孔令偉
中國寰球工程有限公司北京分公司,北京100012
我國已建成并在不斷建設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[1]。與其他類型的壓縮機相比,離心壓縮機具有單機容量大、體積小、結構簡單等優(yōu)點,在油氣儲運工程中有著廣泛的應用,但這類壓縮機存在著特殊的缺點即喘振現(xiàn)象。
喘振的發(fā)生使氣體流量和參數(shù)大幅變化,壓縮機性能惡化,并極大加劇機組的振動,進而使壓縮機的轉子甚至定子損壞,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)化離心壓縮機工藝系統(tǒng)的設計以保證其安全穩(wěn)定運行是天然氣輸送,特別是大型天然氣管道壓氣站工程設計的重點和難點。
HYSYS Dynamics 可用于模擬分析并指導原油及天然氣生產(chǎn)及儲運系統(tǒng)的運行,反映實際生產(chǎn)中溫度、壓力、流量、產(chǎn)品組成等干擾因素隨時間響應變化的過程,指導生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運行及正常操作[6-9]。以往壓縮機的設計、選型中,選用參數(shù)通?;诜€(wěn)態(tài)模擬。當前,國內外研究機構和工程公司等已普遍引入動態(tài)模擬技術[5-12],由于引入了時間變量,其分析數(shù)據(jù)更加貼近生產(chǎn)實際。Liedmin等[13]使用HYSYS Dynamic 對挪威壓縮機改造項目進行深入分析,建立油氣平臺動態(tài)模型,研究了關機、開機和階躍變化三種動態(tài)案例。Jiang 等[14]搭建壓縮機的動態(tài)模型,用于模擬測試壓縮機的動態(tài)性能,通過復雜接口對壓縮機的動態(tài)性能進行評價。Hansen 等[15]對新建離心壓縮機項目進行動態(tài)模擬分析,建立了串、并聯(lián)的壓縮機模型,研究了入口氣量減少、入口流量段塞式波動、防喘閥開度等變化情況,討論了負荷分配策略,但并未研究壓縮機的開停車工況。迄今為止,未發(fā)現(xiàn)針對并聯(lián)壓縮機開、停車工況的動態(tài)模擬研究。
目前,國內大型天然氣壓氣站的壓縮機配置基本為兩開一備,并聯(lián)運行。由于兩臺壓縮機啟動、運行時互相影響,并聯(lián)運行的壓縮機運行狀況更為復雜,總的輸氣量并非是兩臺同樣規(guī)模的壓縮機單獨運行時輸送量的簡單累加求和。不論是開車工況還是停車工況,兩臺壓縮機并聯(lián)運行的情況都要比單臺壓縮機運行更為復雜。
本文以國內某天然氣壓氣站壓縮機系統(tǒng)為例,采用HYSYS Dynamic 軟件動態(tài)模擬技術研究兩臺并聯(lián)壓縮機開車工況,分析其動態(tài)特性,研究其工作點變化曲線以及壓縮機流量、進出口壓力、功率、轉速隨時間的變化趨勢,以驗證壓縮機防喘振系統(tǒng)的合理性。
以西氣東輸某壓氣站燃氣壓縮機系統(tǒng)為建模基礎,壓縮機配置為兩開一備,備用壓縮機正常處于停機狀態(tài),因此模擬流程僅包含兩臺運行壓縮機,設計轉速為4 489 r/min。壓縮機性能曲線如圖1 所示。
圖1 壓縮機性能曲線
天然氣進站壓力最低工況7.3 MPa,出站壓力11.8 MPa。天然氣組成如表1 所示。
上游一級站場來氣首先分為5 路平行經(jīng)過5 列并聯(lián)的旋風分離器及過濾分離器后進入?yún)R管,之后進入兩臺壓縮機入口。為簡化模擬流程,5 列并聯(lián)的分離器組簡化為一列,總容積相等。
表1 天然氣組成
每臺壓縮機出口均設置單獨的防喘控制閥,回流天然氣經(jīng)防喘控制閥后匯合,再經(jīng)回流主管返回旋風分離器入口以彌補上游氣體供應不足,從而形成壓縮機系統(tǒng)的防喘回路。
此外,作為壓縮機防喘系統(tǒng)的一部分,每臺壓縮機需考慮設置熱旁通,目的是為了避免防喘閥動作不及時或流通能力不足而導致壓縮機發(fā)生喘振。熱旁通設置與否,無法根據(jù)穩(wěn)態(tài)計算得出結論,而必須通過壓縮機動態(tài)模擬才能進行判斷。
本文中防喘振閥門的特性如表2 所示,壓縮機動態(tài)模型擬流程見圖2。
表2 防喘閥參數(shù)
導致壓縮機發(fā)生喘振的因素很多,如壓縮機入口的組分、介質、流量、壓力等工藝參數(shù)的變化,進出口管路的布置、容積等。本文中管道尺寸、長度按實際情況確定。
采用HYSYS Dynamics 中的壓縮機、管段、分離器等模塊建立模型,利用趨勢圖研究壓縮機開車過程中管道內流量、壓力以及壓縮機轉速、功率等參數(shù)的動態(tài)變化趨勢。壓縮機啟動控制方式為比例積分(PI) 控制。并聯(lián)壓縮機的開車過程為:先啟動第一臺壓縮機,第一臺壓縮機穩(wěn)定運行后再啟動第二臺壓縮機。
圖2 動態(tài)模擬流程
工況一,單機啟動。啟動并聯(lián)壓縮機中的一臺壓縮機,壓縮機的啟動開始時間設定在60 s。根據(jù)壓縮機的一般開車程序,先打開防喘閥,再啟動壓縮機。此時,防喘閥開度設定不能過大,否則會導致壓縮機流量過高,工作點越過石墻線進入阻塞區(qū)。究其原因,在離心壓縮機設計階段,為滿足緊急關停工況中的氣體回流量,防喘振閥選型相對較大,忽視了其對啟機過程的影響,由此產(chǎn)生啟機回流量超高的現(xiàn)象,導致啟機存在嚴重的摩阻損耗、筒體振動以及機械損傷的風險,因此須限制啟機過程的回流能力[16],本文即屬于此種情況。經(jīng)多次調試,以本文中所設定的條件,防喘閥的開度設為55%時啟機,過程相對較為平穩(wěn)。
首臺壓縮機啟機工作點軌跡見圖3,相關工藝參數(shù)變化趨勢見圖4。
圖3 首臺壓縮機啟機工作點軌跡
圖4 首臺壓縮機啟機過程工藝參數(shù)變化趨勢
從圖3 中可以看出,壓縮機的啟動工作點軌跡存在一處拐點,此處為防喘閥由手動固定開度轉為自動控制的時間點。在此點之前,工作點軌跡曲線較為平滑,此階段相當于壓縮機的啟動、怠速階段,此時壓縮機的流量雖大幅提高,揚程增量卻較??;提速中揚程則大幅提高;加載階段即壓縮機出口閥門打開的時間段,則波動較小。從圖4 中可以看出,雖然壓縮機的功率、轉速都很穩(wěn)定,但由于受其管路系統(tǒng)及控制參數(shù)的影響,流量會有較大的波動。此外,從圖4 中還可以看出,壓縮機入口壓力波動很小,考慮其原因是壓縮機入口的設備及管道容積較大,有足夠的緩沖空間,防喘振線的尺寸設置也能滿足要求。最后,從壓縮機完整啟動過程來看,防喘振閥門的響應速度及流通能力完全可以滿足要求,無需再設置熱旁通。
有時下游不要求過高流量,只開一臺壓縮機也能滿足要求,即系統(tǒng)處于低負荷運轉狀態(tài)。因此,從設計角度看,上述單獨一臺壓縮機啟動、運轉可作為一個特殊工況看待。本文重點討論的正常工況是:兩臺壓縮機同時工作、并聯(lián)運行的啟動過程,尤其是第二臺壓縮機的啟動過程。在首臺壓縮機運轉平穩(wěn)后,啟動第二臺壓縮機。第二臺壓縮機開車程序與首臺壓縮機相同,先打開防喘閥,再啟動壓縮機。此處需要說明的是,為了防止壓縮機出口氣體回流并降低兩臺壓縮機之間的互相影響,實際設計當中每臺壓縮機出口都會設置止回閥。在模型當中,防喘振閥需設置止回閥功能。第二臺壓縮機防喘閥開度同樣設為55%,壓縮機啟機工作點軌跡見圖5,相關工藝參數(shù)變化趨勢見圖6。
圖5 第二臺壓縮機啟機工作點軌跡
從圖5 及圖6 中可以看出,相對于首臺壓縮機的啟動過程,在啟動、怠速階段,壓縮機的流量波動很大,這主要是由于壓縮機進出口的壓差較大,同時由于第二臺壓縮機開始啟動,系統(tǒng)總流量增加,壓縮機出口匯管及回流總管的流體力學狀態(tài)不斷發(fā)生改變,此時比較容易發(fā)生喘振,必要時需要對壓縮機的PI 參數(shù)進行微調。首臺壓縮機啟動20 s后,轉速已經(jīng)提升到4 000 r/min 以上,但是第二臺壓縮機提速較慢,啟動20 s 時,轉速僅提升到接近2 500 r/min。第二臺壓縮機功率提高較慢,啟動20 s 時,功率不足5 000 kW,而首臺壓縮機啟動20 s 后,功率已經(jīng)提升到接近15 000 kW。壓縮機進出口壓力波動均很小,第二臺壓縮機的啟動對壓縮機出口總管線的壓力幾乎沒有影響。從第二臺壓縮機啟動過程看,防喘振閥門的響應速度及流通能力完全可以滿足要求,不需設置熱旁通。
圖6 第二臺壓縮機啟動過程工藝參數(shù)變化趨勢
本文采用HYSYS Dynamic 流程模擬軟件,建立并聯(lián)離心壓縮機系統(tǒng)動態(tài)模型,研究單臺壓縮機啟動過程以及并聯(lián)第二臺壓縮機啟動過程中工藝參數(shù)的動態(tài)響應過程,以判斷整個防喘振系統(tǒng)的性能,其結論如下:
(1) 首臺壓縮機對隨后啟動的第二臺壓縮機在啟動、怠速階段的影響較大,會造成較大波動,此時易發(fā)生喘振,需要引起重視,模擬過程及實際開車過程中,可能需要對壓縮機控制的PI 參數(shù)進行微調。
(2) 通過動態(tài)模擬分析,可知本文中給定的防喘閥CV 值足夠大,甚至在全開的情況下會導致流量過大,壓縮機過載,必須進行限位。
(3) 首臺壓縮機對隨后啟動的壓縮機的影響還體現(xiàn)在轉速、功率的提升速度上,而對壓力的影響很小。
(4) 本文的防喘振系統(tǒng)的響應時間及流通能力均滿足壓縮機的控制要求,無需設置熱旁通。
(5) 通過單機啟動、并聯(lián)雙機順序啟動的動態(tài)過程模擬分析,驗證了本文的壓縮機防喘振系統(tǒng)的合理性。同時,也可為天然氣壓氣站工程設計及現(xiàn)場開車過程提供參考。