膨脹機控制方案探討

賴曉斌 周明軍 祁曉莉

0 前言

近年來，由于膨脹機高效、簡單、易操作、需要的外界條件少等特點， 越來越多地應用于控制天然氣烴露點，成為天然氣處理廠脫烴裝置的關鍵設備。 但膨脹機在天然氣領域的應用， 尤其是控制方案還不夠成熟，未形成固定的控制模式。

本文探討了膨脹機的控制方案，為今后工程中膨脹機的應用提供借鑒。

1 膨脹機控制方案

1.1 膨脹機工作原理

當氣體具有一定的壓力和溫度時，就具有由壓力而體現的勢能和由溫度所體現的動能，這兩種能量總稱為內能。 膨脹機主要的作用是利用氣體在膨脹機內進行絕熱膨脹對外做功消耗氣體本身的內能，使氣體的壓力和溫度大幅度降低達到制冷與降溫的目的［1］。

膨脹機的主要工作在噴嘴及葉輪中完成， 當高速、低溫的氣體通過葉輪通道時，由于葉輪高速轉動，使氣體速度很快下降。 同時，氣體在不斷變大的通道中流動時，因為壓力與速度下降使氣體內能降低，氣體溫度進一步大幅度降低，達到降溫與制冷的目的。

由于膨脹機葉輪的飛速轉動，帶動了與膨脹機葉輪在同一軸上另一端的壓縮機葉輪轉動，壓縮機葉輪的轉動壓縮了通過增壓機葉輪的氣體，壓縮機葉輪不僅壓縮了氣體、利用了膨脹機發出的功率，同時控制了膨脹機的轉速［2］。

1.2 膨脹機基本流程

膨脹機基本流程見圖1。

圖1 膨脹機基本流程

在膨脹機基本流程中，上游來天然氣進入膨脹機進行膨脹制冷，從膨脹機出來的低溫氣體進入后續工藝裝置，對輕烴進行回收。 脫除掉輕烴后的產品天然氣進入與膨脹機同軸的壓縮機，對產品天然氣進行增壓，增壓后進入外輸管網。

膨脹機入口設置有旁路J-T 閥（J－TV），可滿足以下工況時的正常生產，但正常情況下J-T 閥保持關閉狀態。

a）上游來天然氣超過膨脹機運行負荷，為防止膨脹機超負荷運行，分流部分氣體至J-T 閥。

b）膨脹機故障停機，全部上游來天然氣通過J-T 閥；

c）投產初期，對膨脹機加載負荷時使用。

由于J-T 閥的效率不如膨脹機， 由J-T 閥進行脫烴的深度可能達不到工藝要求。

本文討論的控制方案不包含輕烴工藝裝置，在膨脹機出口至壓縮機入口之間僅涉及簡單設備， 如換熱器、低溫分離器及相應管線。

1.2.1 控制方案一

控制方案一以壓縮機排氣壓力為控制目標，在滿足排氣壓力的情況下通過控制膨脹機入口流量及喘振閥來實現控制目標。 采用控制方案一時，壓縮機排氣壓力能直接滿足外輸氣體壓力的需要，無需增加額外的壓力控制系統，有利于減少投資。 多用于輸氣末站，以及處理量較小且靠近外輸首站的天然氣處理廠。 控制方案一流程見圖2。

圖2 控制方案一流程

控制方案一主要通過調節膨脹機入口導向閥（IGV）、旁路的J-T 閥以及防喘振控制閥（FV）來滿足工藝過程控制的需要［3-5］。

1.2.1.1 IGV 的控制

IGV 用來調節膨脹機的入口流量，剛啟動膨脹機時，需要設置IGV 的最小開度來滿足壓縮機入口的最低流量要求。 一旦膨脹機開始啟動，通過膨脹機負荷控制器的輸出，壓縮端入口流量就會自動（或手動）地增加或減少。

1.2.1.2 J-T 閥的控制

J-T 閥控制器應處于待命狀態， 它的控制是基于壓縮端的排氣壓力來進行的。 膨脹機正常運行時，J-T 閥保持在關的位置，這時，工藝過程的控制主要通過膨脹機負荷控制器控制IGV 和防喘振控制器控制FV 來實現。如果負荷控制器和防喘振控制器不能滿足工藝參數控制要求， 則J-T 閥控制器參與控制并將J－T 閥打開一定開度。

1.2.1.3 防喘振控制

防喘振控制器的目的是保護壓縮機遠離喘振保護線。 對于每臺壓縮機轉速，在進口流量—壓比曲線圖上，能夠獲得確定的工作點。 將不同轉速所能確定的所有喘振點連成一條線， 即為喘振限制線 （Surge Limit Line，SLL）。 在SLL 的左邊是壓縮機操作的不穩定區域，防喘振控制器的目的就是避免壓縮機操作點達到SLL。 為了達到這個控制目標， 需設定一條喘振保護控制線（Surge Control Line，SCL），該線位于SLL 的右邊。 當操作點A 向SCL 左邊移動并接近喘振點B 時，防喘振控制器就會打開FV，增加壓縮機吸入口的流量，使操作點沿著速度曲線從喘振臨界區域向穩定工作區間移動［6-9］，見圖3。

1.2.2 控制方案二

如果壓縮機出口連接外輸管網，則壓縮機的出口壓力為外輸管網的壓力。 通過控制方案一中的PC1 來調節外輸壓力的能力非常有限，在這種情況下不推薦采用排氣壓力來進行控制。

對于大型天然氣處理廠來說，一般情況下產品氣出口連接外輸管道，與外輸站有一定距離。 外輸站與天然氣處理廠這段距離的壓損一般不能精確計算，為保證外輸站的運行，天然氣處理廠的起點壓力會留有一定的余量。 同時，為保證膨脹機的操作條件，即壓縮機出口端不失壓，則需在天然氣處理廠產品氣出口設置壓力調節系統，見圖4。 在控制方案二中PC 1 主要是控制膨脹機負荷。

圖4 控制方案二流程

當天然氣處理量增加時， 由于膨脹機的總功率增大，膨脹機要吸收這些功率，會使轉速升高，甚至超過允許的轉速。 這種情況下增加壓縮機防喘振控制閥FV 的開度，來增加回流量，使膨脹機轉速下降。 這種方案的宗旨是增加壓縮機的制動功率來降低膨脹機的轉速。 此時，外輸的壓力靠PC 2 和PV 2 B 來實現。

1.2.3 優化控制方案

實際上，天然氣處理廠的設備不是孤立存在的，其運行都會考慮到上下游各相關單體裝置的安全、平穩運行。 只有將單個的設備納入系統考慮，該設備的運行才有意義。

控制方案二的不足之處在于： 當處理量下降時，如果仍要維持同樣的外輸壓力，則需要增加膨脹機入口的流量使膨脹機對外提供更多的外輸功率。

對大型天然氣處理廠， 尤其是在多列裝置的情況下，上游裝置的入口均會設置流量調節閥。 通過流量調節閥使整列裝置平穩運行，即膨脹機上游裝置來氣穩定并保持一定的流量。 增大膨脹機入口流量的后果會導致上游壓力降低，甚至失壓。

為解決上述問題， 采用膨脹機入口壓力進行調節，保證膨脹機上游裝置的平穩運行，同時采用下游裝置壓力調節系統來滿足外輸壓力的調節，優化控制方案流程見圖5。

圖5 優化控制方案流程

優化控制方案以現有工況下最大地提高產量為控制目標，通過調節膨脹機入口壓力、氣量來實現。

膨脹機入口壓力及流量波動較大時，可以調節IGV、達到所需的壓力和流量，正常情況下應盡量減少IGV 的調節。

2 膨脹機保護

膨脹機自身保護暫不探討，本文主要討論膨脹機與外部工藝過程接口之后涉及到的機組保護系統，主要有膨脹機入口關斷，泄壓等。

2.1 膨脹機入口關斷

膨脹機入口關斷的特點是快速， 一般在5 s 左右就要求關斷。 為滿足快速關斷要求，膨脹機入口會設置快速關斷閥， 如圖6 中所示碟閥。 在高壓差下碟閥密封性能不能滿足嚴密關斷的要求，需增加嚴密關斷閥防止過程氣泄漏進入膨脹機。 隨著技術進步，蝶閥在高壓差情況下也能達到VI 級密封，并且開關速度也能滿足要求。因此，僅用1 個蝶閥就能實現上述功能，但目前生產廠家較少。

圖6 典型膨脹機關斷、 泄壓流程

2.2 泄壓措施

膨脹機利用壓縮機回收輸出功率，增加壓縮機的排氣壓力。 從圖6 可看出， 對于簡單膨脹機流程來說膨脹端出口與壓縮端入口是連通的，這段管線連同設備實際上是獨立并與外部工藝管線隔離的。 如果在該段管線或設備上不設置泄壓設施， 當膨脹機前后進行緊急泄壓時，該段管線和設備就不能成功泄壓，存在安全隱患。

要泄放該段管線的余氣，推薦做法是在壓縮機入口和出口之間設置單向閥。 正常情況下，壓縮機的排氣壓力高于入口壓力，單向閥處于關閉狀態，當火災泄壓時，膨脹機入口通過BDV 1 進行泄壓， 壓縮機出口通過BDV 2進行泄壓。 在BDV 2 泄壓后壓縮機的排氣壓力低于壓縮機進口壓力， 這時單向閥V1 自動打開將膨脹機出口與壓縮機入口之間這段管線的余氣進行自然泄壓，達到安全保護的目的。

3 膨脹機控制的關鍵問題

無論采用何種控制方案都應注意以下問題：

a） 負荷控制器和J-T 閥控制器在參數設定上應有區別。 J-T 閥應具有較大偏差死區，即對小偏差不敏感，以及較慢的響應速度。 由波動產生的偏差應先通過負荷控制器來解決，當負荷控制器解決不了時，才調節J-T 閥控制器。

b）J-T 閥控制器與負荷控制器的PID 參數應有區別， 因在膨脹機開/停車期間J-T 閥均處在自動控制模式，IGV 采用手動控制，在開/停車期間，只有J-T 閥才對工藝需求的壓力控制起作用，因此J-T 閥和IGV 應采用不同控制器，才能滿足J-T 閥控制壓力的需要。然而當正常運行之后，負荷控制器又將作為主控制器，只有通過IGV 和FV 快速反應才能滿足工藝過程控制的需要［10］，而此時J-T 閥處于全關位置。

c）當膨脹機故障時， 采用旁路J-T 閥節流降溫，可維持裝置繼續運行，但需要考慮烴露點的控制是否滿足工藝要求。

4 結論

根據上述分析，在不同情況下，可采用不同的控制方案，滿足長輸管線烴露點控制要求。

a)在站場或處理量較小的天然氣處理廠， 建議選擇控制方案一或者二來進行控制。

b) 在大型天然氣處理廠則建議選擇優化控制方案進行控制。

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