王同寶

中石化寧波工程有限公司 寧波 315000

離心式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石化領(lǐng)域，用來輸送各種工藝氣體，是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能的增壓設(shè)備，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、排氣量大、性能穩(wěn)定，實(shí)用性較強(qiáng)。由于離心式壓縮機(jī)性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)較窄，當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生改變后，如果防喘振系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不夠或不能正常工作，易發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴(yán)重的可導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行癱瘓或發(fā)生損壞事故[1-2]。對(duì)于改造項(xiàng)目，由于壓縮機(jī)的工作環(huán)境發(fā)生了改變，比如系統(tǒng)操作參數(shù)、工藝介質(zhì)組成、壓縮機(jī)進(jìn)出口管道尺寸及布置、系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備新增、刪減或改造、壓縮機(jī)操作方式等因素的變化，導(dǎo)致原壓縮機(jī)的正常工作點(diǎn)已發(fā)生偏離。因此，需要結(jié)合改造工藝方案對(duì)原壓縮機(jī)及其防喘振系統(tǒng)進(jìn)行重新驗(yàn)證，以保證壓縮機(jī)在正常停車及緊急停車等非正常工況下，能夠安全、平穩(wěn)停車，不造成喘振事故的發(fā)生。

通常壓縮機(jī)在初始設(shè)計(jì)時(shí)，是以穩(wěn)態(tài)工況下的工藝參數(shù)作為輸入條件，并結(jié)合壓縮機(jī)制造商的經(jīng)驗(yàn)公式來對(duì)防喘振系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)改造后，尤其是對(duì)于多級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)，工藝流程更加復(fù)雜，僅僅通過穩(wěn)態(tài)下壓縮機(jī)進(jìn)出口的工藝參數(shù)來進(jìn)行驗(yàn)證是不夠的，也不能做到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，需結(jié)合具體的操作方式及可能出現(xiàn)的工況，對(duì)包括防喘振回路在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行完整的分析。動(dòng)態(tài)模擬的方法是在模型求解的常(偏)微分方程中引入時(shí)間參數(shù)，其建模過程是基于管道及儀表流程圖，并且加入了聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，可以更加直觀地觀察壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化曲線、各級(jí)進(jìn)出口及防喘振回路的工藝參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，因此可用于對(duì)壓縮機(jī)系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)優(yōu)化，確保系統(tǒng)操作安全穩(wěn)定。

1 模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在某合成氨擴(kuò)能改造項(xiàng)目中，裝置氨產(chǎn)能由原正常工況的1575 Mt/d擬提升至1650 Mt/d。本文以該項(xiàng)目中一套需要改造的氨冰機(jī)系統(tǒng)為例，對(duì)改造方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模分析，以達(dá)到分析工藝參數(shù)變化情況及壓縮機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況、驗(yàn)證防喘振系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。氨冰機(jī)系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 氨冰機(jī)系統(tǒng)流程簡圖

來自上游氨合成工段的氨，溫度為78℃，壓力為211 kg/cm2，經(jīng)過氨冷卻器初步冷卻至46℃后，進(jìn)入組合式換熱器與來自液氨閃蒸罐的低溫液氨進(jìn)一步換熱降溫后，進(jìn)入液氨一級(jí)分離罐；分離出氣氨后，再進(jìn)入液氨二級(jí)分離罐，壓力降低至20.5 kg/cm2；再次分離出閃蒸的氣氨后，液相部分進(jìn)入多級(jí)氨閃蒸罐一段，閃蒸壓力為常壓。閃蒸出的氣氨進(jìn)入氨冰機(jī)經(jīng)過四級(jí)壓縮后，壓力提高至19 kg/cm2，經(jīng)過多級(jí)冷卻、分離后，返回界區(qū)入口液氨管線上，形成一個(gè)壓縮、冷卻冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)的循環(huán)制冷系統(tǒng)。氨冰機(jī)的二三四級(jí)分別有來自多級(jí)氨閃蒸罐的中間補(bǔ)氣。產(chǎn)品液氨最終通過多級(jí)閃蒸罐的第一級(jí)底部產(chǎn)出，通過泵送出界區(qū)。流程簡圖中虛線框部分是產(chǎn)能提升后需改造的設(shè)備及管線。壓縮機(jī)各級(jí)之間均設(shè)有防喘振線。

采用Aspen HYSYS V11，建模過程按照實(shí)際配管情況，結(jié)合設(shè)備尺寸、管道及換熱器壓降、壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、閥門形式、壓縮機(jī)操作要求、聯(lián)鎖控制方案等因素，按照壓縮機(jī)的操作手冊，對(duì)正常停車和緊急停車兩種工況分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，為改造方案及壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 改造工藝路線驗(yàn)證

2.1 壓縮機(jī)操作點(diǎn)驗(yàn)證

改造項(xiàng)目中，壓縮機(jī)操作點(diǎn)的變化是管路設(shè)備配置方案中各個(gè)設(shè)備的特性對(duì)管道內(nèi)氣體流動(dòng)影響的綜合表現(xiàn)，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和安裝過程中，需要對(duì)管道設(shè)備布置方案進(jìn)行完整建模，并準(zhǔn)確計(jì)算各部件特性。本項(xiàng)目中，工藝路線的改造范圍有：① 氨冰機(jī)系統(tǒng)部分管線管徑、布置變化；② 新增旁路；③ 原單臺(tái)氨冰機(jī)冷凝器拆分為兩臺(tái)串聯(lián)的換熱器；④ 壓縮機(jī)二段中間冷卻器改造；⑤ 壓縮機(jī)透平改造等方面。壓縮機(jī)本體不涉及改造，因此性能曲線不變。在模型中觀察1650 Mt/d(100%負(fù)荷，8600 r/min)工況下壓縮機(jī)各級(jí)新的操作點(diǎn)位置以及流量、壓頭、效率數(shù)據(jù)，并與改造前的1575 Mt/d進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 改造前后壓縮機(jī)正常操作點(diǎn)與效率對(duì)比

通過上表可以看出，在1650 Mt/d工況下，壓縮機(jī)各級(jí)流量均有所提高，而壓縮機(jī)I至IV級(jí)的壓頭分別降低了7.36%、1.75%、13.04%和8.05%，效率分別降低了0.04%、2.07%、0.02%和2.63%。壓縮機(jī)性能曲線表征的是轉(zhuǎn)速、流量與揚(yáng)程的關(guān)系。在壓縮機(jī)性能曲線中，1650 Mt/d工況下工作點(diǎn)的位置與初始設(shè)計(jì)工況并沒有很大偏差，效率的降低也在可接受范圍內(nèi)，仍然處在高效區(qū)。據(jù)此判斷，新工藝路線下原壓縮機(jī)是可以利舊的。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證

壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，氨冰機(jī)系統(tǒng)中各部分的壓力、溫度等工藝參數(shù)也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，有的甚至偏離正常設(shè)計(jì)值好幾倍。而這種偏離難以通過穩(wěn)態(tài)模型模擬計(jì)算出。因此，在工程設(shè)計(jì)中，設(shè)備管道的設(shè)計(jì)參數(shù)往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或最極端情況來確定，會(huì)存在過度設(shè)計(jì)或考慮不足的情況。而在動(dòng)態(tài)模型中，可以觀察氨冰機(jī)系統(tǒng)中任意位置的工藝參數(shù)及介質(zhì)物性在壓縮機(jī)開停車過程中的變化情況，通過獲取該過程中的峰值數(shù)據(jù)，對(duì)已有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核或優(yōu)化。以緊急停車工況下，壓縮機(jī)I段入口及防喘振線為例，其溫度、壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖2～圖5。

圖2 I段入口溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖3 I段入口壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖4 I段入口流量隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖5 I段防喘振閥流量隨時(shí)間的變化關(guān)系

由上圖可以看出，0～10s時(shí)刻為壓縮機(jī)在1650 Mt/d工況下正常運(yùn)行參數(shù)，10s后壓縮機(jī)動(dòng)力源失去，緊急停車程序觸發(fā)。停車過程中，I段入口溫度由-31.5℃上升至26.1℃，壓力由1.1 kg/cm2升高至10.3 kg/cm2，流量則在約140s左右達(dá)到峰值20856 kg/h，為正常操作值的1.62倍；防喘振線的流量則在迅速升高至26676kg/h后緩慢回落。通過獲取動(dòng)態(tài)過程中工藝參數(shù)的最大和最小值，可以用來校核相關(guān)管道已有的設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化，或采取相應(yīng)措施來保證系統(tǒng)安全。同樣以I段入口管線為例，原管線/設(shè)備的參數(shù)與模擬結(jié)果的對(duì)比見表2。

表2 原管線的參數(shù)與模擬結(jié)果的對(duì)比

通過上表的對(duì)比結(jié)果可以看出緊急停車過程中出現(xiàn)的最大溫度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)溫度上限，是滿足要求的；最大壓力值雖然沒有超過原管線設(shè)計(jì)壓力，但比較接近，余量較小。因此，按照設(shè)計(jì)規(guī)定，建議調(diào)整設(shè)計(jì)壓力為12.3 kg/cm2，或在設(shè)備上增加安全閥，以避免相關(guān)的管線和設(shè)備發(fā)生超壓工況。同樣，通過I段入口管線和防喘振線的流量，也可對(duì)原管線尺寸進(jìn)行校核。

3 防喘振系統(tǒng)驗(yàn)證

對(duì)于多級(jí)壓縮機(jī)而言，壓縮機(jī)防喘振回路、防喘振回路與主工藝路線之間，存在強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，在實(shí)際壓縮機(jī)開停車操作中，為了消除回路間的這種耦合干擾，操作人員只能把閥門投到手動(dòng)，并且人為開大，以便讓壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振控制線，但這樣將導(dǎo)致能耗增加[4]。而采用動(dòng)態(tài)模型，可以將開停車過程中這種復(fù)雜的變化關(guān)系通過工作點(diǎn)在性能曲線上的運(yùn)動(dòng)軌跡直觀地展示出來。本文主要研究緊急停車和正常停車工況下，壓縮機(jī)防喘振回路的工作情況。

按照壓縮機(jī)操作手冊說明，緊急停車是指壓縮機(jī)在失去動(dòng)力源的情況下，依靠轉(zhuǎn)子自身慣性維持轉(zhuǎn)動(dòng)，直至最終停止，同時(shí)聯(lián)鎖控制系統(tǒng)動(dòng)作氨冰機(jī)系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)的閥門及設(shè)備。上述過程稱為摩阻衰減，其轉(zhuǎn)速衰減趨勢決定了氣量減少量以及工作點(diǎn)向喘振區(qū)移動(dòng)速度[5]；正常停車則是指通過程序控制，在10 min內(nèi)將壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低至3000 r/min，然后再人工切斷動(dòng)力源，直至壓縮機(jī)最終停止，即分為動(dòng)力衰減和摩阻衰減兩個(gè)階段。在上述兩種停車工況下，壓縮機(jī)失去動(dòng)力，葉輪轉(zhuǎn)速迅速衰減，導(dǎo)致壓頭和流量迅速降低，極易發(fā)生喘振。兩種工況的部分模擬結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 緊急停車I段工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡

圖7 緊急停車III段工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡

圖8 正常停車I段工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡

動(dòng)態(tài)模擬研究防喘振系統(tǒng)的主要目標(biāo)是保證工作點(diǎn)軌跡落在壓縮機(jī)性能曲線的穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)。通過上圖工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡可以看出，緊急停車工況下壓縮機(jī)I段工作點(diǎn)快速越過了喘振控制線，流量迅速歸零，說明I段防喘振閥即使在全部打開的情況下，防喘振線的通過能力在此工況下仍然嚴(yán)重不足；III段工作點(diǎn)在越過喘振控制線之后，流量降低速率快速減小，說明III段的防喘振閥能力有一定不足。正常停車下的壓縮機(jī)I段工作點(diǎn)剛開始沿著防喘振控制線右側(cè)邊緣緩慢下降，但最終還是越過了防喘振控制線，緊接著出現(xiàn)了第1個(gè)拐點(diǎn)，說明此時(shí)防喘振閥開始工作，壓縮機(jī)入口流量增加，但之后始終未能回到防喘振控制線右側(cè)，說明防喘振閥的通過能力略有不足。綜上所述，壓縮機(jī)I段和III段已有的防喘振系統(tǒng)已無法滿足改造后的工況要求，因此，需要對(duì)防喘振閥的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

防喘振閥的Cv值表征了防喘振線流量的通過能力，Cv越大，則壓縮機(jī)出口回流量越多；防喘振閥的動(dòng)作時(shí)間則表征了系統(tǒng)響應(yīng)快慢，動(dòng)作時(shí)間越大，意味著系統(tǒng)反應(yīng)更為遲緩，不能及時(shí)抑制壓縮機(jī)流量的減小趨勢[5-6]。改變防喘振閥的Cv值、動(dòng)作時(shí)間和再運(yùn)行模型進(jìn)行調(diào)試，直至壓縮機(jī)工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡完全落在臨界喘振線右側(cè)。防喘振閥調(diào)整前后對(duì)比的參數(shù)見表3。

表3 改造前后防喘振閥的參數(shù)對(duì)比

壓縮機(jī)的工作點(diǎn)隨時(shí)間的變化情況，見圖9～圖11。

圖9 緊急停車I段工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡

圖10 緊急停車III段工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡

圖11 正常停車I段工作點(diǎn)運(yùn)行軌跡

從模型的運(yùn)行情況來看，I段和III段在緊急停車過程中沒有喘振發(fā)生，工作點(diǎn)的軌跡始終在喘振控制線的右側(cè)，說明模型中選取的防喘振參數(shù)是合理的。雖然I段的Cv值從70調(diào)整為210，但I(xiàn)II、IV段分別從210調(diào)整為95和70，降低了防喘振閥的選型要求，既避免了過度設(shè)計(jì)，又保證了氨冰機(jī)系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定停車。

4 結(jié)語

本文從動(dòng)態(tài)的角度對(duì)某合成氨改造項(xiàng)目中的多級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)的改造工藝路線、防喘振系統(tǒng)進(jìn)行了分析，相比于穩(wěn)態(tài)模擬，其具有以下特點(diǎn)：

(1)動(dòng)態(tài)模型中的穩(wěn)態(tài)流程可用于觀察利舊壓縮機(jī)和改造工藝路線的匹配性，分析在新的工況下壓縮機(jī)是否仍然處于正常工作范圍。

(2)動(dòng)態(tài)模擬引入時(shí)間參數(shù)，可以觀察壓縮機(jī)在開停車過程中系統(tǒng)各個(gè)位置(設(shè)備、管線等)的溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)變化情況，可指導(dǎo)設(shè)計(jì)，也可用以校核已有設(shè)備或管線的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證系統(tǒng)在非正常工況下的運(yùn)行安全，進(jìn)一步提高了多級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和技術(shù)改造能力。

(3)此動(dòng)態(tài)模擬分析已應(yīng)用于某改造項(xiàng)目，可直觀地了解壓縮機(jī)各級(jí)在不同工況下防喘振回路的工作情況，優(yōu)化防喘振閥及防喘振回路的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證壓縮機(jī)安全開停車。