定工作區(qū)，離心壓縮機動態(tài)仿真的目標即是保證工作點在穩(wěn)定工作區(qū)內[1,6,10]。由圖1可見，由于氣田產氣量大、壓縮機壓比較小，工作點偏向石墻線。

圖1 離心壓縮機性能曲線

基于現(xiàn)場離心壓縮機組，利用HYSYS Dynamic[11-12]搭建離心壓縮機動態(tài)模型，包括離心壓縮機、滌氣罐、冷卻器等設備，防喘振、轉速-功率、液位等控制回路[10]和閥門、配管等附屬設施如圖2所示。離心壓縮機組設備、管線、閥門均按現(xiàn)場實際參數(shù)建模，主要參數(shù)見表1。

由于啟機工況中平臺離心壓縮機上下游壓力基本恒定(為保障啟機氣量和壓力，平臺中控將通過調節(jié)油嘴開度維持生產分離器的壓力穩(wěn)定；同時海管憋壓致使下游壓力恒定)，動態(tài)模型進出口物流邊界選用壓力驅動[1,4,6,11]：進口壓力3 200 kPaA、氣相出口壓力6 135 kPaA。

圖2 離心壓縮機動態(tài)模擬示意圖

設備直徑/m長度/m入口滌氣罐2 1003 6出口滌氣罐1 5003 1離心壓縮機前配管0 35615 0離心壓縮機后配管0 35615 0防喘振閥0 102-

注：防喘振閥流通能力150。

2 啟機動態(tài)模擬分析

參考現(xiàn)場啟機流程[13]開展離心壓縮機啟機的動態(tài)模擬，并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析?，F(xiàn)場啟機采用如下流程：

1) 離心壓縮機盤車，閥門測試，吹掃充壓；

2) 驅動器點火，離心壓縮機轉速迅速拉升并穩(wěn)定于50% NPT(離心壓縮機透平端轉速比)；

3) 轉速手動提升至目標轉速71.3% NPT；

4) 離心壓縮機加載，關閉防喘振閥以減少回流量(以上游天然氣替代)，直至正常生產。

根據(jù)實操流程，簡化了盤車、測試等不影響工藝參數(shù)的輔助流程，同時為規(guī)避人為控制造成的參數(shù)波動，采用分段線性逼近的方式模擬離心壓縮機轉速和防喘振閥開度的變化。基于此，在HYSYS工況控制平臺Event Schedule中進行啟機編程，通過控制離心壓縮機轉速和閥門開度實現(xiàn)對啟機過程的動態(tài)模擬，提取壓力、流量的變化趨勢展現(xiàn)離心壓縮機的啟機過程，并由工作點運行軌跡判斷啟機過程的穩(wěn)定性。轉速和閥開度的模擬值與實測值對比如圖3所示。

圖3 離心壓縮機轉速和防喘振閥開度對比

離心壓縮機入口流量、入口壓力和出口壓力的模擬值與實測值對比如圖4所示。由圖4可知，入、出口壓力和入口流量在啟機過程中的變化趨勢基本一致，驗證了HYSYS離心壓縮機動態(tài)模型及模擬方法的可靠性。同時，基于動態(tài)仿真結果對啟機進行過程分析，可劃分為體系充壓、啟動、提速和加載等4個階段。

1) 充壓。啟機前離心壓縮機系統(tǒng)接近常壓，加載閥開啟后天然氣充入離心壓縮機筒體、滌氣罐、冷卻器和附屬管線，入、出口壓力同步提高至接近上游壓力，等待點火啟動。此過程離心壓縮機入口存在充壓流量，如圖4(600 s前)所示，最高可以達到4 900 Sm3/h。

圖4 離心壓縮機入口流量、入口壓力和出口壓力的模擬值

2) 啟動。為了快速越過臨界轉速區(qū)，驅動器點火后離心壓縮機轉速必須迅速拉升到50%NPT(6000r/min)。隨轉速提高，離心壓縮機吸入更多天然氣并增加對外輸出功，因此入口流量和出口壓力升高、入口壓力微降，達到怠機轉速后離心壓縮機恒定轉速運行，壓力、流量逐漸穩(wěn)定。

3) 提速。離心壓縮機進一步提高NPT到目標轉速，提速過程中入口流量和出口壓力繼續(xù)升高，入口壓力降低?，F(xiàn)場啟機中，為盡可能遠離喘振區(qū)，防喘振閥在充壓、啟動、怠機和提速階段通常保持全開，因此離心壓縮機入口大部分是回流流量，上游來氣量(即離心壓縮機體系入口流量)很少：高峰入口流量133 700 Sm3/h，此時回流量129 100 Sm3/h，上游來氣僅4 600 Sm3/h。啟機過程離心壓縮機入口流量、體系入口流量和回流量趨勢如圖5所示。

圖5 離心壓縮機啟機流量趨勢

4) 加載。達到目標轉速71.3 %NPT(8 560 r/min)后離心壓縮機進行加載：即由平臺動力人員根據(jù)現(xiàn)場實時狀況逐步關閉防喘振閥[2,13-14](約每秒鐘0.196 %)，在保證上游流量及時補充(生產分離器壓力穩(wěn)定)的條件下穩(wěn)步減少回流量。在流量更替中，入口總流量先下降而后趨于穩(wěn)定，入口壓力在波動中下降、最終穩(wěn)定；同時，流量降低使離心壓縮機能夠提供更高揚程，出口壓力升高超過海管壓力，沖開出口單向閥開始外輸。

由啟機過程工作點軌跡(圖6)可知，由于各階段功能不同，工作點軌跡存在明顯區(qū)別：啟動、怠速是啟機準備階段，此時離心壓縮機流量雖大幅提高、揚程增量卻較小，類似空載運行；提速中流量和揚程均有大幅提高；加載階段中上游流量替換回流流量，總流量逐步降低到穩(wěn)定工作點附近，在設計中需重點關注防喘振閥的控制性能，保證其逐步關閉的能力。

圖6 離心壓縮機啟機工作點軌跡

3 啟機流程優(yōu)化

通過分析啟機過程工作點軌跡可知，啟機過程中離心壓縮機入口流量較高，工作點已越過石墻線進入阻塞區(qū)。究其原因，在此離心壓縮機設計階段，為滿足緊急關停工況中的氣體回流量，防喘振閥選型相對較大，忽略了其對啟機過程的影響，由此產生啟機回流量超高的現(xiàn)象，導致現(xiàn)場啟機存在嚴重的摩阻損耗、筒體振動以及機械損傷的風險，因此須限制啟機過程的回流能力。

基于此，提出新增流通能力較小的啟機調節(jié)回路(方案A)和通過開度控制降低防喘振閥流通能力(方案B)2套優(yōu)化方案來限制啟機回流量，并根據(jù)實際處理氣量、進出口壓比開展啟機回流能力的動態(tài)研究。經模擬分析，啟機前期防喘振閥開度控制在73%或增設閥門流量系數(shù)為110的流量調節(jié)回路時，啟機過程較為平穩(wěn)、回流量較小。回流能力研究中離心壓縮機轉速參考現(xiàn)場實操流程，方案A、B的防喘振閥開度、啟機流量趨勢如圖7、8所示，工作點軌跡見圖9所示。

圖7 離心壓縮機轉速和防喘振閥開度趨勢

圖8 離心壓縮機啟動流量趨勢(方案A和方案B)

圖9 離心壓縮機優(yōu)化啟機工作點軌跡(方案A和方案B)

由圖9可知，優(yōu)化后的啟機過程中流量趨勢和工作點軌跡與現(xiàn)場啟機過程基本一致，均包括充壓、啟動、提速和加載階段，但其加載階段的高峰流量和流量波動明顯減小，A、B方案主要階段的流量見表2。由表2分析可知，2套啟機優(yōu)化方案均可有效解決啟機回流量高的問題，使工作點一直處于穩(wěn)定工作區(qū)內，避免了摩阻損耗高和離心壓縮機振動的問題，降低了啟機風險，使啟機過程更穩(wěn)定。綜合對比2套啟機優(yōu)化方案，考慮到離心壓縮機改造較為復雜，推薦通過開度控制的方法解決防喘振閥選型過大、工作點進入阻塞區(qū)的現(xiàn)場問題，啟機過程防喘振閥開度控制在73%以下即可滿足本機組工作點處于穩(wěn)定工作區(qū)內的離心壓縮機運行要求。

表2 離心壓縮機優(yōu)化后啟機過程流量對比(方案A和方案B)

4 結論與建議

1) 基于現(xiàn)場離心壓縮機組性能參數(shù)和實操流程模擬現(xiàn)場啟機過程，模擬流量、壓力等工藝參數(shù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本一致，驗證了利用HYSYS開展離心壓縮機動態(tài)模擬的準確性。

2) 離心壓縮機啟機包括體系充壓、點火啟動、提速和加載等4個階段，其中提速是流量和揚程提高的主要階段、加載是進行流量替換的階段，設計中需重點關注防喘振閥的開度控制性能。

3) 針對啟機工作點進入阻塞區(qū)的現(xiàn)場實際問題提出了采用防喘振閥開度控制和增設回流回路方法降低啟機流量的啟機流程優(yōu)化方案，并根據(jù)啟機回流能力的動態(tài)研究結果，推薦海上平臺C338EL機組采用防喘振閥開度控制優(yōu)化方案(73%開度)解決啟機回流量過高的問題；同時，建議在前期設計中充分分析防喘振閥流通能力對啟機過程的影響，依據(jù)動態(tài)分析結果提出可靠的防喘振閥組選型方案，規(guī)避啟機前期回流量過高的工況。

[1] PATEL V,FENG J,DASGUPTA S,et al.Application of dynamic simulation in the design,operation,and troubleshooting of compressor system[C]∥Proceedings of the Thirty-sixth Turbomachinery Symposium.College Station,Texas:Turbomachinery Laboratory,Texas A&M University,2007.

[2] BRUN K,NORED M.Application guideline for centrifugal compressor surge control systems[M].Dallas,Texas:Gas Machinery Research Council,2007.

[3] 熊飛．壓縮機非穩(wěn)定工況的動態(tài)解析[J]．化工設備與管道，2015(4)：53-58．

XIONG Fei.Dynamic analysis of unstable working condition of centrifugal compressor[J].Process Equipment & Piping,2015(4):53-58.

[4] JOHAN L,ROBERT M.Dynamic simulation of a centrifugal compressor system[D].Sweden:Chalmers University of Technology,2013.

[5] HANSEN C.Dynamic simulation of compressor control systems[D].Aalborg:Aalborg University,2008.

[6] SONG Guang,ZHAO Yongchen,ZHANG Shenfu,et al.Start-up process of crack gas compressors via dynamic simulation[J].CIESC Journal,2014,65(12):4839-4843.

[7] 郁永章,姜培正,孫嗣螢.壓縮機工程手冊[M].北京:中國石化出版社,2012.

[8] 汪慶桓．離心壓氣機的堵塞與喘振[J]．力學情報，1976,6(2)：10-32．

WANG Qinghuan.Clogging and surge of centrifugal compressor[J].Advances in Mechanics,1976,6(2):10-32.

[9] 宋智民．離心壓縮機喘振預測和控制研究[D]．大慶：大慶石油學院，2006．

SONG Zhimin.Surge forecast and control study of centrifugal compressor[D].Daqing:Daqing Petroleum Institute,2006.

[10] BERRY G,PATEL V,FENG J.Use of dynamic simulation in the design of ethylene plants[C]∥Proceedings of 2008 AIChE Spring National Meeting.New Orleans,USA:AIChE,2008.

[11] Aspen Technology,Inc.Aspen HYSYS dynamic modeling guide[M].Massachusetts,USA:Aspen Technology,Inc.,2005.

[12] 陸恩錫,張慧娟.化工過程模擬:原理與應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.

[13] 彭德厚.壓縮機操作工[M].北京:化學工業(yè)出版社,2014.

[14] 靳兆文.壓縮機運行維修實用技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2014.