馮金強(qiáng)，曹 磊，張建梁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

1 引言

往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)作為海上油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備之一，應(yīng)用十分廣泛，主要包括燃料氣增壓、伴生氣增壓外輸、注氣增壓等方面[1]。與燃驅(qū)相比，電驅(qū)設(shè)備總占地面積小，后期維護(hù)工作方便，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)環(huán)保性能更好[2]，電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)在海洋平臺(tái)得到了廣泛應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)電驅(qū)往復(fù)壓縮機(jī)加載升壓過(guò)程進(jìn)行分析，以操作參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大偏離的數(shù)據(jù)為切入點(diǎn)，對(duì)電驅(qū)往復(fù)式伴生氣增壓外輸壓縮機(jī)調(diào)試過(guò)程中遇到的電機(jī)電流過(guò)載問(wèn)題進(jìn)行研究并提出解決措施，同時(shí)對(duì)電機(jī)的選型功率提出建議。

2 問(wèn)題的提出

2.1 機(jī)組簡(jiǎn)介

壓縮機(jī)通過(guò)膜片式聯(lián)軸器由中壓異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直連驅(qū)動(dòng)，電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式。壓縮機(jī)為臥式水平對(duì)置四缸雙作用壓縮機(jī)，各缸配有可變余隙(VVCP)調(diào)節(jié)裝置。工藝系統(tǒng)采用三級(jí)壓縮，每級(jí)入口設(shè)置洗滌罐，出口設(shè)置管殼式海水冷卻器。機(jī)組采用冷回流方式進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，三級(jí)出口天然氣經(jīng)冷卻后通過(guò)回流調(diào)節(jié)閥聯(lián)通至一級(jí)入口，自動(dòng)加載階段通過(guò)PLC程序控制回流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，在壓縮機(jī)上游來(lái)氣量不足或壓力波動(dòng)的情況下對(duì)壓縮機(jī)入口壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。機(jī)組加載升壓過(guò)程中通過(guò)控制盤觸摸屏手動(dòng)控制回流閥開(kāi)度，逐漸關(guān)閉回流調(diào)節(jié)閥來(lái)逐步提高出口壓力。

2.2 故障現(xiàn)象

調(diào)試期間處于平臺(tái)投產(chǎn)初期，壓縮機(jī)入口來(lái)自分離器的伴生天然氣來(lái)氣量不穩(wěn)定，壓力存在波動(dòng)。壓縮機(jī)組在加載升壓過(guò)程中手動(dòng)關(guān)閉回流調(diào)節(jié)閥的過(guò)程較為緩慢，回流閥每關(guān)1%～3%開(kāi)度需保持幾分鐘，以維持入口壓力。隨著回流調(diào)節(jié)閥階段性逐漸緩慢關(guān)閉，在三級(jí)出口壓力不斷升高至接近操作壓力時(shí)易發(fā)主電機(jī)電流過(guò)載停機(jī)。若升壓過(guò)程中未觸發(fā)過(guò)電機(jī)電流過(guò)載保護(hù)，達(dá)到操作壓力并開(kāi)始向管網(wǎng)外輸氣體后，運(yùn)行電流逐漸減小并趨于穩(wěn)定，運(yùn)行電流小于額定電流值。機(jī)組故障停機(jī)時(shí)刻操作數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 機(jī)組流程簡(jiǎn)圖

表1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與故障停機(jī)時(shí)刻操作數(shù)據(jù)

3 主要影響因素分析

電機(jī)電流過(guò)載現(xiàn)象的本質(zhì)是電機(jī)軸功率與壓縮機(jī)耗功不匹配，壓縮機(jī)耗功大于電機(jī)輸出功率所致，在加載升壓過(guò)程于接近操作壓力時(shí)易發(fā)電流過(guò)載停機(jī)，正常運(yùn)行后無(wú)此現(xiàn)象，說(shuō)明是在回流調(diào)節(jié)緩慢閥關(guān)閉的過(guò)程中某些因素影響使壓縮機(jī)耗功增加且超過(guò)電流綜保設(shè)定值，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載停機(jī)。

在以往電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)調(diào)試中也出現(xiàn)加載過(guò)程中電機(jī)電流上升，正常外輸后電流下降的現(xiàn)象，只是電流變化量未超過(guò)電機(jī)綜保設(shè)定值未引起電機(jī)過(guò)載停機(jī)。因此對(duì)加載升壓操作過(guò)程進(jìn)行分析十分必要，同時(shí)對(duì)機(jī)組操作參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大偏差的進(jìn)氣溫度、各級(jí)壓力進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果給出問(wèn)題解決的綜合措施。

3.1 加載升壓過(guò)程分析

機(jī)組加載升壓過(guò)程即回流閥關(guān)閉過(guò)程，隨著回流閥逐漸關(guān)閉，壓縮機(jī)三級(jí)出口壓力逐漸升高，在回流閥關(guān)閉至一定開(kāi)度(一般在70%～80%)后，三級(jí)出口達(dá)到機(jī)組操作壓力，出口單向閥由于壓差被打開(kāi)氣體開(kāi)始向下游管網(wǎng)外輸，此時(shí)再減小回流閥開(kāi)度，機(jī)組的外輸氣量將增加。

由于氣量原因，回流調(diào)節(jié)閥每關(guān)1%～3%需等待幾分鐘，用以維持上游壓力，由啟動(dòng)到三級(jí)出口達(dá)到操作壓力時(shí)間長(zhǎng)，此階段回流閥開(kāi)度大于70%～80%，這導(dǎo)致大量氣體在橇內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間回流?；亓鳉怏w中的重組分在經(jīng)過(guò)橇內(nèi)三級(jí)壓縮、冷卻、洗滌罐脫液的過(guò)程中逐漸減少[3]。高壓氣體流經(jīng)回流調(diào)節(jié)閥的過(guò)程是節(jié)流降溫脫烴的過(guò)程，節(jié)流脫烴經(jīng)一級(jí)洗滌罐洗滌后氣體的重組分也會(huì)減少[4]。

在加載的初始階段，因進(jìn)排氣壓力較小，氣體經(jīng)加壓冷卻洗滌后重組分析出較少，回流調(diào)節(jié)閥上下游壓差小節(jié)流作用亦不突出。隨著三級(jí)出口壓力接近操作壓力，加壓、冷卻、洗滌后重組分脫液效果會(huì)加劇，同時(shí)回流閥兩端壓差增大，節(jié)流降溫程度加劇，經(jīng)回流閥脫烴亦加劇。

回流和節(jié)流這2個(gè)過(guò)程導(dǎo)致混合氣體中輕組分相對(duì)增多，輕組分增多會(huì)導(dǎo)致混合氣體分子量M減小，由R=R0/M可知?dú)怏w常數(shù)R增大。

其中，R0為通用氣體常數(shù)，對(duì)不同類型氣體都適用。同時(shí)，由常見(jiàn)單體烴的物性參數(shù)可知，而輕組分絕熱指數(shù)K較重組分絕熱指數(shù)大[5]，使得長(zhǎng)時(shí)間回流后的混合氣體絕熱指數(shù)k增大，多變壓縮過(guò)程m值亦增大。多變壓縮過(guò)程比壓縮功，可以式(1)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)分析式(1)可知，m值越大比壓縮功越大，R越大，比壓縮功越大。

(1)

式中hp——多變過(guò)程比壓縮功

m——多變指數(shù)

R——?dú)怏w常數(shù)

Tin——進(jìn)氣溫度，ε為壓縮比

接近三級(jí)出口操作壓力時(shí)，回流閥開(kāi)度在75%左右，回流量較大，機(jī)組尚未外輸，來(lái)氣補(bǔ)充量少，這使得混合氣體中輕組分占比高，輕組分占比達(dá)到峰值，組分影響的比功率增加亦達(dá)到峰值。隨著回流閥逐漸關(guān)閉回流量減小，橇外來(lái)氣進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)，輕組分占比逐漸下降，因組分變輕影響的比功率變化也開(kāi)始減小。

3.2 進(jìn)氣溫度影響

加載升壓過(guò)程中，回流調(diào)節(jié)閥上下游壓差逐漸增大，回流調(diào)節(jié)閥因節(jié)流產(chǎn)生的冷效應(yīng)較為突出，回流閥外部有結(jié)霜嚴(yán)重。故障停機(jī)前，使用紅外測(cè)溫儀對(duì)節(jié)流回流調(diào)節(jié)閥外部測(cè)溫，測(cè)量溫度約為0 ℃，外部天然氣來(lái)氣溫度15 ℃(溫度表測(cè))，混合后進(jìn)氣溫度約為5 ℃(溫度表測(cè))。與入口設(shè)計(jì)溫度45 ℃有較大偏差。

壓縮機(jī)一級(jí)吸氣溫度的降低，引起氣體密度增大，壓縮機(jī)處理量增大[6]。對(duì)同一壓縮機(jī)，若原吸氣溫度為25 ℃，每降低1 ℃，排氣量增加0.336%[7]。機(jī)組處理量增加，導(dǎo)致耗功增加。同時(shí)，由式(1)可知進(jìn)氣溫度降低引起比壓縮功減小。

綜合考慮進(jìn)氣溫度降低導(dǎo)致處理量增加和單位氣量耗功減小，在不考慮因回流等因素導(dǎo)致組分變化，經(jīng)壓縮機(jī)選型軟件計(jì)算由溫度降低引起壓縮機(jī)綜合耗功變化如表2，較設(shè)計(jì)工況壓縮機(jī)耗功增加31 kW，若考慮上氣體組分變輕導(dǎo)致m值增大，R值增大的影響，功率增加會(huì)更多，超過(guò)電機(jī)功率是可能的。

3.3 各級(jí)壓力偏離影響

由表1可知，一級(jí)排氣壓力、二級(jí)排氣壓力較設(shè)計(jì)參數(shù)增大。這是因?yàn)橐患?jí)處理量因吸氣溫度降低而增大，而二級(jí)、三級(jí)進(jìn)氣溫度和氣缸容積不變，處理量相對(duì)不變，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)吞吐氣量不平衡所導(dǎo)致。一二級(jí)排氣壓力較設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)增大，一級(jí)入口壓力三級(jí)出口壓力不變，使各級(jí)壓比產(chǎn)生變化，偏離設(shè)計(jì)的最佳壓比，壓縮機(jī)耗功增大。

4 技術(shù)措施及應(yīng)用效果

通過(guò)分析幾類影響因素后，考慮現(xiàn)場(chǎng)條件的可操作性，提出以下解決措施。

4.1 提高加載速度

通過(guò)壓縮機(jī)上游流程調(diào)整，適當(dāng)增加來(lái)氣量，使加載速度增快，橇外來(lái)氣能及時(shí)進(jìn)入壓縮機(jī)，減小循環(huán)回流過(guò)程引起氣體組分變化產(chǎn)生的影響。

表2 處理量及功率隨溫度變化

4.2 適當(dāng)調(diào)整進(jìn)氣溫度

因外部流程原因，來(lái)氣溫度無(wú)法調(diào)整到設(shè)計(jì)參數(shù)。橇內(nèi)通過(guò)提高回流溫度即提升三級(jí)冷卻后溫度緩解節(jié)流產(chǎn)生的冷效應(yīng)，使回流閥處溫度上升。減小因溫度降低引起機(jī)組處理量的變化，同時(shí)也降低節(jié)流過(guò)程中重?zé)N的析出，有助于緩解因節(jié)流產(chǎn)生的組分變化。

4.3 調(diào)整各級(jí)壓比

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)氣溫度較設(shè)計(jì)值低，機(jī)組處理量增大，級(jí)間壓力與設(shè)計(jì)相比存在較大差別。通過(guò)選型軟件計(jì)算，調(diào)整各級(jí)余隙，使在實(shí)際來(lái)氣溫度下機(jī)組處理量保持在設(shè)計(jì)值，各級(jí)操作壓力向最佳壓比靠近。但應(yīng)注意因壓力重新分配引起各級(jí)排氣溫度的變化，使其控制在合理范圍內(nèi)。

通過(guò)上述處理措施，機(jī)組在加載升壓過(guò)程和正常運(yùn)行中未發(fā)生因電流過(guò)載產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行良好，說(shuō)明采取的技術(shù)措施是可行的。同時(shí)應(yīng)指出的是，通過(guò)調(diào)整可變余隙的設(shè)置、氣缸單雙作用等方法，調(diào)節(jié)機(jī)組處理量，免大量氣體長(zhǎng)期回流，造成電能浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

天然氣壓縮機(jī)耗功受操作條件、氣體組分等多方面因素影響。其中加載升壓期間回流、節(jié)流過(guò)程引起的組分、溫度變化對(duì)電機(jī)的功耗影響應(yīng)加以重視。同時(shí)，電機(jī)選型功率應(yīng)按最大工況(包括啟動(dòng)、變工況、和極限載荷情況)操作功率的110%確定選型功率[8]，壓縮機(jī)最大工況應(yīng)將啟動(dòng)過(guò)程組分和溫度的變化加以考慮，同時(shí)將電機(jī)與壓縮機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率一并計(jì)算在內(nèi)，以提高機(jī)組對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的適應(yīng)性。