張萬(wàn)兵

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司)

氣田濕氣壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)問(wèn)題分析及解決方法

張萬(wàn)兵*

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司)

氣田濕氣壓縮機(jī)實(shí)施串聯(lián)運(yùn)行后，當(dāng)外輸氣量超過(guò)32.5萬(wàn)m3/h時(shí)，機(jī)組出口管線出現(xiàn)較大的振動(dòng)。對(duì)壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)的原因進(jìn)行了分析，并通過(guò)優(yōu)化機(jī)組的串聯(lián)運(yùn)行參數(shù)，解決了機(jī)組出口管線振動(dòng)大的問(wèn)題。

濕氣壓縮機(jī)管線振動(dòng)串聯(lián)運(yùn)行參數(shù)

1 氣田工藝流程簡(jiǎn)介

東方1-1氣田由一個(gè)中心平臺(tái)（CEP）和三個(gè)井口平臺(tái)（WHP E/A/B，設(shè)備流程中設(shè)備代號(hào)，下同）組成。來(lái)自CEP平臺(tái)井口采氣樹(shù)的天然氣，在經(jīng)過(guò)生產(chǎn)管匯后進(jìn)入海水冷卻器（CEP-WC-2110）冷卻至37℃左右，然后進(jìn)入生產(chǎn)分離器（CEP-V-1410）進(jìn)行氣液兩相分離。氣田井口平臺(tái)（WHP E/A/B）生產(chǎn)的天然氣經(jīng)海水冷卻后進(jìn)入設(shè)置于CEP平臺(tái)相應(yīng)的段塞流捕集器(CEP-V-1510/1520/1530)，穩(wěn)流除液后與中心平臺(tái)生產(chǎn)分離器出口的天然氣匯集于總管，然后進(jìn)入壓縮機(jī)組。

濕氣壓縮機(jī)系統(tǒng)由3臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行的相互獨(dú)立的機(jī)組組成，包括2510（設(shè)備流程中設(shè)備代號(hào)簡(jiǎn)稱，下同）機(jī)組、2610機(jī)組、2710機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組又包括旋流分離器、壓縮機(jī)、海水后冷卻器三部分。

圖1為東方1-1氣田濕氣壓縮機(jī)流程圖。

2 濕氣壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行存在的問(wèn)題及原因分析

2.1 存在問(wèn)題

在2510和2710機(jī)組串聯(lián)、2610和2710機(jī)組串聯(lián)兩種運(yùn)行模式中，當(dāng)外輸氣量超過(guò)32.5萬(wàn)m3/h時(shí)，2710壓縮機(jī)出口管線以及中層甲板壓縮機(jī)出口管線和附屬的消防管線振動(dòng)偏大。而2510和2610機(jī)組串聯(lián)時(shí)，外輸氣量達(dá)到34.5萬(wàn)m3/h，壓縮機(jī)出口管線和中層甲板壓縮機(jī)出口管線以及附屬的消防管線均無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象。單獨(dú)啟動(dòng)2610機(jī)組管線也無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象。從以上現(xiàn)象推斷，引起管線振動(dòng)的原因并不是外輸氣量大。東方1-1氣田對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析并采取了減振措施，取得了良好的效果[1]。

圖1 東方1-1氣田濕氣壓縮機(jī)流程

2.2 原因分析

2.2.1 壓縮機(jī)工藝配管設(shè)計(jì)不恰當(dāng)

東方1-1氣田安裝的3臺(tái)壓縮機(jī)都為Solar C402型，機(jī)組本身的設(shè)計(jì)是完全一樣的，但2710機(jī)組的出口管線及旋流分離器的配置與另外2臺(tái)不同，其中2510和2610機(jī)組進(jìn)口管線均是508 mm(20英寸)，而2710機(jī)組進(jìn)口管線是406 mm(16英寸)；2510機(jī)組出口管線是508 mm(20英寸)，2610和2710機(jī)組出口管線是406 mm(16英寸)。同時(shí)，2710機(jī)組的旋流分離器較2510和2610機(jī)組也小，2510和2610機(jī)組的旋流分離器尺寸為?2 100 mm×5 500 mm，而2710機(jī)組的旋流分離器尺寸為?1 900 mm×5 500 mm。在工藝設(shè)計(jì)上，3臺(tái)壓縮機(jī)均可單獨(dú)使用而互為備用。2710壓縮機(jī)的進(jìn)出口管線均為406 mm(16英寸)，同時(shí)2710機(jī)組的旋流分離器尺寸偏小，因此在相同氣量條件下，經(jīng)2710機(jī)組壓縮的天然氣流速均略高于其他2臺(tái)壓縮機(jī)。

2.2.2 串聯(lián)運(yùn)行工況的制約

在傳統(tǒng)觀念上，壓縮機(jī)組串聯(lián)時(shí)，前級(jí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速比后級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)速高，其原因如下：在串聯(lián)的兩臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下，由于流經(jīng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的氣流流量相同，而前級(jí)機(jī)組壓縮比遠(yuǎn)大于后級(jí)機(jī)組，致使前級(jí)機(jī)組喘振邊界遠(yuǎn)低于后級(jí)機(jī)組。通常，影響壓縮機(jī)喘振的因素為氣量與壓縮比，轉(zhuǎn)速越高壓縮比越大，氣量與喘振邊界成正比，壓縮比與喘振邊界成反比。當(dāng)需要提高氣量時(shí)，同時(shí)提高前級(jí)與后級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)速，則前級(jí)機(jī)組較后級(jí)機(jī)組先達(dá)到喘振邊界極限，此時(shí)如想再提高產(chǎn)量只能提高后級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)速，因?yàn)橹挥泻蠹?jí)機(jī)組仍有余量[2]。

在實(shí)際運(yùn)行中，串聯(lián)機(jī)組的后級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)速均大于前級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)速：

(1）2510和2610機(jī)組串聯(lián)時(shí)，2510機(jī)組轉(zhuǎn)速是88%，2610機(jī)組轉(zhuǎn)速是90.5%；

(2）2510和2710機(jī)組串聯(lián)時(shí)，2510機(jī)組轉(zhuǎn)速是88%，2710機(jī)組轉(zhuǎn)速是90%；

(3）2610和2710機(jī)組串聯(lián)時(shí)，2610機(jī)組轉(zhuǎn)速是89%，2710機(jī)組轉(zhuǎn)速是91%。

不論是2510與2710機(jī)組串聯(lián)，還是2610與2710機(jī)組串聯(lián)，2710機(jī)組均作為后級(jí)機(jī)組運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速總是最高，而其進(jìn)出口管線管徑卻是最小的，當(dāng)2710機(jī)組提高轉(zhuǎn)速增加氣量后，相應(yīng)地天然氣流速增加，外輸壓力增大，管輸條件下的天然氣密度增大，壓縮機(jī)輸出功率增大，單位體積的天然氣動(dòng)能及動(dòng)量均增大，其振動(dòng)相應(yīng)增大。

在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)外輸氣量在32.5萬(wàn)m3/h時(shí)振動(dòng)明顯加強(qiáng)。若使用2710壓縮機(jī)，為保障安全生產(chǎn)只能將產(chǎn)量控制在32.5萬(wàn)m3/h。壓縮機(jī)在NGP(norminal gas produce，名義氣體發(fā)生器)控制模式時(shí)，提高NGP轉(zhuǎn)速，NPT（norminal power turbine，名義動(dòng)力透平）就相應(yīng)提高，氣量也相應(yīng)提高，因此要避免管線劇烈振動(dòng)，壓縮機(jī)NGP轉(zhuǎn)速必須作相應(yīng)調(diào)整。

3 解決措施

3.1 改造機(jī)組管線

目前的壓縮機(jī)管線的固有頻率和平臺(tái)目標(biāo)產(chǎn)量情況下運(yùn)行的壓縮機(jī)固有頻率存在著倍頻關(guān)系，即在產(chǎn)量為32.5萬(wàn)m3/h以上時(shí)壓縮機(jī)與其配管發(fā)生了諧振。此外，2710機(jī)組管線布局還存在諸多的不合理性，配管也有設(shè)計(jì)問(wèn)題。最徹底的解決辦法是通過(guò)改造相應(yīng)的工藝管線來(lái)消除這些振源。然而要消除振源，意味著要重新配管，重新安裝管線，這對(duì)于氣田來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的。其理由如下：

（1）重新配管需要投入大量資金。

（2）對(duì)于原有管線的拆除，需要?jiǎng)佑么笮痛?、吊裝設(shè)備，安排船期等要調(diào)動(dòng)的資源比較多。

（3）管線改造的工作量大，改造耗時(shí)較長(zhǎng)。以目前的自噴產(chǎn)能條件，不使用壓縮機(jī)產(chǎn)量目標(biāo)不可能完成，滿足不了下游用戶的需求。

（4）海上平臺(tái)對(duì)安全要求極其高，尤其是采氣平臺(tái)，大型動(dòng)火作業(yè)嚴(yán)重危及平臺(tái)安全，平臺(tái)空間狹小對(duì)人員配置也有限制。

（5）平臺(tái)生產(chǎn)區(qū)設(shè)備緊湊、管線密集，重新布局管線在空間上存在較大的難度，截彎取直變得困難重重。

鑒于海上平臺(tái)管線改造的上述難點(diǎn)，拆除原有管線重新配管安裝布置，出于經(jīng)濟(jì)上和安全上的考慮，這一方案不可取。

3.2 調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)

考慮到振動(dòng)的主要因素是2710壓縮機(jī)組的固有頻率與管線的固有頻率存在倍頻關(guān)系，那么可以通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)來(lái)減小2710壓縮機(jī)組的頻率，使其遠(yuǎn)離壓縮機(jī)管線的固有頻率，進(jìn)而減小振動(dòng)。

在目前的產(chǎn)量目標(biāo)下，壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)任何一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)都有距喘振邊界線約10%的余量，這就使調(diào)整壓縮機(jī)參數(shù)成為可能。2011年7月，技術(shù)人員打破傳統(tǒng)的后級(jí)機(jī)組轉(zhuǎn)速一定比前級(jí)機(jī)組高的觀念，在NGP控制模式下對(duì)2610（一級(jí)）和2710（二級(jí)）壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行工況進(jìn)行了調(diào)整。對(duì)于每次工況調(diào)整，均選取振動(dòng)比較明顯的8個(gè)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，有關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表12610 與2710壓縮機(jī)串聯(lián)減振試驗(yàn)記錄

由表1可見(jiàn)，試驗(yàn)1、2、3逐次提高2610壓縮機(jī)0.5%NGP，相應(yīng)地逐次降低2710壓縮機(jī)0.5%NGP，2610壓縮機(jī)進(jìn)口壓力變化很小，出口壓力略有提高，壓比略微升高，2710壓縮機(jī)出口壓力基本保持不變，外輸氣量同樣基本不變。此時(shí)2710壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)逐漸變小，而2610壓縮機(jī)相連的管線振動(dòng)值基本不變。試驗(yàn)4提高外輸產(chǎn)量1萬(wàn)m3/h，在試驗(yàn)1的基礎(chǔ)上保持2710壓縮機(jī)NGP不變，在原有的基礎(chǔ)上提高2610壓縮機(jī)NGP 2.5%，此時(shí)連接在2610壓縮機(jī)的管線振動(dòng)與試驗(yàn)1比較基本不變，2710壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)值與試驗(yàn)1相比卻減小。

通過(guò)以上試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）提高2610機(jī)NGP轉(zhuǎn)速對(duì)自身連接管線的振動(dòng)值影響甚微。

（2）降低2710機(jī)NGP轉(zhuǎn)速有利于減小振動(dòng)。

（3）在保持氣量不變的條件下，2610機(jī)提高的NGP轉(zhuǎn)速和2710機(jī)降低的NGP轉(zhuǎn)速調(diào)整幅度是一致的，可以減小2710機(jī)出口管線振動(dòng)。

（4）提高產(chǎn)量時(shí)，增加2610機(jī)轉(zhuǎn)速，保持2710機(jī)轉(zhuǎn)速，2710機(jī)出口管線振動(dòng)值反而略有減小。

（5）以上試驗(yàn)證實(shí)了提高氣量可以通過(guò)提高2610壓縮機(jī)NGP轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不會(huì)導(dǎo)致2710壓縮機(jī)振動(dòng)的增大。

以上試驗(yàn)為我們提供了新的思路，兩臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)時(shí)可以通過(guò)提高首級(jí)機(jī)組的NGP轉(zhuǎn)速和保持或降低末級(jí)機(jī)組NGP轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到提高產(chǎn)量、降低振動(dòng)的目的。這一方法目前已在生產(chǎn)中應(yīng)用，并取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也合理地控制了安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 改造和優(yōu)化效果分析

4.1 創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，氣田解決了2710壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣量瓶頸問(wèn)題，使2710壓縮機(jī)在串聯(lián)時(shí)的氣量從過(guò)去的最高32.5萬(wàn)m3/h提高到了目前33.5萬(wàn)m3/h，每年增加外輸氣量8640萬(wàn)m3，每年可創(chuàng)造約4320萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 增加了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性

2710機(jī)組出口管線振動(dòng)問(wèn)題解決之后，氣田3臺(tái)壓縮機(jī)可有計(jì)劃地切換，互為備用，為壓縮機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)提供了切實(shí)的保障，延長(zhǎng)了壓縮機(jī)的使用壽命，從而增加了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.3 確保氣田安全生產(chǎn)

若用改造2710壓縮機(jī)出口管線的方法來(lái)解決壓縮機(jī)振動(dòng)大的問(wèn)題，施工過(guò)程將包括大型吊裝及熱工作業(yè)等。采用優(yōu)化參數(shù)的方法，不僅規(guī)避了施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，而且減小了壓縮機(jī)出口管線振動(dòng)引起的天然氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 周莘莘.工藝管線振動(dòng)控制研究[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(3)：41－42.

[2] 高路.透平壓縮機(jī)防喘振技術(shù)改造[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23(4)：60－61.

Analysis and Solutions of Outlet Line Vibration of Wet Air Compressor in Gas Field

Zhang Wanbing

In gas field,series operation was implemented on wet air compressors,but when the gas send-out exceeded 325 000 m3/h,the unit outlet lines occurred large-scale vibration.The paper analyzed the causes of compressors outlet lines vibration,and solved the problems by optimizing the unit series operation parameters.

Wet air compressor；Pipeline;Vibration；Series;Operation parameter

TQ 051.21

*張萬(wàn)兵，男，1973年生，碩士，工程師。湛江市，524057。

2012-01-05）