管線離心壓縮機(jī)入口流量波動(dòng)診斷及對(duì)策研究

王磊，岳三琪，夏敏，趙志超，陳福林

（中石化重慶天然氣管道有限責(zé)任公司，重慶 408001）

1 故障描述

某天然氣長(zhǎng)輸管道增壓站新建三套離心式壓縮機(jī)組，主機(jī)機(jī)型PCL355，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。進(jìn)行防喘振測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組在防喘振管線內(nèi)打小循環(huán)時(shí)，壓縮機(jī)入口孔板流量計(jì)測(cè)得流量值存在較大范圍波動(dòng)，且流量值比正常情況偏小22%左右，偏小約33000～35000Nm3/h，防喘振測(cè)試時(shí)天然氣流向圖和入口壓力波動(dòng)曲線如圖1、2所示。防喘振流量波動(dòng)造成無(wú)法精確測(cè)試壓縮機(jī)的工況點(diǎn)、準(zhǔn)確繪制防喘振曲線，影響壓縮機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2 流量波動(dòng)誘導(dǎo)因素排查

從儀表、自控系統(tǒng)、防喘閥、孔板、天然氣流態(tài)等方面逐項(xiàng)排查誘導(dǎo)因素，找出入口流量波動(dòng)的根本原因。

表1 PCL355型離心式壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.1 儀表

通過(guò)孔板流量計(jì)變送器閥組排污，清理出少量污物，清理后問(wèn)題未解決。

隨后，數(shù)次更換標(biāo)定的差壓變送器，并吹掃引壓管、取壓閥等組件，問(wèn)題未解決，排除儀表本質(zhì)故障的可能性

2.2 自控系統(tǒng)

圖1 防喘振測(cè)試天然氣流向圖

圖2 壓縮機(jī)入口流量曲線

本機(jī)組采集的流量計(jì)差壓值傳輸至試車(chē)合格機(jī)組的自控系統(tǒng)后，依然存在流量波動(dòng)現(xiàn)象，且經(jīng)專(zhuān)業(yè)工程師診斷自控系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)異常，因此，排除自控系統(tǒng)硬件和程序可能存在的問(wèn)題。

2.3 防喘閥

防喘閥內(nèi)部堵塞引起流通面積縮小可能導(dǎo)致流量波動(dòng)且偏小，拆卸并檢查防喘振閥，內(nèi)部存在少量雜質(zhì)但閥門(mén)動(dòng)作正常，專(zhuān)業(yè)工程師分析判斷后，認(rèn)為少量雜質(zhì)不會(huì)影響閥門(mén)性能。

2.4 孔板

拆卸并查看孔板流量計(jì)表面清潔度，表面附著少量黏稠雜質(zhì)，但不會(huì)引起流量波動(dòng)；隨后，依據(jù)圖紙核對(duì)流量計(jì)安裝方向是否正確，經(jīng)檢查安裝無(wú)誤；最后，核驗(yàn)孔板流量計(jì)規(guī)格型號(hào)、內(nèi)徑尺寸等參數(shù)是否與設(shè)計(jì)圖紙相符，經(jīng)查驗(yàn)各參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

將現(xiàn)用的進(jìn)口孔板流量計(jì)替換為某國(guó)產(chǎn)孔板流量計(jì)，并縮小孔板內(nèi)徑尺寸，孔板的β值（孔板內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑D的比值）由原來(lái)的0．7縮小至0．6，更換后啟機(jī)測(cè)試，流量波動(dòng)現(xiàn)象依然存在。

3 基于流態(tài)分析的診斷

經(jīng)上述診斷后，未排查出流量波動(dòng)的誘導(dǎo)因素，決定從壓縮機(jī)工藝管線天然氣流態(tài)的角度出發(fā)，分析查找問(wèn)題根源。

3.1 流體力學(xué)分析

根據(jù)伯努利方程和流體流動(dòng)連續(xù)性方程可得到孔板流量計(jì)前后差壓Δp與流經(jīng)孔板的體積流量QV關(guān)系為：

式中，C為流出系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；β為孔板內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑D的比值。

由式1可知，通過(guò)測(cè)量孔板兩側(cè)壓力差，可計(jì)算流經(jīng)孔板的體積流量值，這是孔板流量計(jì)的基本工作原理。

管道中體積流量QV與流體流速v有如下函數(shù)關(guān)系：

聯(lián)立式（1）和式（2）可得，孔板流量計(jì)兩端差壓與流速的關(guān)系表達(dá)式為：

根據(jù)式（3），流體處于非穩(wěn)定流態(tài)時(shí)，孔板流量計(jì)兩端差壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，且孔板兩端差壓變化幅值隨流速振幅增強(qiáng)而變大，導(dǎo)致測(cè)量的流量出現(xiàn)波動(dòng)。

3.2 孔板前后壓力測(cè)試

通過(guò)孔板前后壓力測(cè)試，驗(yàn)證流量波動(dòng)是否由壓力波動(dòng)引發(fā)。拆除流量計(jì)的差壓變送器，在孔板前后取壓口安裝2個(gè)壓力變送器，重新編程后監(jiān)測(cè)孔板前后壓力和差壓值。按照表2列出的三種工況進(jìn)行壓力測(cè)試。

表2 壓力測(cè)試的三種工況

圖3 工況一條件下孔板前后壓力曲線

圖4 工況二條件下孔板前后壓力曲線

經(jīng)測(cè)試，孔板前壓力波動(dòng)范圍1．257～1．942kPa，孔板后壓力波動(dòng)范圍4．6～5．108kPa，差壓波動(dòng)最大值略大于5kPa，證明流經(jīng)孔板前后的流體存在波動(dòng)，差壓波動(dòng)是導(dǎo)致流量波動(dòng)的根源。

圖5 工況三條件下孔板前后壓力曲線

表3 壓力測(cè)試參數(shù)表

3.3 流量計(jì)對(duì)比分析

經(jīng)專(zhuān)家組研討決定，用多孔孔板流量計(jì)替換標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)以消減差壓波動(dòng)。更換前對(duì)比2種流量計(jì)的流態(tài)特征，分析多孔孔板流量計(jì)對(duì)流體流態(tài)的影響，提高解決問(wèn)題的概率，減少因重復(fù)更換流量計(jì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間消耗。

對(duì)比圖6、7，與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)相比，多孔孔板流量計(jì)產(chǎn)生的渦流尺寸更小，且流經(jīng)上下游的流體能夠更快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上下游流態(tài)圖

圖7 多孔孔板流量計(jì)上下游流態(tài)圖

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)僅有一個(gè)流通孔徑，節(jié)流后會(huì)破壞流體層流狀態(tài)；多孔孔板流量計(jì)具有多個(gè)函數(shù)孔徑，其對(duì)稱(chēng)多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能最大程度將流場(chǎng)平衡整流，降低渦流，流場(chǎng)穩(wěn)定性大大提高。

多孔孔板流量計(jì)由于流場(chǎng)更加穩(wěn)定，且有較強(qiáng)的壓力恢復(fù)能力，大大縮短對(duì)壓縮機(jī)入口直管段的要求，直管段最小可短至孔板前0．5D、后0．5D（D為管道內(nèi)徑），多孔孔板流量計(jì)能夠獲得更加平穩(wěn)的差壓信號(hào)，測(cè)量的體積流量更穩(wěn)定、精確。

4 多孔孔板力學(xué)分析與驗(yàn)證測(cè)試

更換前進(jìn)行孔板流量計(jì)的應(yīng)力應(yīng)變分析和水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性。

使用有限元分析軟件對(duì)孔板流量計(jì)做應(yīng)力應(yīng)變分析。經(jīng)模擬分析得出正常工況下孔板的等效應(yīng)力分布云圖和總變形圖，其最大等效應(yīng)力為54．4MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度310MPa；其最大變形為0．06mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證，多空孔板流量計(jì)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)高壓工況。

更換多孔孔板流量計(jì)后啟機(jī)測(cè)試，未出現(xiàn)流量波動(dòng)現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)安裝的軸流式防喘閥選型過(guò)大，調(diào)節(jié)回流流量時(shí)開(kāi)度變化靈敏。通過(guò)進(jìn)一步分析和行業(yè)內(nèi)調(diào)研，防喘振測(cè)試時(shí)出現(xiàn)流量波動(dòng)，是由于防喘閥選型時(shí)尺寸過(guò)大(DN250)，與壓縮機(jī)入口管徑(DN500)不匹配造成防喘閥回流氣量過(guò)大，沖擊入口天然氣，導(dǎo)致流體出現(xiàn)紊流，紊流流體通過(guò)孔板流量計(jì)測(cè)量，出現(xiàn)大幅度流量波動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)及建議

由于壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)選型階段未充分考慮防喘振閥與工藝管線的匹配性，導(dǎo)致防喘振小循環(huán)回流的氣流過(guò)大，造成壓縮機(jī)入口流體的紊流狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量真實(shí)流量。多孔孔板流量計(jì)具備良好的整流作用，能夠提高抗干擾能力，流量更穩(wěn)定，測(cè)量值更符合實(shí)際。建議依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)特性，全面充分考慮壓縮機(jī)與工藝管線、配套設(shè)備的匹配度，輔助管線離心壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)選型；設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)防喘振閥、孔板流量計(jì)等設(shè)備與工藝系統(tǒng)做流體力學(xué)計(jì)算分析和流態(tài)模擬，以滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行需要。