天然氣壓氣站離心壓縮機開車過程動態(tài)模擬

孔令偉

中國寰球工程有限公司北京分公司，北京100012

我國已建成并在不斷建設(shè)的大型天然氣輸氣管道工程（如西氣東輸工程），其壓氣站主要使用離心式壓縮機[1]。與其他類型的壓縮機相比，離心壓縮機具有單機容量大、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在油氣儲運工程中有著廣泛的應(yīng)用，但這類壓縮機存在著特殊的缺點即喘振現(xiàn)象。

喘振的發(fā)生使氣體流量和參數(shù)大幅變化，壓縮機性能惡化，并極大加劇機組的振動，進而使壓縮機的轉(zhuǎn)子甚至定子損壞，造成輸送氣體外泄，甚至引起爆炸等惡性事故[2-5]。因此，優(yōu)化離心壓縮機工藝系統(tǒng)的設(shè)計以保證其安全穩(wěn)定運行是天然氣輸送，特別是大型天然氣管道壓氣站工程設(shè)計的重點和難點。

HYSYS Dynamics 可用于模擬分析并指導(dǎo)原油及天然氣生產(chǎn)及儲運系統(tǒng)的運行，反映實際生產(chǎn)中溫度、壓力、流量、產(chǎn)品組成等干擾因素隨時間響應(yīng)變化的過程，指導(dǎo)生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運行及正常操作[6-9]。以往壓縮機的設(shè)計、選型中，選用參數(shù)通?；诜€(wěn)態(tài)模擬。當(dāng)前，國內(nèi)外研究機構(gòu)和工程公司等已普遍引入動態(tài)模擬技術(shù)[5-12]，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。Liedmin等[13]使用HYSYS Dynamic 對挪威壓縮機改造項目進行深入分析，建立油氣平臺動態(tài)模型，研究了關(guān)機、開機和階躍變化三種動態(tài)案例。Jiang 等[14]搭建壓縮機的動態(tài)模型，用于模擬測試壓縮機的動態(tài)性能，通過復(fù)雜接口對壓縮機的動態(tài)性能進行評價。Hansen 等[15]對新建離心壓縮機項目進行動態(tài)模擬分析，建立了串、并聯(lián)的壓縮機模型，研究了入口氣量減少、入口流量段塞式波動、防喘閥開度等變化情況，討論了負荷分配策略，但并未研究壓縮機的開停車工況。迄今為止，未發(fā)現(xiàn)針對并聯(lián)壓縮機開、停車工況的動態(tài)模擬研究。

目前，國內(nèi)大型天然氣壓氣站的壓縮機配置基本為兩開一備，并聯(lián)運行。由于兩臺壓縮機啟動、運行時互相影響，并聯(lián)運行的壓縮機運行狀況更為復(fù)雜，總的輸氣量并非是兩臺同樣規(guī)模的壓縮機單獨運行時輸送量的簡單累加求和。不論是開車工況還是停車工況，兩臺壓縮機并聯(lián)運行的情況都要比單臺壓縮機運行更為復(fù)雜。

本文以國內(nèi)某天然氣壓氣站壓縮機系統(tǒng)為例，采用HYSYS Dynamic 軟件動態(tài)模擬技術(shù)研究兩臺并聯(lián)壓縮機開車工況，分析其動態(tài)特性，研究其工作點變化曲線以及壓縮機流量、進出口壓力、功率、轉(zhuǎn)速隨時間的變化趨勢，以驗證壓縮機防喘振系統(tǒng)的合理性。

1 模擬基礎(chǔ)

以西氣東輸某壓氣站燃氣壓縮機系統(tǒng)為建模基礎(chǔ)，壓縮機配置為兩開一備，備用壓縮機正常處于停機狀態(tài)，因此模擬流程僅包含兩臺運行壓縮機，設(shè)計轉(zhuǎn)速為4 489 r/min。壓縮機性能曲線如圖1 所示。

圖1 壓縮機性能曲線

天然氣進站壓力最低工況7.3 MPa，出站壓力11.8 MPa。天然氣組成如表1 所示。

上游一級站場來氣首先分為5 路平行經(jīng)過5 列并聯(lián)的旋風(fēng)分離器及過濾分離器后進入?yún)R管，之后進入兩臺壓縮機入口。為簡化模擬流程，5 列并聯(lián)的分離器組簡化為一列，總?cè)莘e相等。

表1 天然氣組成

每臺壓縮機出口均設(shè)置單獨的防喘控制閥，回流天然氣經(jīng)防喘控制閥后匯合，再經(jīng)回流主管返回旋風(fēng)分離器入口以彌補上游氣體供應(yīng)不足，從而形成壓縮機系統(tǒng)的防喘回路。

此外，作為壓縮機防喘系統(tǒng)的一部分，每臺壓縮機需考慮設(shè)置熱旁通，目的是為了避免防喘閥動作不及時或流通能力不足而導(dǎo)致壓縮機發(fā)生喘振。熱旁通設(shè)置與否，無法根據(jù)穩(wěn)態(tài)計算得出結(jié)論，而必須通過壓縮機動態(tài)模擬才能進行判斷。

本文中防喘振閥門的特性如表2 所示，壓縮機動態(tài)模型擬流程見圖2。

表2 防喘閥參數(shù)

2 開車過程動態(tài)模擬

導(dǎo)致壓縮機發(fā)生喘振的因素很多，如壓縮機入口的組分、介質(zhì)、流量、壓力等工藝參數(shù)的變化，進出口管路的布置、容積等。本文中管道尺寸、長度按實際情況確定。

采用HYSYS Dynamics 中的壓縮機、管段、分離器等模塊建立模型，利用趨勢圖研究壓縮機開車過程中管道內(nèi)流量、壓力以及壓縮機轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的動態(tài)變化趨勢。壓縮機啟動控制方式為比例積分（PI） 控制。并聯(lián)壓縮機的開車過程為：先啟動第一臺壓縮機，第一臺壓縮機穩(wěn)定運行后再啟動第二臺壓縮機。

2.1 首臺壓縮機開車過程動態(tài)模擬

圖2 動態(tài)模擬流程

工況一，單機啟動。啟動并聯(lián)壓縮機中的一臺壓縮機，壓縮機的啟動開始時間設(shè)定在60 s。根據(jù)壓縮機的一般開車程序，先打開防喘閥，再啟動壓縮機。此時，防喘閥開度設(shè)定不能過大，否則會導(dǎo)致壓縮機流量過高，工作點越過石墻線進入阻塞區(qū)。究其原因，在離心壓縮機設(shè)計階段，為滿足緊急關(guān)停工況中的氣體回流量，防喘振閥選型相對較大，忽視了其對啟機過程的影響，由此產(chǎn)生啟機回流量超高的現(xiàn)象，導(dǎo)致啟機存在嚴重的摩阻損耗、筒體振動以及機械損傷的風(fēng)險，因此須限制啟機過程的回流能力[16]，本文即屬于此種情況。經(jīng)多次調(diào)試，以本文中所設(shè)定的條件，防喘閥的開度設(shè)為55%時啟機，過程相對較為平穩(wěn)。

首臺壓縮機啟機工作點軌跡見圖3，相關(guān)工藝參數(shù)變化趨勢見圖4。

圖3 首臺壓縮機啟機工作點軌跡

圖4 首臺壓縮機啟機過程工藝參數(shù)變化趨勢

從圖3 中可以看出，壓縮機的啟動工作點軌跡存在一處拐點，此處為防喘閥由手動固定開度轉(zhuǎn)為自動控制的時間點。在此點之前，工作點軌跡曲線較為平滑，此階段相當(dāng)于壓縮機的啟動、怠速階段，此時壓縮機的流量雖大幅提高，揚程增量卻較?。惶崴僦袚P程則大幅提高；加載階段即壓縮機出口閥門打開的時間段，則波動較小。從圖4 中可以看出，雖然壓縮機的功率、轉(zhuǎn)速都很穩(wěn)定，但由于受其管路系統(tǒng)及控制參數(shù)的影響，流量會有較大的波動。此外，從圖4 中還可以看出，壓縮機入口壓力波動很小，考慮其原因是壓縮機入口的設(shè)備及管道容積較大，有足夠的緩沖空間，防喘振線的尺寸設(shè)置也能滿足要求。最后，從壓縮機完整啟動過程來看，防喘振閥門的響應(yīng)速度及流通能力完全可以滿足要求，無需再設(shè)置熱旁通。

2.2 第二臺壓縮機開車過程動態(tài)模擬

有時下游不要求過高流量，只開一臺壓縮機也能滿足要求，即系統(tǒng)處于低負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，從設(shè)計角度看，上述單獨一臺壓縮機啟動、運轉(zhuǎn)可作為一個特殊工況看待。本文重點討論的正常工況是：兩臺壓縮機同時工作、并聯(lián)運行的啟動過程，尤其是第二臺壓縮機的啟動過程。在首臺壓縮機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，啟動第二臺壓縮機。第二臺壓縮機開車程序與首臺壓縮機相同，先打開防喘閥，再啟動壓縮機。此處需要說明的是，為了防止壓縮機出口氣體回流并降低兩臺壓縮機之間的互相影響，實際設(shè)計當(dāng)中每臺壓縮機出口都會設(shè)置止回閥。在模型當(dāng)中，防喘振閥需設(shè)置止回閥功能。第二臺壓縮機防喘閥開度同樣設(shè)為55%，壓縮機啟機工作點軌跡見圖5，相關(guān)工藝參數(shù)變化趨勢見圖6。

圖5 第二臺壓縮機啟機工作點軌跡

從圖5 及圖6 中可以看出，相對于首臺壓縮機的啟動過程，在啟動、怠速階段，壓縮機的流量波動很大，這主要是由于壓縮機進出口的壓差較大，同時由于第二臺壓縮機開始啟動，系統(tǒng)總流量增加，壓縮機出口匯管及回流總管的流體力學(xué)狀態(tài)不斷發(fā)生改變，此時比較容易發(fā)生喘振，必要時需要對壓縮機的PI 參數(shù)進行微調(diào)。首臺壓縮機啟動20 s后，轉(zhuǎn)速已經(jīng)提升到4 000 r/min 以上，但是第二臺壓縮機提速較慢，啟動20 s 時，轉(zhuǎn)速僅提升到接近2 500 r/min。第二臺壓縮機功率提高較慢，啟動20 s 時，功率不足5 000 kW，而首臺壓縮機啟動20 s 后，功率已經(jīng)提升到接近15 000 kW。壓縮機進出口壓力波動均很小，第二臺壓縮機的啟動對壓縮機出口總管線的壓力幾乎沒有影響。從第二臺壓縮機啟動過程看，防喘振閥門的響應(yīng)速度及流通能力完全可以滿足要求，不需設(shè)置熱旁通。

圖6 第二臺壓縮機啟動過程工藝參數(shù)變化趨勢

3 結(jié)論

本文采用HYSYS Dynamic 流程模擬軟件，建立并聯(lián)離心壓縮機系統(tǒng)動態(tài)模型，研究單臺壓縮機啟動過程以及并聯(lián)第二臺壓縮機啟動過程中工藝參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)過程，以判斷整個防喘振系統(tǒng)的性能，其結(jié)論如下：

（1） 首臺壓縮機對隨后啟動的第二臺壓縮機在啟動、怠速階段的影響較大，會造成較大波動，此時易發(fā)生喘振，需要引起重視，模擬過程及實際開車過程中，可能需要對壓縮機控制的PI 參數(shù)進行微調(diào)。

（2） 通過動態(tài)模擬分析，可知本文中給定的防喘閥CV 值足夠大，甚至在全開的情況下會導(dǎo)致流量過大，壓縮機過載，必須進行限位。

（3） 首臺壓縮機對隨后啟動的壓縮機的影響還體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速、功率的提升速度上，而對壓力的影響很小。

（4） 本文的防喘振系統(tǒng)的響應(yīng)時間及流通能力均滿足壓縮機的控制要求，無需設(shè)置熱旁通。

（5） 通過單機啟動、并聯(lián)雙機順序啟動的動態(tài)過程模擬分析，驗證了本文的壓縮機防喘振系統(tǒng)的合理性。同時，也可為天然氣壓氣站工程設(shè)計及現(xiàn)場開車過程提供參考。