離心壓縮機進氣直管段探討

劉順劍 洪進門 王小強 陳東麗

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中國石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220

0 前言

生產過程中壓縮機能否正常運行主要受到進氣壓力、溫度、氣體組分和性質、軸功率、喘振點、流量等因素的影響［1-2］。 其中壓縮機進氣直管段（以下簡稱直管段）長度也是影響壓縮機運行的因素之一。 目前，在工程設計中普遍采用API 標準要求［3］，即直管段長度一般要求不少于5 倍直徑長度（即5DN），但根據現場實際情況對壓縮機布置和配管時，并非都能保證直管段長度達到API 要求。 因此，如何在有限的壓縮機房空間中盡量降低壓縮機直管段必需長度成為設計中需考慮的問題。 現以某冷劑壓縮機進氣直管段長度的確定為基礎進行討論。

相關資料顯示壓縮機直管段的長度主要有以下幾個因素：一是直管段前附近管件、閥門及數量；二是壓縮機進氣介質溫度及流速；三是壓縮機進氣介質的平均分子量等［4］。

1 問題的提出

此冷劑壓縮機為兩級壓縮，一級進氣局部配管情況見圖1，進氣管徑為DN600，設計采用一個長半徑彎頭外接同心大小頭變徑為DN500 后與壓縮機入口法蘭相連，無直管段。 二級進氣局部配管情況見圖2，進氣管徑為DN400，同樣采用兩個垂直長半徑彎頭變徑為DN300 后與壓縮機二級入口法蘭連接，無直管段。

圖1 壓縮機一級進口配管示意圖

圖2 壓縮機二級進口配管示意圖

依據ASME 標準，直管段最低要求必須達到3DN即一級入口須達到1.5 m，二級入口需達到1.2 m 才能保證壓縮機的正常運行，現場壓縮機房中設計進氣水平管上約600 mm 即為航車， 即使增加垂直短節長度（不能超過航車）也不能達到ASME 標準要求。 相關參數見表1。

表1 壓縮機進氣參數

2 解決方案

2.1 關于ASME 標準

ASME 標準要求彎頭和壓縮機進口之間直管段不得小于3 倍公稱直徑［5］，是基于q/p1≥0.01，其中q/p1由以下關系得出：

式中：q 為壓縮機入口動壓力，Pa；p1為入口靜壓力，Pa；V 為入口速度，m/s； R 為氣體常數，8.314 510； T為入口藍氏溫度，T=1.8×（攝氏溫度+273.15）；Z 為入口壓縮因子；g 為重力加速度，m/s2。

在本工程中，依據以上設計參數，推算出一級進口q/p1=0.003，不屬于ASME 標準中的通用要求，如果仍然遵循ASME 標準將過于保守和沒有必要。 二級進口q/p1=0.027>0.01 但無法達到ASME 的通用要求。根據ASME 標準進行的實驗測試結果，不同q/p1值對直管段的要求大致存在表2 所示對應關系，根據這種對應關系可以認為直管段不論是采用3DN 還是5DN都是模糊性的要求，針對不同情況必需的直管段需要嚴格計算和分析。

根據不同q/p1下對應直管段要求并結合上述q/p1公式繪出如圖3 所示只有一個彎頭情況下壓縮機進氣直管段、 氣體速度以及分子量之間局部關系圖表［6］。

表2 不同q/p1對應直管段要求

式中：V2為修正流速，m/s；V 為壓縮機實際進口速度，m/s； T 為實際壓縮機進口藍氏溫度，T=1.8×（攝氏溫度+273.15）。

圖3 直管段關聯圖

2.2 壓縮機一級進口調整方案

由于壓縮機一級進口彎頭之前的直管段為8 m，根據流量計實驗要求第一個彎頭在被不少于10DN 的管段分開時產生的擾動在到達第二個管件之前吸收［7］。 因此本工程中可以認為氣體在進入彎頭之前流體幾乎是等截面布置的。 根據以上分析，由于一級進口只采用一個長半徑彎頭符合上述關系圖要求，將本工程相關參數折合為50 F 溫度基準情況下并結合圖3，得出壓縮機一級進口實際所需直管段長度為0.9 m。

綜合現場實際情況，將壓縮機一級進口同心大小頭調整為水平管段的偏心大小頭， 并上提水平管段200 mm，入口直管段長度變為0.9 m，達到壓縮機所需直管段要求。

2.3 壓縮機二級進口調整方案

根據孔板流量計對直管段的要求，管件和直管段之間存在表3 所示的理論當量長度。

表3 流量計中管件及其當量長度

根據以上分析以一個長半徑彎頭為基礎，對其他管道結構進行修正得到表格右邊所示修正值。 結合本工程實際情況壓縮機二級進口屬于處于不同平面的兩個長半徑彎頭情況。 因此可以認為壓縮機二級進口所需要的直管段長度是只有一個長半徑彎頭情況的1.75 倍。 但考慮到生產實際運行時第一個長半徑彎頭之前還可能存在渦流等情況。 所以將直管段倍數適當提高到2 倍要求。 結合圖3 分析得出為滿足壓縮機對二級進口直管段的要求， 并在保證航車安全的情況下， 提升現有水平管段高度約300 mm 達到壓縮機所需直管段要求。

3 結論

某冷劑壓縮機直管段經過上述調整之后，在開車及生產運行時均達到設計工況要求。 通過上述分析并結合現場實際情況得出以下結論：

a） 壓縮機直管段的具體長度由介質本身物理性質和運行的管徑等客觀環境共同決定。

b） 在工程設計中如果壓縮機直管段不能達到ASME 標準的最低要求即3DN 情況下，可采用上述分析手段確定直管段的最低需求。

c）根據現場壓縮機開啟過程情況來看，壓縮機直管段雖不會對壓縮機運行起到決定性作用，但對壓縮機的運行影響不可忽略。

d）壓縮機直管段前管段走向越簡單，閥門管件等越少對直管段的要求越低。 因此為了避免介質在管道中流相復雜而增加對直管段長度的需求，建議在對壓縮機工藝配管時盡量采用簡單的進氣方式，避免不必要的停車。

［1］ 彭 暉，寧永喬，李開烈，等. 合成氣壓縮機防喘振控制系統故障分析及處理［J］. 天然氣與石油，2007，25（1）：52-54.

［2］ 胡建洲. 大型離心式壓縮機試車工作總結［J］. 天然氣與石油，2010，28（5）：45-54.

［3］API617，石油、化學和氣體工業用離心式壓縮機［S］.

［4］ Hanlon P C. Compressor Handbook［M］. 北京：中國石化出版社，2003.135-160.

［5］ASME PTC10-1965，能耗測試手冊［S］.

［6］ Hackel R A，King F J.Centrifugal Compressor Inlet Piping ［J］.Compressed Air And Gas Institute，1997，4（2）：2-7.

［7］SYT 6143-2004，用標準孔板流量計測量天然氣流量［S］.