離心式壓縮機出口堵塞工況的動態(tài)模擬

離心式壓縮機出口堵塞工況的動態(tài)模擬靜玉曉;朱海山;崔月紅;楊澤軍;楊天宇【摘要】Centrifugalcompressoriswidelyusedintheoffshoreoilandgasfielddevelopment,whileitsdynamicsimulationresultisappliedmoreandmorefrequently.WiththeHYSYSsimulationtechnology,thecentrifugalcompressordynamicmodelisbuilt.Thevariationcharacteristicsofoperatingpoint,flowrateandtheoutletpressureareanalyzedonthebasicofoutletblockagecase.Theinternalrelationsamongthepeakpressure,settle-outpressure,highhighalarmpressureandpipesectionvolumeisdiscussed.Theshutoffpressureofcentrifugalcompressorisobtainedbydynamicmodel.Somesuggestionisproposedfortheconfigurationofcompressorpipelinesystem,selectionofoutletpipelinedesignpressureanddesignofprotectionmeasures.Itprovidesreferencefortechnologicaldesignoptimizationofcentrifugalcompressor.%離心式壓縮機廣泛應(yīng)用于海上油氣田開發(fā),其設(shè)計、選型越來越倚重于動態(tài)模擬成果.采用HYSYS動態(tài)模擬技術(shù)，建立離心式壓縮機模型，從出口堵塞工況著手，分析其工作點、流量及出口壓力的變化特征,得到峰值壓力、平衡壓力與壓力高高報警值、高低壓管段容積等參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，并獲取離心式壓縮機組的關(guān)閉壓力，對壓縮機系統(tǒng)管線的容積配置、出口管線設(shè)計壓力的選取、出口安全保護措施的設(shè)計和優(yōu)化等提出了建議.為離心壓縮機的工藝設(shè)計優(yōu)化提供參考.【期刊名稱】《中國海洋平臺》【年(卷)，期】2017(032)003【總頁數(shù)】8頁(P93-100)【關(guān)鍵詞】離心式壓縮機;出口堵塞；HYSYS軟件;動態(tài)模擬;峰值壓力【作者】靜玉曉;朱海山;崔月紅;楊澤軍;楊天宇【作者單位】中海油研究總院工程研究設(shè)計院，北京100028;中海油研究總院工程研究設(shè)計院，北京100028;中海油研究總院工程研究設(shè)計院，北京100028;中海油研究總院工程研究設(shè)計院，北京100028;中海油研究總院工程研究設(shè)計院，北京100028【正文語種】中文【中圖分類】TE866在石油石化行業(yè)中，壓縮機是天然氣處理的關(guān)鍵設(shè)備，而離心式壓縮機［1］具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和機組尺寸小等優(yōu)點，在海上大中型氣田的開發(fā)過程中更為多見，其動力特征變化迅速［2］，一旦運行不穩(wěn)，極易出現(xiàn)喘振、關(guān)斷和泄放等事故，在設(shè)計階段需考慮各種復雜工況，保證壓縮機穩(wěn)定運行并盡可能減少事故放空，其中緊急關(guān)斷事故對壓縮機的沖擊最大，其發(fā)生原因通常包括壓縮機組壓力、溫度異常或燃料氣系統(tǒng)異常等，如壓縮機出口堵塞導致壓力高高，引發(fā)關(guān)停高壓報警。以往在離心式壓縮機的設(shè)計、選型中，所用參數(shù)通常基于穩(wěn)態(tài)模擬，這也是目前國內(nèi)的常見做法。國夕卜知名廠商及設(shè)計公司等已普遍引入動態(tài)模擬技術(shù)，對離心式壓縮機的啟停、關(guān)斷等過程進行全面分析，以確定合理的控制流程和邏輯參數(shù)。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，分析的重點多在于壓縮機體系的防喘振措施優(yōu)化［3-6］,對出口堵塞觸發(fā)關(guān)停這一工況較少提及，國內(nèi)對此的相關(guān)研究和應(yīng)用報道亦較為少見。因此，本文采用動態(tài)模擬技術(shù)，研究離心式壓縮機出口堵塞工況，分析其動態(tài)特性，以優(yōu)化工藝設(shè)計參數(shù)。在眾多動態(tài)模擬軟件中，AspenTech公司推出的HYSYSDynamics軟件［7］功能強大、能繼承穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬、通用性較好，故本文選用該軟件進行動態(tài)建模及分析。圖1為南海某海上中心處理平臺壓縮機系統(tǒng)動態(tài)建模的流程示意，來料天然氣經(jīng)入口滌氣罐除液后，由壓縮機增壓后進入后冷器，然后進入后續(xù)處理流程，流程設(shè)有防喘振控制回路，壓縮機出口設(shè)置壓力開關(guān)，壓力高高信號會觸發(fā)整個壓縮機系統(tǒng)關(guān)停。壓縮機實際運行參數(shù)如下：入口溫度35°^入口壓力3643kPaA，出口壓力5300kPaA，流量300000Sm3/h，冷卻器出口溫度40°C,壓縮機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量約為97kg?m2，機組進出口管線分別為20英寸（1英寸=0.0254m）和18英寸,模型中涉及的主要設(shè)備還有入口滌氣罐和后冷卻器，入口滌氣罐為立式，尺寸為2000mm（內(nèi)徑）x6000mm（筒體長度），壓縮機后冷卻器及相應(yīng)管線的容積約為7.5m3。天然氣組分為現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，摩爾質(zhì)量為28.58g/mol，以甲烷為主（摩爾含量約53%）,CO2含量較高（摩爾含量約33%）。圖2為采用HYSYSDynamics建立的壓縮機動態(tài)模型，進出口均采用壓力邊界，其中入口邊界壓力為4000kPaA，氣相出口邊界壓力為5100kPaA。液相出口邊界設(shè)為150kPaA。入口流量通過流量調(diào)節(jié)閥FV控制，確保入口流量在期望范圍內(nèi)，壓縮機入口滌氣罐的液位通過液位調(diào)節(jié)閥LV控制，后冷卻器采用出口溫度控制方法，離心壓縮機的控制采用串級控制，即通過輸入功率的變化控制壓縮機的轉(zhuǎn)速，進而控制壓縮機入口滌氣罐的壓力。在系統(tǒng)進口、氣相出口、液相出口分別設(shè)有關(guān)斷閥（ShutDownValve,SDV），同時在氣相出口處設(shè)有壓力安全閥（PressureSafetyValve,PSV），閥門下游采用壓力邊界，設(shè)為150kPaA。利用HYSYS軟件中EVENTSCHEDULE功能，通過〃觸發(fā)條件”和〃執(zhí)行動作”的組合，實現(xiàn)緊急關(guān)斷(EmergencyShutDown,ESD)控制邏輯，模擬壓縮機出口管線堵塞情景，即出口閥門突然意外關(guān)閉，壓縮機出口管線壓力將快速升高，達到壓力高高設(shè)定點時，將觸發(fā)壓縮機系統(tǒng)關(guān)停系列動作：切斷壓縮機動力輸入、打開防喘振閥門、關(guān)閉系統(tǒng)進出口閥門，此后壓縮機轉(zhuǎn)子將依靠慣性緩慢停止轉(zhuǎn)動。在該控制邏輯中，壓縮機出口閥門的關(guān)閉方式為瞬間關(guān)閉，以模擬堵塞工況，壓縮機出口壓力高高報警值為5500kPaA，設(shè)置壓縮機入口SDV的關(guān)閉速率為5%/s，防喘振閥門的開關(guān)速率為50%/s，防喘振控制線比例為13%。圖3為出口堵塞導致壓縮機關(guān)停時其工作點的變化曲線，可以看到曲線呈“S”型，工作點首先快速向左側(cè)喘振區(qū)移動，然后在靠近喘振線之前存在較尖銳的拐點，緊接著在壓縮機工作區(qū)間右側(cè)邊緣附近出現(xiàn)較平緩的拐點，最后緩慢歸0。在工作點變化曲線的初期，因為進口切斷閥關(guān)閉，壓縮機入口流量迅速減少；而后防喘振閥門的開啟導致出現(xiàn)第1個拐點，此時系統(tǒng)產(chǎn)生大量回流，將工作點拉回正常區(qū)間；隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的降低，系統(tǒng)內(nèi)的壓差逐漸變小，此時出現(xiàn)第2個拐點，流量最終趨于0。以上特征說明模型中選取的防喘振參數(shù)是合理的，可以有效避免壓縮機在停機過程中進入喘振區(qū)。圖4是壓縮機在出口堵塞關(guān)停過程中的流量變化曲線，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)各流量的耦合特征。4條曲線分別代表壓縮機入口流量、滌氣罐入口流量、上游來流量和防喘振回流量，對應(yīng)圖2中的物流08，04，02和20。開始時刻，防喘振回流量為0，其余3股物流的流量基本一致；隨后壓縮機關(guān)停且入口閥門關(guān)斷，上游來流量迅速減少，防喘振回流量急劇增大，二者的交叉耦合導致滌氣罐入口即04號物流的流量呈現(xiàn)〃先增大后減小”的倒“U”型特征，當上游來流量降低為0后，滌氣罐入口流量即等于防喘振回流量。在這個過程中，壓縮機入口流量并沒有與滌氣罐入口流量同步變化，而是先降低后升高，即有一定滯后性，原因在于二者之間的滌氣罐存在較大容積，當入口閥門關(guān)閉后，壓縮機轉(zhuǎn)子因慣性并不會立即停止，仍存在較強的抽吸現(xiàn)象，防喘振回流需要先補充這部分缺口，然后才會提升壓縮機的入口流量；最后隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的進一步降低，壓縮機入口流量、滌氣罐入口流量和防喘振回流量3條曲線逐漸匯合到一起，并緩慢降低，對應(yīng)了圖3中第2個拐點之后的變化過程。圖5為出口堵塞導致壓縮機關(guān)停過程中的壓力和轉(zhuǎn)速曲線，可以看出：當出口壓力達到高高報警值5500kPaA時，壓縮機的轉(zhuǎn)速開始降低，這表明壓力信號觸發(fā)了壓縮機系統(tǒng)的關(guān)停動作，但是此后出口壓力仍繼續(xù)升高，最終達到峰值5841kPaA，然后才呈下降趨勢；在壓縮機轉(zhuǎn)速下降的同時，其入口壓力的升高呈先快后慢趨勢，最終與出口壓力匯合到一起，約為4400kPaA，這意味著壓縮機體系內(nèi)進口低壓段和出口高壓段的氣體達到均衡狀態(tài)。在工藝設(shè)計中，該壓力可作為壓縮機入口設(shè)備設(shè)計壓力的參考值。根據(jù)文獻［8］可知，離心壓縮機體系關(guān)停后的穩(wěn)定壓力為其中：TS=，VT=V1+V2+...+Vj，Zs=，nT=n1+n2+...+nj模型穩(wěn)定后，各節(jié)點的參數(shù)見表1,其中物質(zhì)的量n通過氣體狀態(tài)方程pV=nZRT計算得出。通過式(1)可以算出，壓縮機正常關(guān)停后，體系內(nèi)的穩(wěn)定壓力約為4065kPaA，小于模擬值，這是因為模擬中壓縮機關(guān)停是由出口壓力高高觸發(fā)的，關(guān)停瞬間出口管段內(nèi)的壓力高于正常操作壓力，因此若運用公式計算壓縮機關(guān)停參數(shù)，建議采用壓力高高工況下的參數(shù)。此外，本文研究了另外一種極端工況，即壓縮機出口出現(xiàn)堵塞時不觸發(fā)任何動作時的運轉(zhuǎn)特性。該工況下的壓縮機壓力和轉(zhuǎn)速特性曲線如圖6所示，可以看出：壓縮機進出口壓力及轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)了不同程度的升高。入口壓力升高，一是因為防喘振回路開啟，高壓氣體回流，二是因為入口閥門處流量幾乎為0，閥門前后壓力趨于—致；而壓縮機轉(zhuǎn)速及出口壓力均是先快速升高后平緩達到穩(wěn)定值，穩(wěn)定壓力約為7477kPaA，即離心壓縮機出口堵塞后，在不停機的情況下，出口壓力存在一個限值，稱為關(guān)閉壓力，該值應(yīng)與壓縮機的特性曲線即自身特性有關(guān)。在工藝設(shè)計中，壓縮機出口管線設(shè)計壓力的取值和是否需要設(shè)置壓力安全閥均與壓縮機關(guān)閉壓力有關(guān)，若設(shè)壓力安全閥，其設(shè)定壓力一般小于等于管線的設(shè)計壓力。圖7為壓力安全閥設(shè)定壓力6000kPaA情況下，出口堵塞導致超壓泄放時，各標準安全閥孔板系列對應(yīng)的閥前壓力，從M系列到R系列，孔板尺寸逐級增大。由圖7可以看出：隨著孔板尺寸的不斷減小，發(fā)生超壓泄放時的閥前壓力不斷增高，甚至超過了堵塞工況安全閥的最大允許積聚壓力，即設(shè)定壓力的1.1倍，說明該安全閥尺寸偏小，由此可輔助進行壓力安全閥的選型，對于本模型來說，建議選擇大于Q系列的孔板型號。圖8為堵塞工況下，選用同樣安全閥孔板尺寸時，不同設(shè)定壓力對應(yīng)的泄放量隨時間的變化曲線，可以看出：隨著設(shè)定壓力的升高，安全閥的開啟時間延后，且峰值泄放量不斷降低，在設(shè)計中，若壓縮機出口管線配置壓力安全閥，可在同等磅級范圍內(nèi)盡量提高安全閥的設(shè)定值，以期降低泄放系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)模；當安全閥設(shè)定壓力提高至7500kPaA后，管線設(shè)計壓力已超過壓縮機的關(guān)閉壓力，即使出口堵塞而壓縮機未停止運行，安全閥也不會起跳，因此可以取消安全閥；當設(shè)定值為7000kPaA時，泄放量曲線存在一段較尖銳的階躍，這表明安全閥在短時間內(nèi)完成了數(shù)次開啟、回座過程，即〃頻跳”，建議在設(shè)計中盡量避免這種現(xiàn)象發(fā)生。圖9為壓縮機配置不同的高低壓段容積時，出現(xiàn)堵塞關(guān)停工況后的峰值壓力和平衡壓力，可以看出：隨著高壓段容積的增加，壓縮機停機過程中的峰值壓力逐漸降低，但是降幅不大，而停機后的系統(tǒng)平衡壓力呈上升趨勢，這表明增加的高壓段容積可以提供一定的壓力緩沖空間，但反過來也會成為壓力源，導致平衡壓力升高。圖10為壓縮機設(shè)置不同的出口壓力高高報警值時，出現(xiàn)堵塞關(guān)停工況后的峰值壓力和平衡壓力，可以看出：隨著壓力高高報警設(shè)定點的升高，壓縮機停機過程中的峰值壓力有較小幅度的升高，與高高報警壓力的差值減小，而系統(tǒng)內(nèi)的停機平衡壓力變化不大?？梢灶A(yù)見，隨著壓力高高報警值的逐步升高，關(guān)停過程中出現(xiàn)的峰值壓力將無限逼近關(guān)閉壓力。本文對離心壓縮機的出口堵塞工況進行了動態(tài)模擬