蒲飛航

（中國石油西部管道蘭州輸氣分公司，甘肅蘭州730000）

1 引言

離心式壓縮機(jī)（Centrifugal Compressor） 是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，它在驅(qū)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)，依靠旋轉(zhuǎn)葉輪與氣流間的相互作用力使氣流產(chǎn)生加速度而獲得動(dòng)能，然后氣流在擴(kuò)壓室中減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高氣體壓力。由于被壓縮氣體主要沿著葉輪徑向流動(dòng)，因此被稱為離心式壓縮機(jī)。國內(nèi)海拔最高的長輸天然氣管道——澀寧蘭輸氣管道目前所使用的離心式壓縮機(jī)有2種型號：分別為MAN-RV050/02型和MAN-RV050/04型。

2 離心式壓縮機(jī)的喘振

喘振（Surge） 是離心式壓縮機(jī)在流量減少到一定程度時(shí)，所發(fā)生的一種非正常工況下的振動(dòng)現(xiàn)象。離心式壓縮機(jī)在每一個(gè)轉(zhuǎn)速下均存在最低流量要求，當(dāng)?shù)陀谠摿髁繒r(shí)，機(jī)組運(yùn)行工況將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，該運(yùn)行工況點(diǎn)稱為“喘振點(diǎn)”。如果壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，當(dāng)進(jìn)口流量小于壓縮機(jī)喘振流量的時(shí)候，壓縮機(jī)將脫離穩(wěn)定工作狀態(tài)。此時(shí)壓縮機(jī)中的氣體流量劇烈波動(dòng)，壓比隨之上下波動(dòng)，入口溫度以及出口溫度逐漸升高，同時(shí)伴隨低頻、狂風(fēng)般的怒吼聲，使機(jī)組產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，這不僅會(huì)對壓縮機(jī)本體和其驅(qū)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，也對天然氣管網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的隱患。

3 離心式壓縮機(jī)喘振控制

離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振的主要原因，是運(yùn)行時(shí)的實(shí)際流量小于喘振流量。雖然通過壓縮機(jī)組出口放空閥將工藝氣體排向大氣，降低出口管線壓力，也能減少喘振對壓縮機(jī)組成部件造成的危害，但這種方法不僅造成污染與能量浪費(fèi)，而且不能從根本上解決喘振問題。因此可采用回流法控制喘振，即在現(xiàn)場通過一定的工藝管路設(shè)計(jì)措施，在機(jī)組發(fā)生或即將發(fā)生喘振時(shí)增加壓縮機(jī)進(jìn)口流量，使壓縮機(jī)運(yùn)行工況流量大于喘振流量，從而避免壓縮機(jī)喘振。

圖1 防喘控制系統(tǒng)圖

3.1 壓縮機(jī)防喘振自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)

圖1 所示為澀寧蘭輸氣管道所使用的SOLARMAN燃驅(qū)壓縮機(jī)組防喘振自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，由防喘閥、防喘振控制器、流量變送器、溫度變送器和壓力變送器等組成，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)喘振的監(jiān)測和預(yù)防。壓縮機(jī)防喘振自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，通過使壓縮機(jī)出口天然氣經(jīng)防喘閥回流到壓縮機(jī)入口，增大壓縮機(jī)流量來達(dá)到以下目的：（1）保持最小的壓縮機(jī)喘振裕度；（2） 保持最小的壓縮機(jī)進(jìn)口壓力；（3）限制壓縮機(jī)最大出口壓力。

圖2 防喘閥空冷器串聯(lián)工藝管線設(shè)計(jì)示意圖

3.2 壓縮機(jī)防喘振工藝設(shè)計(jì)

對比澀寧蘭輸氣管道SOLAR-MAN燃驅(qū)壓縮機(jī)組所采取的防喘回路設(shè)計(jì)，還可以做出如下改動(dòng)，即在防喘閥回路中串聯(lián)一小功率空冷器，該空冷器只在防喘閥打開時(shí)啟動(dòng)，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)可通過在出口氣體匯管區(qū)安裝較大功率站場空冷器實(shí)現(xiàn)氣體的降溫，該串聯(lián)回路設(shè)計(jì)如圖2所示。

當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生喘振后，防喘閥打開，出口氣體經(jīng)過冷卻回流到進(jìn)口管道補(bǔ)充進(jìn)口流量。在啟機(jī)初期，由于壓縮機(jī)出口壓力小于站場管網(wǎng)壓力，因此出口單向閥關(guān)閉，防喘閥打開，此時(shí)空冷器工作，出口氣體再循環(huán)到壓縮機(jī)進(jìn)口處增大進(jìn)口流量，同時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高，出口壓力不斷增大，當(dāng)達(dá)到加載轉(zhuǎn)速后，壓縮機(jī)排氣壓力大于管網(wǎng)壓力，防喘閥關(guān)閉，空冷器停止工作，壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，此時(shí)只需利用站場空冷器對出站高溫氣體進(jìn)行降溫，而原先設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)組后空冷器在機(jī)組運(yùn)行期間必須一直工作，因此可以得出后者設(shè)計(jì)在多機(jī)組運(yùn)行時(shí)具有較好的節(jié)能效果。

3.3 工藝優(yōu)化分析

通過研究分析，對于壓縮機(jī)喘振，也可以通過出口放空閥將一部分氣體排放至大氣，從而降低背壓，防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振。但此種方法不僅不經(jīng)濟(jì)，而且僅適用于無毒氣體的排放，因此建議可采用圖3所示的方法。

圖3為壓縮機(jī)出口區(qū)放空氣體再利用防喘振示意圖。在壓縮機(jī)出口區(qū)加裝管線以及調(diào)壓撬設(shè)備，當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，對于燃驅(qū)壓縮機(jī)組，可將出口部分氣體經(jīng)過調(diào)壓調(diào)溫處理后作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料氣使用，同時(shí)也可將多余氣體再引入壓縮機(jī)進(jìn)口處增大進(jìn)口流量，使壓縮機(jī)組工作在穩(wěn)定區(qū)域。從經(jīng)濟(jì)性來看，該方法是最經(jīng)濟(jì)的，但另一方面，該方法增加了工藝設(shè)計(jì)難度，在可操作性方面也存在一定的難度，因此顯得比較復(fù)雜。

通過對以上3種防喘振方法進(jìn)行比較，在工藝設(shè)計(jì)方面，都是利用壓縮機(jī)出口部分工藝氣回流至壓縮機(jī)進(jìn)口保證壓縮機(jī)進(jìn)口流量來防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振，同時(shí)第3種方法利用燃驅(qū)機(jī)組以天然氣為能源的特點(diǎn)，直接將出口天然氣作為燃料使用，可節(jié)約對燃料氣加熱所消耗的電能，因此最為經(jīng)濟(jì)。

圖3 壓縮機(jī)出口區(qū)放空氣體再利用防喘振示意圖

圖4 加裝回流閥控制喘振

4 多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行喘振控制實(shí)例分析

4.1 多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)防喘振控制工藝設(shè)計(jì)

冬季天然氣需求量大時(shí)，往往需要多臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行共同工作為天然進(jìn)行增壓。但此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，少一臺機(jī)組，所運(yùn)行機(jī)組即使?jié)M負(fù)荷運(yùn)行，也滿足不了對所有來氣進(jìn)行增壓，而且長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行也會(huì)對機(jī)組產(chǎn)生一定的危害；而多一臺機(jī)組，上游來氣量又不足，可能會(huì)使運(yùn)行機(jī)組發(fā)生喘振。此時(shí)可以在壓縮機(jī)組出口匯管區(qū)加裝回流閥，防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

圖4所示為壓縮機(jī)組出口匯管區(qū)加裝回流閥示意圖。當(dāng)由于進(jìn)口流量低發(fā)生喘振時(shí)，打開回流閥11，并聯(lián)運(yùn)行壓縮機(jī)組排出的部分工藝氣體將輸送至站場過濾區(qū)的入口匯管上，這樣可以確保增加機(jī)組的入口流量，保證壓縮機(jī)能夠在穩(wěn)定的工況條件下繼續(xù)運(yùn)行。以澀寧蘭輸氣管道羊腸子溝壓氣站為例，冬季保供期間，該站往往需要2臺壓縮機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，而由于上游澀北首站來氣量不足，需要打開場站回流閥保證壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行所需流量。

4.2 多機(jī)組運(yùn)行切機(jī)時(shí)存在的回流閥全開問題

澀寧蘭輸氣管道羊腸子溝壓氣站利用聯(lián)控柜實(shí)現(xiàn)對3臺機(jī)組的協(xié)調(diào)控制。當(dāng)壓縮機(jī)組工作時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控其工作狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到運(yùn)行2臺機(jī)組中任意一臺機(jī)組喘振裕度低于控制系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)（此時(shí)機(jī)組有可能發(fā)生喘振），回流閥自動(dòng)打開，增大機(jī)組進(jìn)口流量，使其運(yùn)行在穩(wěn)定工況區(qū)域。在冬季機(jī)組運(yùn)行方式為“兩用一備”，在切換主備用機(jī)組時(shí)均存在站場復(fù)線回流閥全開現(xiàn)象，這說明在切換機(jī)組過程中，至少某一壓縮機(jī)喘振裕度很低，很可能會(huì)使壓縮機(jī)發(fā)生喘振，因此回流閥打開確保壓縮機(jī)進(jìn)口流量足夠。通過對站場運(yùn)行情況進(jìn)行分析，造成機(jī)組喘振裕度低以及回流閥全開的原因可能有以下幾方面：

（1）流量變化：雙機(jī)組運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)所需進(jìn)口流量較大，一旦出現(xiàn)進(jìn)口流量不足的情況，3臺壓縮機(jī)喘振裕度會(huì)很快降低，比單臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)喘振裕度變化快，因此壓縮機(jī)容易進(jìn)入喘振區(qū)域。

（2）轉(zhuǎn)速因素：切機(jī)過程中，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)3臺機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的情況，此時(shí)由于機(jī)組轉(zhuǎn)速不同，進(jìn)口流量存在明顯差異，在進(jìn)口壓力相同的情況下，進(jìn)口流量小的壓縮機(jī)其喘振裕度較低。

（3）防喘閥故障：若機(jī)組的防喘閥存在漏氣，則在起停壓縮機(jī)時(shí)防喘閥動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生延遲，而此時(shí)壓縮機(jī)進(jìn)口流量波動(dòng)較大，其喘振裕度也可能產(chǎn)生較大變化，一旦喘振裕度低于控制系統(tǒng)設(shè)定值，回流閥就會(huì)打開。

（4） 相關(guān)控制系統(tǒng)參數(shù)影響：聯(lián)控柜回流閥控制界面的相關(guān)參數(shù)設(shè)定的不正確，這主要包括：PID控制中比例控制的增益系數(shù)、喘振裕度控制的最低設(shè)定點(diǎn)、進(jìn)出口壓力的設(shè)定值等。例如比例控制增益系數(shù)設(shè)定值偏大，造成閥門開關(guān)速度加快，使得場站人員相應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間減少；喘振裕度控制的最低設(shè)定點(diǎn)偏高，只要任意一機(jī)組的喘振裕度發(fā)生波動(dòng)，就有可能引起回流閥全開。

4.3 多臺機(jī)組運(yùn)行期間切換時(shí)注意事項(xiàng)

（1） 在切機(jī)過程中，要確保升（降） 速、升（降）壓協(xié)調(diào)一致，同時(shí)將運(yùn)行機(jī)組減速，通過降低出口壓力減少壓縮機(jī)出口壓差，方便啟運(yùn)機(jī)組加載運(yùn)行。

（2） 切機(jī)過程中，要提前安排好操作人員分別對啟動(dòng)機(jī)組、停運(yùn)機(jī)組以及聯(lián)控柜進(jìn)行操作監(jiān)控，保證啟停機(jī)組的同步性，同時(shí)觀察回流閥的開度變化，必要時(shí)采取手動(dòng)控制。

（3） 日常巡檢時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對機(jī)組防喘閥及其相關(guān)氣路管線檢漏，并定期對其進(jìn)行保養(yǎng)。

（4） 若對回流閥開度沒有設(shè)置限定值，則喘振裕度一低就會(huì)使其完全打開，大量去往下游的高溫氣體突然又從壓縮機(jī)進(jìn)口處進(jìn)入壓縮機(jī)，造成壓縮機(jī)進(jìn)口氣體和出口氣體溫度突然升高，到達(dá)并超過機(jī)組溫度高停機(jī)設(shè)定值，造成壓縮機(jī)組停機(jī)。特別是對于靠近回流閥的壓縮機(jī)組來說，其溫度變化會(huì)特別明顯。同時(shí)還會(huì)對上游壓力產(chǎn)生“憋壓”，使場站進(jìn)口壓力增高，對管網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生一定危害，因此需密切注意機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和和場站壓力變化，可手動(dòng)控制回流閥開度和降低機(jī)組轉(zhuǎn)速來保證壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

（5） 在夏季環(huán)境溫度高時(shí)，若要切換壓縮機(jī)運(yùn)行方式，可提前手動(dòng)將空冷器備用風(fēng)扇啟動(dòng)，防止由于回流閥打開造成壓縮機(jī)出口氣體溫度高而停機(jī)。

（6） 改變聯(lián)控柜回流閥控制界面的相關(guān)參數(shù)設(shè)定，將比例控制增益系數(shù)值設(shè)低，一般設(shè)為0.15，這樣閥門啟閉速度就會(huì)減緩，增加操作人員的反應(yīng)時(shí)間；同時(shí)將喘振裕度控制的設(shè)定點(diǎn)設(shè)低，目前場站的設(shè)定值為18%，但在日常運(yùn)行中往往因?yàn)闄C(jī)組工況變化引起喘振裕度波動(dòng)，有可能造成回流閥全開，因此可將值設(shè)的更低一些，壓氣站場可根據(jù)實(shí)際情況自行確定一個(gè)合理值。

5 日常生產(chǎn)運(yùn)行中的預(yù)防措施建議

（1） 當(dāng)壓氣站場站各過濾器壓差增大時(shí)，由于管路堵塞會(huì)使壓縮機(jī)實(shí)際進(jìn)口流量降低，因此要及時(shí)更換濾芯。

（2） 要加強(qiáng)防凍保溫工作，特別是對處于高原地區(qū)的澀寧蘭輸氣管道沿線增壓站場來說，冬季溫度特別低，天然氣中的重?zé)N成分很容易液化后結(jié)冰產(chǎn)生冰堵造成管路堵塞，使壓縮機(jī)發(fā)生喘振,給壓縮機(jī)的安全運(yùn)行帶來隱患。

（3） 壓縮機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行工況點(diǎn)如果頻繁接近喘振控制線，會(huì)導(dǎo)致防喘閥頻繁動(dòng)作，使得進(jìn)出口氣流、壓力波動(dòng)較大，最終造成喘振保護(hù)停機(jī)，因此應(yīng)加大對機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況的監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行工況?？梢栽O(shè)定壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)預(yù)報(bào)警值，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行異常情況并采取相關(guān)措施。

（4） 對于輸氣管道首站來說，要加強(qiáng)氣體成分分析與監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)要及時(shí)進(jìn)行處理并告知下游站場，同時(shí)增壓場站應(yīng)加大現(xiàn)場排污力度，確保壓縮機(jī)組進(jìn)氣合格。

（5） 從人員素質(zhì)看，壓縮機(jī)崗位操作人員以及日常值班人員應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，并通過不同操作條件下的運(yùn)行狀況進(jìn)行觀察分析，掌握壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的性能曲線和控制特點(diǎn)，做到心中有數(shù)，只有這樣才能在壓縮機(jī)突發(fā)喘振的情況下，冷靜地采取簡捷有效的措施，使機(jī)組恢復(fù)正常工作。