多級壓縮機系統(tǒng)改造的動態(tài)分析與研究

王同寶

中石化寧波工程有限公司 寧波 315000

離心式壓縮機廣泛應用于石化領域，用來輸送各種工藝氣體，是一種將機械能轉化為壓力能的增壓設備，其特點是結構簡單、排氣量大、性能穩(wěn)定，實用性較強。由于離心式壓縮機性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)較窄，當運行工況發(fā)生改變后，如果防喘振系統(tǒng)設計能力不夠或不能正常工作，易發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴重的可導致壓縮機運行癱瘓或發(fā)生損壞事故[1-2]。對于改造項目，由于壓縮機的工作環(huán)境發(fā)生了改變，比如系統(tǒng)操作參數(shù)、工藝介質組成、壓縮機進出口管道尺寸及布置、系統(tǒng)內部設備新增、刪減或改造、壓縮機操作方式等因素的變化，導致原壓縮機的正常工作點已發(fā)生偏離。因此，需要結合改造工藝方案對原壓縮機及其防喘振系統(tǒng)進行重新驗證，以保證壓縮機在正常停車及緊急停車等非正常工況下，能夠安全、平穩(wěn)停車，不造成喘振事故的發(fā)生。

通常壓縮機在初始設計時，是以穩(wěn)態(tài)工況下的工藝參數(shù)作為輸入條件，并結合壓縮機制造商的經驗公式來對防喘振系統(tǒng)進行設計。當系統(tǒng)改造后，尤其是對于多級壓縮機系統(tǒng)，工藝流程更加復雜，僅僅通過穩(wěn)態(tài)下壓縮機進出口的工藝參數(shù)來進行驗證是不夠的，也不能做到最優(yōu)化設計，需結合具體的操作方式及可能出現(xiàn)的工況，對包括防喘振回路在內的整個系統(tǒng)進行完整的分析。動態(tài)模擬的方法是在模型求解的常(偏)微分方程中引入時間參數(shù)，其建模過程是基于管道及儀表流程圖，并且加入了聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，可以更加直觀地觀察壓縮機工作點變化曲線、各級進出口及防喘振回路的工藝參數(shù)隨時間的變化情況，因此可用于對壓縮機系統(tǒng)改造的設計進行指導優(yōu)化，確保系統(tǒng)操作安全穩(wěn)定。

1 模型及基礎數(shù)據(jù)

在某合成氨擴能改造項目中，裝置氨產能由原正常工況的1575 Mt/d擬提升至1650 Mt/d。本文以該項目中一套需要改造的氨冰機系統(tǒng)為例，對改造方案進行動態(tài)建模分析，以達到分析工藝參數(shù)變化情況及壓縮機設備運行情況、驗證防喘振系統(tǒng)、優(yōu)化設計的目的。氨冰機系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 氨冰機系統(tǒng)流程簡圖

來自上游氨合成工段的氨，溫度為78℃，壓力為211 kg/cm2，經過氨冷卻器初步冷卻至46℃后，進入組合式換熱器與來自液氨閃蒸罐的低溫液氨進一步換熱降溫后，進入液氨一級分離罐；分離出氣氨后，再進入液氨二級分離罐，壓力降低至20.5 kg/cm2；再次分離出閃蒸的氣氨后，液相部分進入多級氨閃蒸罐一段，閃蒸壓力為常壓。閃蒸出的氣氨進入氨冰機經過四級壓縮后，壓力提高至19 kg/cm2，經過多級冷卻、分離后，返回界區(qū)入口液氨管線上，形成一個壓縮、冷卻冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)的循環(huán)制冷系統(tǒng)。氨冰機的二三四級分別有來自多級氨閃蒸罐的中間補氣。產品液氨最終通過多級閃蒸罐的第一級底部產出，通過泵送出界區(qū)。流程簡圖中虛線框部分是產能提升后需改造的設備及管線。壓縮機各級之間均設有防喘振線。

采用Aspen HYSYS V11，建模過程按照實際配管情況，結合設備尺寸、管道及換熱器壓降、壓縮機的轉動慣量、閥門形式、壓縮機操作要求、聯(lián)鎖控制方案等因素，按照壓縮機的操作手冊，對正常停車和緊急停車兩種工況分別進行動態(tài)模擬，為改造方案及壓縮機防喘振系統(tǒng)的設計提供指導。

2 改造工藝路線驗證

2.1 壓縮機操作點驗證

改造項目中，壓縮機操作點的變化是管路設備配置方案中各個設備的特性對管道內氣體流動影響的綜合表現(xiàn)，因此在實際的設計、設備選型和安裝過程中，需要對管道設備布置方案進行完整建模，并準確計算各部件特性。本項目中，工藝路線的改造范圍有：① 氨冰機系統(tǒng)部分管線管徑、布置變化；② 新增旁路；③ 原單臺氨冰機冷凝器拆分為兩臺串聯(lián)的換熱器；④ 壓縮機二段中間冷卻器改造；⑤ 壓縮機透平改造等方面。壓縮機本體不涉及改造，因此性能曲線不變。在模型中觀察1650 Mt/d(100%負荷，8600 r/min)工況下壓縮機各級新的操作點位置以及流量、壓頭、效率數(shù)據(jù)，并與改造前的1575 Mt/d進行對比，結果見表1。

表1 改造前后壓縮機正常操作點與效率對比

通過上表可以看出，在1650 Mt/d工況下，壓縮機各級流量均有所提高，而壓縮機I至IV級的壓頭分別降低了7.36%、1.75%、13.04%和8.05%，效率分別降低了0.04%、2.07%、0.02%和2.63%。壓縮機性能曲線表征的是轉速、流量與揚程的關系。在壓縮機性能曲線中，1650 Mt/d工況下工作點的位置與初始設計工況并沒有很大偏差，效率的降低也在可接受范圍內，仍然處在高效區(qū)。據(jù)此判斷，新工藝路線下原壓縮機是可以利舊的。

2.2 系統(tǒng)設計參數(shù)驗證

壓縮機停止運轉后，氨冰機系統(tǒng)中各部分的壓力、溫度等工藝參數(shù)也會隨著時間發(fā)生變化，有的甚至偏離正常設計值好幾倍。而這種偏離難以通過穩(wěn)態(tài)模型模擬計算出。因此，在工程設計中，設備管道的設計參數(shù)往往依據(jù)經驗或最極端情況來確定，會存在過度設計或考慮不足的情況。而在動態(tài)模型中，可以觀察氨冰機系統(tǒng)中任意位置的工藝參數(shù)及介質物性在壓縮機開停車過程中的變化情況，通過獲取該過程中的峰值數(shù)據(jù)，對已有系統(tǒng)的設計參數(shù)進行校核或優(yōu)化。以緊急停車工況下，壓縮機I段入口及防喘振線為例，其溫度、壓力隨時間的變化關系見圖2～圖5。

圖2 I段入口溫度隨時間的變化關系

圖3 I段入口壓力隨時間的變化關系

圖4 I段入口流量隨時間的變化關系

圖5 I段防喘振閥流量隨時間的變化關系

由上圖可以看出，0～10s時刻為壓縮機在1650 Mt/d工況下正常運行參數(shù)，10s后壓縮機動力源失去，緊急停車程序觸發(fā)。停車過程中，I段入口溫度由-31.5℃上升至26.1℃，壓力由1.1 kg/cm2升高至10.3 kg/cm2，流量則在約140s左右達到峰值20856 kg/h，為正常操作值的1.62倍；防喘振線的流量則在迅速升高至26676kg/h后緩慢回落。通過獲取動態(tài)過程中工藝參數(shù)的最大和最小值，可以用來校核相關管道已有的設計參數(shù)，并進行優(yōu)化，或采取相應措施來保證系統(tǒng)安全。同樣以I段入口管線為例，原管線/設備的參數(shù)與模擬結果的對比見表2。

表2 原管線的參數(shù)與模擬結果的對比

通過上表的對比結果可以看出緊急停車過程中出現(xiàn)的最大溫度遠小于設計溫度上限，是滿足要求的；最大壓力值雖然沒有超過原管線設計壓力，但比較接近，余量較小。因此，按照設計規(guī)定，建議調整設計壓力為12.3 kg/cm2，或在設備上增加安全閥，以避免相關的管線和設備發(fā)生超壓工況。同樣，通過I段入口管線和防喘振線的流量，也可對原管線尺寸進行校核。

3 防喘振系統(tǒng)驗證

對于多級壓縮機而言，壓縮機防喘振回路、防喘振回路與主工藝路線之間，存在強烈的耦合關系，在實際壓縮機開停車操作中，為了消除回路間的這種耦合干擾，操作人員只能把閥門投到手動，并且人為開大，以便讓壓縮機運行點遠離喘振控制線，但這樣將導致能耗增加[4]。而采用動態(tài)模型，可以將開停車過程中這種復雜的變化關系通過工作點在性能曲線上的運動軌跡直觀地展示出來。本文主要研究緊急停車和正常停車工況下，壓縮機防喘振回路的工作情況。

按照壓縮機操作手冊說明，緊急停車是指壓縮機在失去動力源的情況下，依靠轉子自身慣性維持轉動，直至最終停止，同時聯(lián)鎖控制系統(tǒng)動作氨冰機系統(tǒng)內相關的閥門及設備。上述過程稱為摩阻衰減，其轉速衰減趨勢決定了氣量減少量以及工作點向喘振區(qū)移動速度[5]；正常停車則是指通過程序控制，在10 min內將壓縮機的轉速降低至3000 r/min，然后再人工切斷動力源，直至壓縮機最終停止，即分為動力衰減和摩阻衰減兩個階段。在上述兩種停車工況下，壓縮機失去動力，葉輪轉速迅速衰減，導致壓頭和流量迅速降低，極易發(fā)生喘振。兩種工況的部分模擬結果見圖6～圖8。

圖6 緊急停車I段工作點運行軌跡

圖7 緊急停車III段工作點運行軌跡

圖8 正常停車I段工作點運行軌跡

動態(tài)模擬研究防喘振系統(tǒng)的主要目標是保證工作點軌跡落在壓縮機性能曲線的穩(wěn)定工作區(qū)內。通過上圖工作點運行軌跡可以看出，緊急停車工況下壓縮機I段工作點快速越過了喘振控制線，流量迅速歸零，說明I段防喘振閥即使在全部打開的情況下，防喘振線的通過能力在此工況下仍然嚴重不足；III段工作點在越過喘振控制線之后，流量降低速率快速減小，說明III段的防喘振閥能力有一定不足。正常停車下的壓縮機I段工作點剛開始沿著防喘振控制線右側邊緣緩慢下降，但最終還是越過了防喘振控制線，緊接著出現(xiàn)了第1個拐點，說明此時防喘振閥開始工作，壓縮機入口流量增加，但之后始終未能回到防喘振控制線右側，說明防喘振閥的通過能力略有不足。綜上所述，壓縮機I段和III段已有的防喘振系統(tǒng)已無法滿足改造后的工況要求，因此，需要對防喘振閥的設計參數(shù)進行調整。

防喘振閥的Cv值表征了防喘振線流量的通過能力，Cv越大，則壓縮機出口回流量越多；防喘振閥的動作時間則表征了系統(tǒng)響應快慢，動作時間越大，意味著系統(tǒng)反應更為遲緩，不能及時抑制壓縮機流量的減小趨勢[5-6]。改變防喘振閥的Cv值、動作時間和再運行模型進行調試，直至壓縮機工作點運行軌跡完全落在臨界喘振線右側。防喘振閥調整前后對比的參數(shù)見表3。

表3 改造前后防喘振閥的參數(shù)對比

壓縮機的工作點隨時間的變化情況，見圖9～圖11。

圖9 緊急停車I段工作點運行軌跡

圖10 緊急停車III段工作點運行軌跡

圖11 正常停車I段工作點運行軌跡

從模型的運行情況來看，I段和III段在緊急停車過程中沒有喘振發(fā)生，工作點的軌跡始終在喘振控制線的右側，說明模型中選取的防喘振參數(shù)是合理的。雖然I段的Cv值從70調整為210，但III、IV段分別從210調整為95和70，降低了防喘振閥的選型要求，既避免了過度設計，又保證了氨冰機系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定停車。

4 結語

本文從動態(tài)的角度對某合成氨改造項目中的多級壓縮機系統(tǒng)的改造工藝路線、防喘振系統(tǒng)進行了分析，相比于穩(wěn)態(tài)模擬，其具有以下特點：

(1)動態(tài)模型中的穩(wěn)態(tài)流程可用于觀察利舊壓縮機和改造工藝路線的匹配性，分析在新的工況下壓縮機是否仍然處于正常工作范圍。

(2)動態(tài)模擬引入時間參數(shù)，可以觀察壓縮機在開停車過程中系統(tǒng)各個位置(設備、管線等)的溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)變化情況，可指導設計，也可用以校核已有設備或管線的設計參數(shù)，保證系統(tǒng)在非正常工況下的運行安全，進一步提高了多級壓縮機系統(tǒng)的工程設計和技術改造能力。

(3)此動態(tài)模擬分析已應用于某改造項目，可直觀地了解壓縮機各級在不同工況下防喘振回路的工作情況，優(yōu)化防喘振閥及防喘振回路的設計參數(shù)，保證壓縮機安全開停車。