張赴先（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所）

引言

大慶油田天然氣分公司已建輕烴回收裝置共計(jì)17套，其中淺冷裝置10套，濕氣深冷裝置5套，干氣深冷裝置2套。輕烴回收裝置壓縮機(jī)高壓電動機(jī)共計(jì)41臺，總功率6.13×104kW，功率最低為450 kW，最高為7200 kW，壓縮機(jī)高壓電動機(jī)耗電量占裝置耗電量的70%～80%，節(jié)能降耗空間很大。

根據(jù)喇薩杏油田原油產(chǎn)量及氣油比預(yù)測數(shù)據(jù)分析。“十三五”期間，伴生氣量將呈逐年減少趨勢。天然氣分公司的輕烴回收裝置運(yùn)行過程中，應(yīng)以保證濕氣深冷裝置在較高負(fù)荷率下運(yùn)行為原則的前提下，提高為干氣深冷裝置提供原料的淺冷裝置負(fù)荷，提高全油田天然氣深冷化率；同時(shí)要保證滿足檢修期間伴生氣的處理要求，最大限度地減少濕氣放空。在上述原則下，做好輕烴回收裝置的節(jié)能降耗工作，需根據(jù)伴生氣量逐年減少的趨勢，通過區(qū)域伴生氣管網(wǎng)及裝置適應(yīng)性分析等手段，進(jìn)行合理的氣量調(diào)配，確定每套輕烴回收裝置的處理氣量范圍；同時(shí)為是否對部分裝置壓縮機(jī)高壓電動機(jī)進(jìn)行高壓變頻節(jié)能改造提供依據(jù)。

1 離心式壓縮機(jī)負(fù)荷率控制

1.1 離心式壓縮機(jī)電能消耗的影響因素分析

離心式壓縮機(jī)的電耗與濕氣處理量、環(huán)境溫度、壓力比及效率等因素有關(guān)[1]，具體情況如下：

1.1.1 環(huán)境溫度、壓縮機(jī)效率、等溫效率的影響

環(huán)境溫度及壓縮機(jī)效率受自然條件、設(shè)計(jì)等因素影響大，受人為因素影響小，基本上可以看作常數(shù)；壓縮機(jī)的等溫效率上升，則耗電量下降。等溫效率與操作條件有著非常密切的關(guān)系。所以，在操作中重點(diǎn)是確保氣體在各級冷卻器里得到充分冷卻，使壓縮機(jī)盡量趨近于等溫壓縮，有效提高壓縮機(jī)的等溫效率，降低壓縮機(jī)電耗。由此可以看出，輕烴回收裝置壓縮機(jī)級間空冷器的降溫效果是否良好將影響機(jī)組耗電量的大小。

1.1.2 壓縮機(jī)出入口壓力比值的影響

一般來說，壓縮機(jī)流量一定的前提下，壓力比值與耗電量成正比變化，但天然氣分公司輕烴回收裝置流量會在一定范圍內(nèi)波動，流量小，壓力比值增大，耗電量降低；流量大，壓力比值降低，耗電量升高。通過對杏V-1淺冷裝置2015—2016年壓縮機(jī)出入口壓力比值與壓縮機(jī)電流的變化趨勢進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)出入口壓力比值與壓縮機(jī)電動機(jī)耗電量兩者大約成反比變化，壓縮機(jī)出入口壓力比值下降，則耗電量上升。圖1是杏V-1淺冷裝置壓縮機(jī)電流（A）與壓縮機(jī)出入口壓力比值的變化關(guān)系曲線，左側(cè)縱坐標(biāo)為出入口壓力比值，右側(cè)縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)電流，壓縮機(jī)電動機(jī)額定電流280 A。

圖1 2015—2016壓縮機(jī)出入口壓力比值與壓縮機(jī)電流的變化曲線

圖2 2016年全年日負(fù)荷率、日壓縮機(jī)電流變化曲線

1.1.3 壓縮機(jī)濕氣處理量的影響

通過對多套采用離心式壓縮機(jī)組的輕烴回收裝置2016年的月處理濕氣量與月裝置耗電量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)濕氣處理量與耗電量成正比，壓縮機(jī)的濕氣處理量下降，則耗電量下降。圖2是杏V-1淺冷裝置壓縮機(jī)電流（A）與負(fù)荷率（%）的變化關(guān)系曲線，負(fù)荷率及壓縮機(jī)電流值均對應(yīng)于左側(cè)縱坐標(biāo)，壓縮機(jī)電動機(jī)額定電流280 A。

但是，當(dāng)大慶油田伴生氣量下降，離心式壓縮機(jī)負(fù)荷率降低到一定程度時(shí)，被壓縮氣體將會在葉輪的非工作面形成脫流團(tuán)，造成沖擊損失急劇增加。這不僅使流量損失增加，效率下降，還會導(dǎo)致氣流從管網(wǎng)倒回壓縮機(jī)，引起機(jī)身強(qiáng)烈振蕩并出現(xiàn)離心式壓縮機(jī)的"喘振"現(xiàn)象。在冬季裝置負(fù)荷率較低時(shí)，一般采用打回流的方法以避免機(jī)組發(fā)生喘振，這就造成了電能的巨大浪費(fèi)。

為了達(dá)到節(jié)能目的，減少不必要浪費(fèi)，便需要確定出喘振發(fā)生的臨界點(diǎn)的負(fù)荷率。

1.2 機(jī)組負(fù)荷率最優(yōu)控制點(diǎn)的確定

1.2.1 離心式壓縮機(jī)的特性曲線

離心式壓縮機(jī)的特性曲線通常是指，出口絕對壓力p2與入口絕對壓力p1之比（或稱壓縮比）和入口體積流量Q的關(guān)系曲線（圖3）。

對離心式壓縮機(jī)，由于它的性能曲線大多呈駝峰型[2]，連接離心式壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線的最高點(diǎn)，所得曲線稱喘振極限線，其左側(cè)部分稱為喘振區(qū)，如圖3中陰影部分。喘振情況與管網(wǎng)特性有關(guān)。管網(wǎng)容量越大，喘振的振幅越大，而頻率越低；管網(wǎng)容量越小，則情況相反。

圖3 離心式壓縮機(jī)的特性曲線

1.2.2 壓縮機(jī)的喘振極限線

對于喘振極限線（圖4），可以通過理論推導(dǎo)獲得數(shù)學(xué)表達(dá)式[3]。在工程上，為了安全上的原因，在喘振極限線右邊，建立一條“安全操作線”，作為壓縮機(jī)允許工作的界限。

圖4 喘振極限線及安全操作線

這條安全操作線可與一個(gè)拋物線方向近似，其經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：Q1——吸入口氣體的體積流量，m3/h；

T1——吸入口氣體的絕對溫度，K；

p1、p2——入口、出口的絕對壓力，MPa；

Κ，a——常數(shù)，一般由壓縮機(jī)制造廠家給出，a有等于0、大于0和小于0三種情況。

1.2.3 杏V-1淺冷裝置壓縮機(jī)最優(yōu)負(fù)荷率的確定

以杏V-1淺冷裝置為例進(jìn)行說明。杏V-1淺冷裝置于1983年投產(chǎn)，2008年對壓縮機(jī)進(jìn)行了改造，現(xiàn)設(shè)計(jì)處理規(guī)模30×104m3/d，壓縮機(jī)高壓電動機(jī)功率2620 kW。查詢壓縮機(jī)資料可知，K=7.64×10-5，a=2.32，將其代入公式（1）可求得：

裝置正常運(yùn)行情況下負(fù)荷率φ為

負(fù)荷率最優(yōu)控制點(diǎn)為

杏V-1站裝置正常運(yùn)行情況下，為了確保裝置不發(fā)生喘振現(xiàn)象，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，可以利用出入口壓力比值（最佳出口壓力可根據(jù)壓縮機(jī)參數(shù)及裝置工藝軟件模擬得到）與入口氣體的絕對溫度值，確定出壓縮機(jī)組負(fù)荷率的最優(yōu)控制點(diǎn)。

以2016年12月數(shù)據(jù)為例，p2/p1取全月平均值18.36，T1=2+273=275 K，將其代入公式（3）可求得：

所以，如果要保證壓縮機(jī)不打回流而造成電能的巨大浪費(fèi)，杏V-1站2016年12月的入口濕氣量應(yīng)控制在0.76×104m3/h以上，負(fù)荷率相應(yīng)控制在60.79%以上。確定了輕烴回收裝置處理氣量的基本范圍后，結(jié)合區(qū)域伴生氣管網(wǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行合理的氣量調(diào)配，可減少壓縮機(jī)組回流量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；同時(shí)也為是否對天然氣分公司部分壓縮機(jī)電動機(jī)進(jìn)行變頻改造提供了依據(jù)。由于各區(qū)域伴生氣管網(wǎng)、輕烴回收裝置的適應(yīng)性、盡量減少濕氣放空等實(shí)際條件的制約，要將壓縮機(jī)組的負(fù)荷率控制在最優(yōu)控制點(diǎn)存在一定的難度，節(jié)能效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 離心式壓縮機(jī)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)

2.1 壓縮機(jī)電動機(jī)安裝高壓變頻器的必要性

對于輕烴回收裝置原料氣壓縮機(jī)配備的高壓電動機(jī)，在考慮了工況的變化和啟動容量的需要后，所配備容量都大于實(shí)際輸出功率，尤其是“十三五”期間，伴生氣量將呈逐年減少趨勢，壓縮機(jī)組平均負(fù)載率和平均運(yùn)行功率都將較低，因此節(jié)電的潛力非常巨大。現(xiàn)階段對高壓電動機(jī)節(jié)能降耗最有效的方法之一就是應(yīng)用高壓變頻器。變頻器能實(shí)現(xiàn)調(diào)速、軟啟動、工藝調(diào)節(jié)三個(gè)方面的功能，具有高效率、高功率因數(shù)等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于壓縮機(jī)組、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備上，被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速設(shè)備。

傳統(tǒng)的定速壓縮機(jī)僅在設(shè)計(jì)工況下有較高的能效比[4]，在其他情況下能效比就相對比較低；而壓縮機(jī)加裝高壓變頻器后可以根據(jù)不同的氣量需求來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)完全的自動控制，使變頻壓縮機(jī)提高了能效比，擴(kuò)大了高能效比的范圍，改善了運(yùn)行工況，也簡化了工藝操作?？紤]到伴生氣處理量存在逐年減少的可能性，高壓變頻器在壓縮機(jī)組工藝調(diào)節(jié)方面的優(yōu)越性會逐漸突顯。目前市面上高壓變頻器功率范圍可從200 kW直到9600 kW，天然氣分公司高壓電動機(jī)均可定制對應(yīng)的變頻器。

2.2 離心式壓縮機(jī)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

天然氣分公司已在薩南深冷裝置壓縮機(jī)上試用高壓變頻裝置，為電動機(jī)廠家配套定制，采用的是上海廣電電氣（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的Innovert系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，其壓縮機(jī)高壓電動機(jī)電壓為6 kV，功率4200 kW。深冷裝置已于2017年11月正式投產(chǎn)。

離心式壓縮機(jī)對天然氣的流量、壓力和溫度都有非常嚴(yán)格的要求，也就是要求壓縮機(jī)工作點(diǎn)的穩(wěn)定[5]。影響壓縮機(jī)工作點(diǎn)穩(wěn)定的因素主要有兩個(gè)，一是干擾，二是工作點(diǎn)的改變[6]。但是干擾是隨機(jī)不可預(yù)知的，而且由于控制器的存在，出現(xiàn)干擾時(shí)控制器會自動消除誤差，因此干擾可以看成是工作點(diǎn)改變的特例。

2.2.1 離心式壓縮機(jī)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的原因

目前對離心式壓縮機(jī)流量、出口壓力的控制大多采用兩個(gè)獨(dú)立的PID控制器，分別發(fā)出控制動作消除各自的誤差[7]，但這種控制方式?jīng)]有考慮到離心式壓縮機(jī)自身的特性以及各自執(zhí)行器調(diào)節(jié)時(shí)間的不同；因此，在調(diào)節(jié)時(shí)會互相干擾，導(dǎo)致離心式壓縮機(jī)工作點(diǎn)波動，從而影響輕烴回收裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

離心式壓縮機(jī)的工作點(diǎn)只能位于其性能曲線上，如圖3所示。圖5畫出了新建的薩南深冷裝置壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3時(shí)的3條性能曲線，其中n1=12 647 r/min，n2=12 045 r/min，n3=11 443 r/min。一般的離心式壓縮機(jī)組的控制分為兩部分：一是通過轉(zhuǎn)速來控制出口壓力；二是通過入口調(diào)節(jié)閥控制流量。這樣，離心式壓縮機(jī)的工藝調(diào)節(jié)就分為三種情況：

圖5 薩南深冷裝置壓縮機(jī)性能曲線和工作點(diǎn)

①固定流量調(diào)節(jié)出口壓力。改變離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以讓離心式壓縮機(jī)處于不同的性能曲線上運(yùn)行，可以在不改變流量的前提下獲得不同的出口壓力，如圖5中A到B點(diǎn)。

②固定出口壓力調(diào)節(jié)流量。由于離心式壓縮機(jī)的工作點(diǎn)只能在其性能曲線上，因此在調(diào)節(jié)流量的同時(shí)會使出口壓力發(fā)生變化，此時(shí)出口壓力控制器也會產(chǎn)生作用，如圖5中A到C點(diǎn)。流量增大時(shí)，工作點(diǎn)只能夠沿著性能曲線AE移動，此時(shí)出口壓力下降，從而令出口壓力控制器提高離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來提高出口壓力。

③出口壓力和流量同時(shí)調(diào)節(jié)。圖5中A至D點(diǎn)，壓力和流量控制均未達(dá)到設(shè)定值，都需要主動調(diào)節(jié)。如果流量控制器先到設(shè)定值，則問題可轉(zhuǎn)化為①；如果壓力控制器先到達(dá)設(shè)計(jì)值，問題可轉(zhuǎn)化為②。

2.2.2 離心式壓縮機(jī)流量壓力的協(xié)調(diào)控制特點(diǎn)

協(xié)調(diào)控制的上位級協(xié)調(diào)控制器可以使流量和出口壓力控制器協(xié)調(diào)工作，使工作點(diǎn)按期望的運(yùn)行軌跡平穩(wěn)變化，其特點(diǎn)主要有：

1）根據(jù)離心式壓縮機(jī)固有特性來確定參考軌跡，減小了工作點(diǎn)調(diào)節(jié)過程中壓力控制器被動跟蹤對工作點(diǎn)穩(wěn)定性的影響。

2）根據(jù)執(zhí)行器的調(diào)節(jié)時(shí)間來確定參考軌跡的變化速度，令流量和出口壓力在調(diào)節(jié)過程中同步變化，減小了執(zhí)行器調(diào)節(jié)時(shí)間不同對工作點(diǎn)穩(wěn)定性的影響。

3）當(dāng)工作點(diǎn)距離喘振線過近時(shí)，減小工作點(diǎn)的波動可以有效防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)。

2.2.3 薩南深冷裝置調(diào)整改造工程中壓縮機(jī)流量壓力控制策略

薩南深冷裝置調(diào)整改造工程中原料氣壓縮機(jī)根據(jù)來氣量（16 489.7～23 471 Nm3/h）、來氣壓力（0.13～0.2 MPa）、來氣溫度（-5～30℃）共計(jì)3個(gè)參數(shù)預(yù)設(shè)了四種運(yùn)行工況。壓縮機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)及流量壓力控制均建立在四種運(yùn)行工況之下。

控制目標(biāo)：在n1、n2、n3三個(gè)轉(zhuǎn)速下，通過調(diào)節(jié)流量，確保出口壓力在壓縮機(jī)性能曲線上運(yùn)行，如圖5所示。

控制參數(shù)：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，入口壓力調(diào)節(jié)閥開度。

控制策略：在壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)置上位級協(xié)調(diào)控制器，根據(jù)不同的來氣壓力、溫度及流量范圍確定轉(zhuǎn)速，因來氣壓力低，造成壓縮機(jī)不能在性能曲線上運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)增加入口壓力調(diào)節(jié)閥開度，增大入口管線壓差，加大流量，使壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振區(qū)運(yùn)行。

2.3 壓縮機(jī)電動機(jī)安裝高壓變頻器后的節(jié)能效果

伴生氣處理量減少時(shí)，壓縮機(jī)加裝高壓變頻器后可以根據(jù)不同的氣量需求來調(diào)低轉(zhuǎn)速，如圖5的C點(diǎn)至A點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)出口壓力的自動控制，滿足工藝參數(shù)要求，改善了運(yùn)行工況，也簡化了工藝操作。同時(shí)，轉(zhuǎn)速降低后壓縮機(jī)組功率降低，電能消耗降低，如圖6所示。

圖6 薩南深冷裝置壓縮機(jī)變頻調(diào)速后的功率變化

薩南深冷裝置于2017年11月1日正式投產(chǎn)運(yùn)行，由于裝置操作需要，高壓變頻器處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，僅承擔(dān)壓縮機(jī)電動機(jī)的軟啟動功能。壓縮機(jī)電動機(jī)高壓變頻器于2018年4月轉(zhuǎn)換為變頻運(yùn)行狀態(tài)。表1為裝置投產(chǎn)至今共計(jì)7個(gè)月的處理量及耗電指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，其中2017年11月至12月、2018年4月至5月裝置負(fù)荷率在80%～90%，2018年1月至3月裝置負(fù)荷率在97%左右。從處理量及電單耗的趨勢可以看出，2017年11月至2018年3月高壓變頻器工頻運(yùn)行期間，當(dāng)負(fù)荷率降低時(shí)，裝置的原料氣單耗有明顯提高；這說明裝置投產(chǎn)初期運(yùn)行調(diào)節(jié)中，由于高壓變頻器處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，在負(fù)荷降低時(shí)變頻器未發(fā)揮出節(jié)電效果。2018年4月至5月高壓變頻器處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，與2018年3月相比，在裝置負(fù)荷率降低時(shí)，原料氣單耗降低0.002 kWh/m3左右，月節(jié)電3.62×104kWh，月節(jié)約運(yùn)行成本2.29萬元；與裝置投產(chǎn)初期的頭兩月相比，同樣在80%～90%負(fù)荷率的情況下，節(jié)能效果更加明顯。

表1 薩南深冷裝置處理量及耗電指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

在“十三五”期間伴生氣量逐年減少的趨勢下，通過氣量調(diào)配等手段使壓縮機(jī)組負(fù)荷率處在最優(yōu)控制點(diǎn)以上，使裝置負(fù)荷率較低時(shí)避免打回流造成電能的巨大浪費(fèi)。壓縮機(jī)組負(fù)荷率最優(yōu)控制點(diǎn)的確定還需要對各區(qū)域伴生氣管網(wǎng)及輕烴回收裝置適應(yīng)性進(jìn)行深入分析，確定每套輕烴回收裝置的處理氣量范圍，從而進(jìn)行合理的氣量調(diào)配。

在保證濕氣深冷和為干氣深冷提供原料的淺冷裝置在較高負(fù)荷率下運(yùn)行的前提下，剩余的輕烴回收裝置（如杏三、杏九、杏V-1、喇二淺冷）可考慮采用高壓變頻器對天然氣壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，使壓縮機(jī)性能調(diào)節(jié)范圍變大；如當(dāng)轉(zhuǎn)速n由100%降到70%時(shí)，喘振界限將向左移動30%左右，解決了伴生氣量逐年減少后引起不穩(wěn)定工況的問題，同時(shí)也大幅節(jié)約了電能，起到了節(jié)能降耗的作用。