天然氣壓氣站離心壓縮機開車過程動態模擬

孔令偉

中國寰球工程有限公司北京分公司，北京100012

我國已建成并在不斷建設的大型天然氣輸氣管道工程（如西氣東輸工程），其壓氣站主要使用離心式壓縮機[1]。與其他類型的壓縮機相比，離心壓縮機具有單機容量大、體積小、結構簡單等優點，在油氣儲運工程中有著廣泛的應用，但這類壓縮機存在著特殊的缺點即喘振現象。

喘振的發生使氣體流量和參數大幅變化，壓縮機性能惡化，并極大加劇機組的振動，進而使壓縮機的轉子甚至定子損壞，造成輸送氣體外泄，甚至引起爆炸等惡性事故[2-5]。因此，優化離心壓縮機工藝系統的設計以保證其安全穩定運行是天然氣輸送，特別是大型天然氣管道壓氣站工程設計的重點和難點。

HYSYS Dynamics 可用于模擬分析并指導原油及天然氣生產及儲運系統的運行，反映實際生產中溫度、壓力、流量、產品組成等干擾因素隨時間響應變化的過程，指導生產裝置的穩定運行及正常操作[6-9]。以往壓縮機的設計、選型中，選用參數通常基于穩態模擬。當前，國內外研究機構和工程公司等已普遍引入動態模擬技術[5-12]，由于引入了時間變量，其分析數據更加貼近生產實際。Liedmin等[13]使用HYSYS Dynamic 對挪威壓縮機改造項目進行深入分析，建立油氣平臺動態模型，研究了關機、開機和階躍變化三種動態案例。Jiang 等[14]搭建壓縮機的動態模型，用于模擬測試壓縮機的動態性能，通過復雜接口對壓縮機的動態性能進行評價。Hansen 等[15]對新建離心壓縮機項目進行動態模擬分析，建立了串、并聯的壓縮機模型，研究了入口氣量減少、入口流量段塞式波動、防喘閥開度等變化情況，討論了負荷分配策略，但并未研究壓縮機的開停車工況。迄今為止，未發現針對并聯壓縮機開、停車工況的動態模擬研究。

目前，國內大型天然氣壓氣站的壓縮機配置基本為兩開一備，并聯運行。由于兩臺壓縮機啟動、運行時互相影響，并聯運行的壓縮機運行狀況更為復雜，總的輸氣量并非是兩臺同樣規模的壓縮機單獨運行時輸送量的簡單累加求和。不論是開車工況還是停車工況，兩臺壓縮機并聯運行的情況都要比單臺壓縮機運行更為復雜。

本文以國內某天然氣壓氣站壓縮機系統為例，采用HYSYS Dynamic 軟件動態模擬技術研究兩臺并聯壓縮機開車工況，分析其動態特性，研究其工作點變化曲線以及壓縮機流量、進出口壓力、功率、轉速隨時間的變化趨勢，以驗證壓縮機防喘振系統的合理性。

1 模擬基礎

以西氣東輸某壓氣站燃氣壓縮機系統為建?；A，壓縮機配置為兩開一備，備用壓縮機正常處于停機狀態，因此模擬流程僅包含兩臺運行壓縮機，設計轉速為4 489 r/min。壓縮機性能曲線如圖1 所示。

圖1 壓縮機性能曲線

天然氣進站壓力最低工況7.3 MPa，出站壓力11.8 MPa。天然氣組成如表1 所示。

上游一級站場來氣首先分為5 路平行經過5 列并聯的旋風分離器及過濾分離器后進入匯管，之后進入兩臺壓縮機入口。為簡化模擬流程，5 列并聯的分離器組簡化為一列，總容積相等。

表1 天然氣組成

每臺壓縮機出口均設置單獨的防喘控制閥，回流天然氣經防喘控制閥后匯合，再經回流主管返回旋風分離器入口以彌補上游氣體供應不足，從而形成壓縮機系統的防喘回路。

此外，作為壓縮機防喘系統的一部分，每臺壓縮機需考慮設置熱旁通，目的是為了避免防喘閥動作不及時或流通能力不足而導致壓縮機發生喘振。熱旁通設置與否，無法根據穩態計算得出結論，而必須通過壓縮機動態模擬才能進行判斷。

本文中防喘振閥門的特性如表2 所示，壓縮機動態模型擬流程見圖2。

表2 防喘閥參數

2 開車過程動態模擬

導致壓縮機發生喘振的因素很多，如壓縮機入口的組分、介質、流量、壓力等工藝參數的變化，進出口管路的布置、容積等。本文中管道尺寸、長度按實際情況確定。

采用HYSYS Dynamics 中的壓縮機、管段、分離器等模塊建立模型，利用趨勢圖研究壓縮機開車過程中管道內流量、壓力以及壓縮機轉速、功率等參數的動態變化趨勢。壓縮機啟動控制方式為比例積分（PI） 控制。并聯壓縮機的開車過程為：先啟動第一臺壓縮機，第一臺壓縮機穩定運行后再啟動第二臺壓縮機。

2.1 首臺壓縮機開車過程動態模擬

圖2 動態模擬流程

工況一，單機啟動。啟動并聯壓縮機中的一臺壓縮機，壓縮機的啟動開始時間設定在60 s。根據壓縮機的一般開車程序，先打開防喘閥，再啟動壓縮機。此時，防喘閥開度設定不能過大，否則會導致壓縮機流量過高，工作點越過石墻線進入阻塞區。究其原因，在離心壓縮機設計階段，為滿足緊急關停工況中的氣體回流量，防喘振閥選型相對較大，忽視了其對啟機過程的影響，由此產生啟機回流量超高的現象，導致啟機存在嚴重的摩阻損耗、筒體振動以及機械損傷的風險，因此須限制啟機過程的回流能力[16]，本文即屬于此種情況。經多次調試，以本文中所設定的條件，防喘閥的開度設為55%時啟機，過程相對較為平穩。

首臺壓縮機啟機工作點軌跡見圖3，相關工藝參數變化趨勢見圖4。

圖3 首臺壓縮機啟機工作點軌跡

圖4 首臺壓縮機啟機過程工藝參數變化趨勢

從圖3 中可以看出，壓縮機的啟動工作點軌跡存在一處拐點，此處為防喘閥由手動固定開度轉為自動控制的時間點。在此點之前，工作點軌跡曲線較為平滑，此階段相當于壓縮機的啟動、怠速階段，此時壓縮機的流量雖大幅提高，揚程增量卻較??；提速中揚程則大幅提高；加載階段即壓縮機出口閥門打開的時間段，則波動較小。從圖4 中可以看出，雖然壓縮機的功率、轉速都很穩定，但由于受其管路系統及控制參數的影響，流量會有較大的波動。此外，從圖4 中還可以看出，壓縮機入口壓力波動很小，考慮其原因是壓縮機入口的設備及管道容積較大，有足夠的緩沖空間，防喘振線的尺寸設置也能滿足要求。最后，從壓縮機完整啟動過程來看，防喘振閥門的響應速度及流通能力完全可以滿足要求，無需再設置熱旁通。

2.2 第二臺壓縮機開車過程動態模擬

有時下游不要求過高流量，只開一臺壓縮機也能滿足要求，即系統處于低負荷運轉狀態。因此，從設計角度看，上述單獨一臺壓縮機啟動、運轉可作為一個特殊工況看待。本文重點討論的正常工況是：兩臺壓縮機同時工作、并聯運行的啟動過程，尤其是第二臺壓縮機的啟動過程。在首臺壓縮機運轉平穩后，啟動第二臺壓縮機。第二臺壓縮機開車程序與首臺壓縮機相同，先打開防喘閥，再啟動壓縮機。此處需要說明的是，為了防止壓縮機出口氣體回流并降低兩臺壓縮機之間的互相影響，實際設計當中每臺壓縮機出口都會設置止回閥。在模型當中，防喘振閥需設置止回閥功能。第二臺壓縮機防喘閥開度同樣設為55%，壓縮機啟機工作點軌跡見圖5，相關工藝參數變化趨勢見圖6。

圖5 第二臺壓縮機啟機工作點軌跡

從圖5 及圖6 中可以看出，相對于首臺壓縮機的啟動過程，在啟動、怠速階段，壓縮機的流量波動很大，這主要是由于壓縮機進出口的壓差較大，同時由于第二臺壓縮機開始啟動，系統總流量增加，壓縮機出口匯管及回流總管的流體力學狀態不斷發生改變，此時比較容易發生喘振，必要時需要對壓縮機的PI 參數進行微調。首臺壓縮機啟動20 s后，轉速已經提升到4 000 r/min 以上，但是第二臺壓縮機提速較慢，啟動20 s 時，轉速僅提升到接近2 500 r/min。第二臺壓縮機功率提高較慢，啟動20 s 時，功率不足5 000 kW，而首臺壓縮機啟動20 s 后，功率已經提升到接近15 000 kW。壓縮機進出口壓力波動均很小，第二臺壓縮機的啟動對壓縮機出口總管線的壓力幾乎沒有影響。從第二臺壓縮機啟動過程看，防喘振閥門的響應速度及流通能力完全可以滿足要求，不需設置熱旁通。

圖6 第二臺壓縮機啟動過程工藝參數變化趨勢

3 結論

本文采用HYSYS Dynamic 流程模擬軟件，建立并聯離心壓縮機系統動態模型，研究單臺壓縮機啟動過程以及并聯第二臺壓縮機啟動過程中工藝參數的動態響應過程，以判斷整個防喘振系統的性能，其結論如下：

（1） 首臺壓縮機對隨后啟動的第二臺壓縮機在啟動、怠速階段的影響較大，會造成較大波動，此時易發生喘振，需要引起重視，模擬過程及實際開車過程中，可能需要對壓縮機控制的PI 參數進行微調。

（2） 通過動態模擬分析，可知本文中給定的防喘閥CV 值足夠大，甚至在全開的情況下會導致流量過大，壓縮機過載，必須進行限位。

（3） 首臺壓縮機對隨后啟動的壓縮機的影響還體現在轉速、功率的提升速度上，而對壓力的影響很小。

（4） 本文的防喘振系統的響應時間及流通能力均滿足壓縮機的控制要求，無需設置熱旁通。

（5） 通過單機啟動、并聯雙機順序啟動的動態過程模擬分析，驗證了本文的壓縮機防喘振系統的合理性。同時，也可為天然氣壓氣站工程設計及現場開車過程提供參考。