孔令偉

中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司，北京100012

我國(guó)已建成并在不斷建設(shè)的大型天然氣輸氣管道工程（如西氣東輸工程），其壓氣站主要使用離心式壓縮機(jī)[1]。與其他類型的壓縮機(jī)相比，離心壓縮機(jī)具有單機(jī)容量大、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程中有著廣泛的應(yīng)用，但這類壓縮機(jī)存在著特殊的缺點(diǎn)即喘振現(xiàn)象。

喘振的發(fā)生使氣體流量和參數(shù)大幅變化，壓縮機(jī)性能惡化，并極大加劇機(jī)組的振動(dòng)，進(jìn)而使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子甚至定子損壞，造成輸送氣體外泄，甚至引起爆炸等惡性事故[2-5]。因此，優(yōu)化離心壓縮機(jī)工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行是天然氣輸送，特別是大型天然氣管道壓氣站工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

HYSYS Dynamics 可用于模擬分析并指導(dǎo)原油及天然氣生產(chǎn)及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行，反映實(shí)際生產(chǎn)中溫度、壓力、流量、產(chǎn)品組成等干擾因素隨時(shí)間響應(yīng)變化的過(guò)程，指導(dǎo)生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行及正常操作[6-9]。以往壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、選型中，選用參數(shù)通?；诜€(wěn)態(tài)模擬。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司等已普遍引入動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)[5-12]，由于引入了時(shí)間變量，其分析數(shù)據(jù)更加貼近生產(chǎn)實(shí)際。Liedmin等[13]使用HYSYS Dynamic 對(duì)挪威壓縮機(jī)改造項(xiàng)目進(jìn)行深入分析，建立油氣平臺(tái)動(dòng)態(tài)模型，研究了關(guān)機(jī)、開(kāi)機(jī)和階躍變化三種動(dòng)態(tài)案例。Jiang 等[14]搭建壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，用于模擬測(cè)試壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，通過(guò)復(fù)雜接口對(duì)壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。Hansen 等[15]對(duì)新建離心壓縮機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，建立了串、并聯(lián)的壓縮機(jī)模型，研究了入口氣量減少、入口流量段塞式波動(dòng)、防喘閥開(kāi)度等變化情況，討論了負(fù)荷分配策略，但并未研究壓縮機(jī)的開(kāi)停車工況。迄今為止，未發(fā)現(xiàn)針對(duì)并聯(lián)壓縮機(jī)開(kāi)、停車工況的動(dòng)態(tài)模擬研究。

目前，國(guó)內(nèi)大型天然氣壓氣站的壓縮機(jī)配置基本為兩開(kāi)一備，并聯(lián)運(yùn)行。由于兩臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)互相影響，并聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)運(yùn)行狀況更為復(fù)雜，總的輸氣量并非是兩臺(tái)同樣規(guī)模的壓縮機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)輸送量的簡(jiǎn)單累加求和。不論是開(kāi)車工況還是停車工況，兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的情況都要比單臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行更為復(fù)雜。

本文以國(guó)內(nèi)某天然氣壓氣站壓縮機(jī)系統(tǒng)為例，采用HYSYS Dynamic 軟件動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)研究?jī)膳_(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)開(kāi)車工況，分析其動(dòng)態(tài)特性，研究其工作點(diǎn)變化曲線以及壓縮機(jī)流量、進(jìn)出口壓力、功率、轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，以驗(yàn)證壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的合理性。

1 模擬基礎(chǔ)

以西氣東輸某壓氣站燃?xì)鈮嚎s機(jī)系統(tǒng)為建模基礎(chǔ)，壓縮機(jī)配置為兩開(kāi)一備，備用壓縮機(jī)正常處于停機(jī)狀態(tài)，因此模擬流程僅包含兩臺(tái)運(yùn)行壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4 489 r/min。壓縮機(jī)性能曲線如圖1 所示。

圖1 壓縮機(jī)性能曲線

天然氣進(jìn)站壓力最低工況7.3 MPa，出站壓力11.8 MPa。天然氣組成如表1 所示。

上游一級(jí)站場(chǎng)來(lái)氣首先分為5 路平行經(jīng)過(guò)5 列并聯(lián)的旋風(fēng)分離器及過(guò)濾分離器后進(jìn)入?yún)R管，之后進(jìn)入兩臺(tái)壓縮機(jī)入口。為簡(jiǎn)化模擬流程，5 列并聯(lián)的分離器組簡(jiǎn)化為一列，總?cè)莘e相等。

表1 天然氣組成

每臺(tái)壓縮機(jī)出口均設(shè)置單獨(dú)的防喘控制閥，回流天然氣經(jīng)防喘控制閥后匯合，再經(jīng)回流主管返回旋風(fēng)分離器入口以彌補(bǔ)上游氣體供應(yīng)不足，從而形成壓縮機(jī)系統(tǒng)的防喘回路。

此外，作為壓縮機(jī)防喘系統(tǒng)的一部分，每臺(tái)壓縮機(jī)需考慮設(shè)置熱旁通，目的是為了避免防喘閥動(dòng)作不及時(shí)或流通能力不足而導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生喘振。熱旁通設(shè)置與否，無(wú)法根據(jù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算得出結(jié)論，而必須通過(guò)壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模擬才能進(jìn)行判斷。

本文中防喘振閥門的特性如表2 所示，壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)模型擬流程見(jiàn)圖2。

表2 防喘閥參數(shù)

2 開(kāi)車過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬

導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生喘振的因素很多，如壓縮機(jī)入口的組分、介質(zhì)、流量、壓力等工藝參數(shù)的變化，進(jìn)出口管路的布置、容積等。本文中管道尺寸、長(zhǎng)度按實(shí)際情況確定。

采用HYSYS Dynamics 中的壓縮機(jī)、管段、分離器等模塊建立模型，利用趨勢(shì)圖研究壓縮機(jī)開(kāi)車過(guò)程中管道內(nèi)流量、壓力以及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。壓縮機(jī)啟動(dòng)控制方式為比例積分（PI） 控制。并聯(lián)壓縮機(jī)的開(kāi)車過(guò)程為：先啟動(dòng)第一臺(tái)壓縮機(jī)，第一臺(tái)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后再啟動(dòng)第二臺(tái)壓縮機(jī)。

2.1 首臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)車過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬

圖2 動(dòng)態(tài)模擬流程

工況一，單機(jī)啟動(dòng)。啟動(dòng)并聯(lián)壓縮機(jī)中的一臺(tái)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)間設(shè)定在60 s。根據(jù)壓縮機(jī)的一般開(kāi)車程序，先打開(kāi)防喘閥，再啟動(dòng)壓縮機(jī)。此時(shí)，防喘閥開(kāi)度設(shè)定不能過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)流量過(guò)高，工作點(diǎn)越過(guò)石墻線進(jìn)入阻塞區(qū)。究其原因，在離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段，為滿足緊急關(guān)停工況中的氣體回流量，防喘振閥選型相對(duì)較大，忽視了其對(duì)啟機(jī)過(guò)程的影響，由此產(chǎn)生啟機(jī)回流量超高的現(xiàn)象，導(dǎo)致啟機(jī)存在嚴(yán)重的摩阻損耗、筒體振動(dòng)以及機(jī)械損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此須限制啟機(jī)過(guò)程的回流能力[16]，本文即屬于此種情況。經(jīng)多次調(diào)試，以本文中所設(shè)定的條件，防喘閥的開(kāi)度設(shè)為55%時(shí)啟機(jī)，過(guò)程相對(duì)較為平穩(wěn)。

首臺(tái)壓縮機(jī)啟機(jī)工作點(diǎn)軌跡見(jiàn)圖3，相關(guān)工藝參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖3 首臺(tái)壓縮機(jī)啟機(jī)工作點(diǎn)軌跡

圖4 首臺(tái)壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程工藝參數(shù)變化趨勢(shì)

從圖3 中可以看出，壓縮機(jī)的啟動(dòng)工作點(diǎn)軌跡存在一處拐點(diǎn)，此處為防喘閥由手動(dòng)固定開(kāi)度轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制的時(shí)間點(diǎn)。在此點(diǎn)之前，工作點(diǎn)軌跡曲線較為平滑，此階段相當(dāng)于壓縮機(jī)的啟動(dòng)、怠速階段，此時(shí)壓縮機(jī)的流量雖大幅提高，揚(yáng)程增量卻較??；提速中揚(yáng)程則大幅提高；加載階段即壓縮機(jī)出口閥門打開(kāi)的時(shí)間段，則波動(dòng)較小。從圖4 中可以看出，雖然壓縮機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速都很穩(wěn)定，但由于受其管路系統(tǒng)及控制參數(shù)的影響，流量會(huì)有較大的波動(dòng)。此外，從圖4 中還可以看出，壓縮機(jī)入口壓力波動(dòng)很小，考慮其原因是壓縮機(jī)入口的設(shè)備及管道容積較大，有足夠的緩沖空間，防喘振線的尺寸設(shè)置也能滿足要求。最后，從壓縮機(jī)完整啟動(dòng)過(guò)程來(lái)看，防喘振閥門的響應(yīng)速度及流通能力完全可以滿足要求，無(wú)需再設(shè)置熱旁通。

2.2 第二臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)車過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬

有時(shí)下游不要求過(guò)高流量，只開(kāi)一臺(tái)壓縮機(jī)也能滿足要求，即系統(tǒng)處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，從設(shè)計(jì)角度看，上述單獨(dú)一臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可作為一個(gè)特殊工況看待。本文重點(diǎn)討論的正常工況是：兩臺(tái)壓縮機(jī)同時(shí)工作、并聯(lián)運(yùn)行的啟動(dòng)過(guò)程，尤其是第二臺(tái)壓縮機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。在首臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，啟動(dòng)第二臺(tái)壓縮機(jī)。第二臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)車程序與首臺(tái)壓縮機(jī)相同，先打開(kāi)防喘閥，再啟動(dòng)壓縮機(jī)。此處需要說(shuō)明的是，為了防止壓縮機(jī)出口氣體回流并降低兩臺(tái)壓縮機(jī)之間的互相影響，實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中每臺(tái)壓縮機(jī)出口都會(huì)設(shè)置止回閥。在模型當(dāng)中，防喘振閥需設(shè)置止回閥功能。第二臺(tái)壓縮機(jī)防喘閥開(kāi)度同樣設(shè)為55%，壓縮機(jī)啟機(jī)工作點(diǎn)軌跡見(jiàn)圖5，相關(guān)工藝參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖5 第二臺(tái)壓縮機(jī)啟機(jī)工作點(diǎn)軌跡

從圖5 及圖6 中可以看出，相對(duì)于首臺(tái)壓縮機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，在啟動(dòng)、怠速階段，壓縮機(jī)的流量波動(dòng)很大，這主要是由于壓縮機(jī)進(jìn)出口的壓差較大，同時(shí)由于第二臺(tái)壓縮機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，系統(tǒng)總流量增加，壓縮機(jī)出口匯管及回流總管的流體力學(xué)狀態(tài)不斷發(fā)生改變，此時(shí)比較容易發(fā)生喘振，必要時(shí)需要對(duì)壓縮機(jī)的PI 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。首臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)20 s后，轉(zhuǎn)速已經(jīng)提升到4 000 r/min 以上，但是第二臺(tái)壓縮機(jī)提速較慢，啟動(dòng)20 s 時(shí)，轉(zhuǎn)速僅提升到接近2 500 r/min。第二臺(tái)壓縮機(jī)功率提高較慢，啟動(dòng)20 s 時(shí)，功率不足5 000 kW，而首臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)20 s 后，功率已經(jīng)提升到接近15 000 kW。壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力波動(dòng)均很小，第二臺(tái)壓縮機(jī)的啟動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)出口總管線的壓力幾乎沒(méi)有影響。從第二臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程看，防喘振閥門的響應(yīng)速度及流通能力完全可以滿足要求，不需設(shè)置熱旁通。

圖6 第二臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程工藝參數(shù)變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

本文采用HYSYS Dynamic 流程模擬軟件，建立并聯(lián)離心壓縮機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，研究單臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程以及并聯(lián)第二臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，以判斷整個(gè)防喘振系統(tǒng)的性能，其結(jié)論如下：

（1） 首臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)隨后啟動(dòng)的第二臺(tái)壓縮機(jī)在啟動(dòng)、怠速階段的影響較大，會(huì)造成較大波動(dòng)，此時(shí)易發(fā)生喘振，需要引起重視，模擬過(guò)程及實(shí)際開(kāi)車過(guò)程中，可能需要對(duì)壓縮機(jī)控制的PI 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

（2） 通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬分析，可知本文中給定的防喘閥CV 值足夠大，甚至在全開(kāi)的情況下會(huì)導(dǎo)致流量過(guò)大，壓縮機(jī)過(guò)載，必須進(jìn)行限位。

（3） 首臺(tái)壓縮機(jī)對(duì)隨后啟動(dòng)的壓縮機(jī)的影響還體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速、功率的提升速度上，而對(duì)壓力的影響很小。

（4） 本文的防喘振系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間及流通能力均滿足壓縮機(jī)的控制要求，無(wú)需設(shè)置熱旁通。

（5） 通過(guò)單機(jī)啟動(dòng)、并聯(lián)雙機(jī)順序啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬分析，驗(yàn)證了本文的壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的合理性。同時(shí)，也可為天然氣壓氣站工程設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)車過(guò)程提供參考。