壓氣站循環(huán)溫升工況模擬及分析

張雙蕾 楊文川 高 興 陳 鳳

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

離心式壓縮機(jī)是天然氣長輸管道中廣泛應(yīng)用的增壓設(shè)備[1-3],從工作原理上而言屬于動力型(透平)壓縮機(jī),是靠高速旋轉(zhuǎn)葉輪的作用,提高氣體的速度和壓力,隨后在固定元件中使一部分速度能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能[4-5]。由于壓縮機(jī)增壓后天然氣溫度較高,為防止因進(jìn)入管道的天然氣溫度過高而影響管道輸氣效率及防腐層使用壽命,通常壓氣站內(nèi)都會在壓縮機(jī)下游設(shè)置空冷器以降低管道輸送溫度[6-8]。但在一些特殊工況下,增壓后的天然氣可能部分或全部未得到及時冷卻,且在站內(nèi)管道中反復(fù)循環(huán)增壓,導(dǎo)致天然氣溫度持續(xù)上升。因此,通過對典型循環(huán)溫升工況進(jìn)行模擬和分析,可以在設(shè)計(jì)中提出有針對性的意見和建議,保護(hù)壓縮機(jī)和壓氣站管道系統(tǒng)[9-12]。

1 空冷器布置方式的影響

在天然氣長輸管道壓氣站中,工藝空冷器設(shè)置通常有集中后空冷和單機(jī)后空冷[13-15]兩種方案。

1.1 集中后空冷

空冷器位于多臺壓縮機(jī)出口匯管的下游,增壓后的天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)出口匯管匯集,然后經(jīng)過集中空冷器統(tǒng)一冷卻后輸往下游。集中后空冷的工藝流程見圖1。

圖1 集中后空冷方案壓縮機(jī)區(qū)典型工藝流程示意圖

1.2 單機(jī)后空冷

空冷器位于每臺壓縮機(jī)出口處,增壓后的天然氣被各空冷器分別冷卻后再匯合,然后輸往下游。單機(jī)后空冷工藝流程見圖2。

圖2 單機(jī)后空冷方案壓縮機(jī)區(qū)典型工藝流程示意圖

由于在離心式壓縮機(jī)正常啟機(jī)過程中,需要將壓縮機(jī)出口氣體通過防喘閥循環(huán)打入壓縮機(jī)進(jìn)口管線,壓縮機(jī)一直在對循環(huán)的天然氣做功,對于采用集中后空冷的布置方式,這部分循環(huán)氣體將無法經(jīng)過空冷器冷卻,最終機(jī)械動能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能和壓力能,造成了壓縮機(jī)出口天然氣溫度的快速持續(xù)上升。該循環(huán)溫升工況將一直持續(xù)到壓縮機(jī)出口壓力上升至一定數(shù)值使出口止回閥打開,防喘閥自動關(guān)閉,此時增壓后的天然氣正常輸送,經(jīng)過集中空冷器冷卻后輸往下游。由于啟機(jī)過程的循環(huán)溫升工況相較其他工況(停車工況或機(jī)組現(xiàn)場測試的部分工況)而言更為惡劣,因此將其作為典型循環(huán)溫升工況進(jìn)行模擬研究。

2 典型循環(huán)溫升工況模擬與分析

2.1 輸入條件

以集中后空冷布置方式的離心壓縮機(jī)啟機(jī)工況作為典型循環(huán)溫升工況進(jìn)行分析,需要輸入的參數(shù)如下:

1)氣質(zhì)組分。

2)研究的管道系統(tǒng)各管段的管徑、長度、內(nèi)壁粗糙度。

3)啟機(jī)時,壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、溫度,出站壓力。

4)各動作閥門的Cv值,以及開關(guān)速度和開關(guān)特性曲線。

5)壓縮機(jī)性能曲線參數(shù)(含喘振線、防喘控制線和阻塞線)。

6)啟機(jī)過程壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線。

選用的機(jī)組不同,壓縮機(jī)性能曲線和驅(qū)動機(jī)啟動轉(zhuǎn)速變化參數(shù)也不同,這些參數(shù)通常由廠商提供,在模擬時需要根據(jù)工程實(shí)際選用的機(jī)組,采用工廠測試修正后的性能曲線,錄入?yún)?shù)[16]。

另外,對于不同的驅(qū)動方式和驅(qū)動機(jī)組,配套不同的壓縮機(jī),啟機(jī)過程壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化曲線也有所不同。對于電驅(qū)壓縮機(jī)組,啟機(jī)過程中機(jī)組轉(zhuǎn)速可以從0線性提升至需要的轉(zhuǎn)速(提升速度受電機(jī)扭矩限制),即“轉(zhuǎn)速-時間”曲線近似為一條具有一定斜率的直線。通常在啟機(jī)時,電驅(qū)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由0上升至最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速所需的時間在1.5～3 min左右。燃驅(qū)壓縮機(jī)組的“轉(zhuǎn)速-時間”曲線類似于臺階上升曲線,且啟機(jī)時間稍長,一般在6～9 min左右。對于不同的機(jī)組,具體啟機(jī)過程的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線需要廠商提供。在模擬時應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際選用的壓縮機(jī)組,按照對應(yīng)的啟機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線控制轉(zhuǎn)速。

2.2 模擬軟件選用

在啟機(jī)過程中,天然氣的流動為動態(tài)變化過程。為保證循環(huán)溫升計(jì)算的可靠性,應(yīng)根據(jù)管道和設(shè)備的實(shí)際情況(如管徑、長度、工藝運(yùn)行參數(shù)、壓縮機(jī)性能曲線、轉(zhuǎn)速-時間變化參數(shù)等)應(yīng)用相應(yīng)的非穩(wěn)態(tài)流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行瞬態(tài)模擬與分析,得出最接近于工程實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。為保證計(jì)算精度并簡化分析過程,可采用成熟商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算分析。本文選用ASPEN HYSYS軟件進(jìn)行建模分析[17-19]。

2.3 工況模擬與分析

2.3.1 模型建立

以某工程為例,該工程采用3+1臺25 MW等級燃驅(qū)壓縮機(jī)組,管道設(shè)計(jì)壓力12 MPa,設(shè)計(jì)輸量為300×108m3/a。由于機(jī)組A距離壓縮機(jī)上游計(jì)量裝置區(qū)出口匯管最近,由防喘管線回流的熱氣與未增壓前的冷氣混合后,經(jīng)過的管容最小,循環(huán)溫升情況最惡劣。因此,在模擬單機(jī)啟機(jī)工況時,選取機(jī)組A及對應(yīng)的進(jìn)出口管路系統(tǒng)作為模擬對象,見圖3。

圖3 ASPEN HYSYS建模選取機(jī)組及建模范圍示意圖

根據(jù)單機(jī)流程圖建立對應(yīng)的ASPEN HYSYS動態(tài)計(jì)算模型,見圖4。

圖4 典型循環(huán)溫升工況ASPEN HYSYS模型圖

2.3.2 工況模擬

在典型循環(huán)溫升工況的動態(tài)模擬中,壓縮機(jī)啟機(jī)轉(zhuǎn)速變化參數(shù)至關(guān)重要。某25 MW等級燃驅(qū)壓縮機(jī)組的啟動過程轉(zhuǎn)速變化曲線見圖5。燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火后壓縮機(jī)在0～50 s期間,轉(zhuǎn)速由0線性增大到2 000 r/min(怠速),之后壓縮機(jī)維持該怠速狀態(tài)一直到360 s,隨后壓縮機(jī)在360～410 s期間,轉(zhuǎn)速由2 000 r/min線性增大到4 255 r/min(最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速)；即壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由0增加到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速共經(jīng)歷410 s(6.83 min)。在此期間防喘閥為手動全開。此后,防喘閥由手動控制切換為自動控制,然后根據(jù)天然氣輸送要求增加轉(zhuǎn)速。當(dāng)進(jìn)行24 h機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試時,需要在最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下運(yùn)行一段時間,再提升轉(zhuǎn)速。

圖5 某25 MW等級燃驅(qū)壓縮機(jī)組啟機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖

其余主要輸入?yún)?shù)見表1。

表1 典型循環(huán)溫升工況主要輸入?yún)?shù)表

參數(shù)數(shù)值備注壓縮機(jī)進(jìn)口管路管容/m3—軟件據(jù)各管段輸入?yún)?shù)計(jì)算壓縮機(jī)出口管路管容/m3—軟件據(jù)各管段輸入?yún)?shù)計(jì)算冷熱混合氣經(jīng)過管容/m3—軟件據(jù)各管段輸入?yún)?shù)計(jì)算壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣壓力/MPa9.14夏季工況壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣溫度/℃31.97夏季工況防喘閥Cv值1 000由壓縮機(jī)廠商提供防喘閥全開動作時間/s1由壓縮機(jī)廠商提供

為了研究壓縮機(jī)啟機(jī)之后,正常輸送和非正常輸送條件下增壓后天然氣溫度的變化情況,分別建立工況進(jìn)行模擬分析。

2.3.2.1 正常輸送工況

依照轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從0增至最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min),然后防喘閥由手動控制切換為自動控制,并繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速直至壓縮機(jī)出口壓力升高使出口管線上的止回閥開啟,進(jìn)入正常輸送狀態(tài)。

2.3.2.2 非正常輸送工況

依照轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從0增至最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min),然后在最低轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行,防喘閥保持全開。若此時出站壓力較高,而壓縮機(jī)仍保持在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，使得增壓后的天然氣壓力低于出站壓力,則壓縮機(jī)出口管線上的止回閥無法打開,天然氣不能向下游正常輸送,只能通過防喘振管線回到壓縮機(jī)進(jìn)口處,即啟機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)入非正常輸送狀態(tài)。

2.3.3 模擬結(jié)果

2.3.3.1 正常輸送工況結(jié)果

為保守起見,假設(shè)出站壓力為11.85 MPa(最大操作壓力),即增壓后的天然氣壓力需達(dá)到11.85 MPa(對應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為5 600 r/min)才能使壓縮機(jī)出口管線上的止回閥開啟。假設(shè)壓縮機(jī)從最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min)增加到5 600 r/min的時間為30 s,經(jīng)模擬,正常輸送工況下壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化軌跡見圖6,壓縮機(jī)出口壓力和溫度的變化趨勢見圖7。

圖6 正常輸送工況壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化軌跡圖

圖7 正常輸送工況壓縮機(jī)出口壓力、溫度變化曲線圖

從圖7可看出,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由0增加到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的410 s時間內(nèi),壓縮機(jī)出口壓力由9.14 MPa增加到10.51 MPa,出口溫度由31.97 ℃增加到49.7 ℃。然后防喘閥由手動控制切換為自動控制,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,直至壓縮機(jī)出口壓力達(dá)到11.85 MPa使下游止回閥開啟,開始正輸流程。在第448 s(壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速后第38 s)時,壓縮機(jī)出口溫度達(dá)到最高值63.2 ℃,之后壓縮機(jī)出口溫度開始降低并穩(wěn)定于54.5 ℃。整個過程中壓縮機(jī)出口溫度未超過防腐層使用溫度(一般高溫型加強(qiáng)級三層PE防腐層最高使用溫度為70 ℃[20])。因此,在本實(shí)例中若壓縮機(jī)組正常啟機(jī)并實(shí)現(xiàn)外輸,期間造成的循環(huán)溫升不會對設(shè)備和管道造成不良影響。

2.3.3.2 非正常輸送工況結(jié)果

經(jīng)模擬,非正常輸送工況的壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化軌跡見圖8,壓縮機(jī)出口壓力和溫度的變化趨勢見圖9。

從圖9可看出,在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由0增加到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的410 s時間內(nèi),壓縮機(jī)出口壓力由9.14 MPa增加到10.51 MPa,出口溫度由31.97 ℃增加到49.7 ℃。之后,壓縮機(jī)保持最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速(4 255 r/min)繼續(xù)運(yùn)行,防喘閥保持全開。若出站壓力高于壓縮機(jī)出口壓力10.51 MPa,則壓縮機(jī)出口管線上的止回閥無法開啟?？梢姀牡?00 s(壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速后第190 s)開始,壓縮機(jī)出口溫度將高于70 ℃。因此,在本實(shí)例中,當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速后,應(yīng)保證在190 s(3.17 min)內(nèi),提升壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速(具體轉(zhuǎn)速應(yīng)對應(yīng)當(dāng)時的出站壓力),使增壓后的天然氣壓力高于出站壓力,從而開啟壓縮機(jī)出口管線上的止回閥,實(shí)現(xiàn)天然氣的正常輸送,避免天然氣通過防喘回路循環(huán)回流造成溫升效應(yīng)。

圖8 非正常輸送工況壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化軌跡圖

圖9 非正常輸送工況壓縮機(jī)出口壓力、溫度變化曲線圖

3 結(jié)論與建議

1)對于采用集中后空冷布置方式的壓氣站，壓縮機(jī)組在典型循環(huán)溫升工況下增壓后的工藝氣體得不到及時冷卻,導(dǎo)致溫升速度較快,如果設(shè)計(jì)不合理將對運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。因此,如果壓氣站采用了集中后空冷流程,建議均進(jìn)行典型工況的循環(huán)溫升模擬,以確保運(yùn)行安全。

2)采用ASPEN HYSYS軟件動態(tài)模塊可實(shí)現(xiàn)增壓流程典型循環(huán)溫升工況的模擬和分析。壓縮機(jī)循環(huán)溫升工況為動態(tài)過程,需要依據(jù)工藝流程、設(shè)備和管道布置、壓縮機(jī)組啟動曲線(轉(zhuǎn)速變化曲線)、壓縮機(jī)機(jī)芯曲線(含防喘線及阻塞線)參數(shù)、驅(qū)動機(jī)現(xiàn)場最大輸出功率、防喘閥和防喘控制器響應(yīng)特性、天然氣組分等輸入條件建立動態(tài)模擬模型。

3)對于啟機(jī)后正常輸送的工況,建議以最保守情況(即壓縮機(jī)出口管線止回閥的下游壓力為最高操作壓力)模擬機(jī)組從轉(zhuǎn)速為0沿轉(zhuǎn)速提升曲線直至壓縮機(jī)出口管線止回閥打開,氣體開始正常外輸?shù)臏厣闆r。啟動過程中壓縮機(jī)出口溫度的最高值將作為確定循環(huán)回路中的設(shè)備、管路系統(tǒng)材料(包含防腐層)設(shè)計(jì)溫度的依據(jù)之一,以確保能安全啟機(jī)。

4)在實(shí)際運(yùn)行中,若站場壓縮機(jī)機(jī)組故障停機(jī),出站壓力會在一段時間內(nèi)維持較高的壓力,應(yīng)盡量避免在出站壓力較高的情況下立即啟機(jī)。如果需要立即啟機(jī),則啟機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速后,應(yīng)盡快將轉(zhuǎn)速提升至出站壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)速,使系統(tǒng)進(jìn)入正常輸送的狀態(tài),避免循環(huán)溫升對管路和設(shè)備造成不良影響。