管線離心壓縮機入口流量波動診斷及對策研究

王磊，岳三琪，夏敏，趙志超，陳福林

（中石化重慶天然氣管道有限責任公司，重慶 408001）

1 故障描述

某天然氣長輸管道增壓站新建三套離心式壓縮機組，主機機型PCL355，設計參數見表1。進行防喘振測試過程中，當機組在防喘振管線內打小循環時，壓縮機入口孔板流量計測得流量值存在較大范圍波動，且流量值比正常情況偏小22%左右，偏小約33000～35000Nm3/h，防喘振測試時天然氣流向圖和入口壓力波動曲線如圖1、2所示。防喘振流量波動造成無法精確測試壓縮機的工況點、準確繪制防喘振曲線，影響壓縮機的長期穩定安全運行。

2 流量波動誘導因素排查

從儀表、自控系統、防喘閥、孔板、天然氣流態等方面逐項排查誘導因素，找出入口流量波動的根本原因。

表1 PCL355型離心式壓縮機組設計參數表

2.1 儀表

通過孔板流量計變送器閥組排污，清理出少量污物，清理后問題未解決。

隨后，數次更換標定的差壓變送器，并吹掃引壓管、取壓閥等組件，問題未解決，排除儀表本質故障的可能性

2.2 自控系統

圖1 防喘振測試天然氣流向圖

圖2 壓縮機入口流量曲線

本機組采集的流量計差壓值傳輸至試車合格機組的自控系統后，依然存在流量波動現象，且經專業工程師診斷自控系統后未發現異常，因此，排除自控系統硬件和程序可能存在的問題。

2.3 防喘閥

防喘閥內部堵塞引起流通面積縮小可能導致流量波動且偏小，拆卸并檢查防喘振閥，內部存在少量雜質但閥門動作正常，專業工程師分析判斷后，認為少量雜質不會影響閥門性能。

2.4 孔板

拆卸并查看孔板流量計表面清潔度，表面附著少量黏稠雜質，但不會引起流量波動；隨后，依據圖紙核對流量計安裝方向是否正確，經檢查安裝無誤；最后，核驗孔板流量計規格型號、內徑尺寸等參數是否與設計圖紙相符，經查驗各參數符合設計要求。

將現用的進口孔板流量計替換為某國產孔板流量計，并縮小孔板內徑尺寸，孔板的β值（孔板內徑d與管道內徑D的比值）由原來的0．7縮小至0．6，更換后啟機測試，流量波動現象依然存在。

3 基于流態分析的診斷

經上述診斷后，未排查出流量波動的誘導因素，決定從壓縮機工藝管線天然氣流態的角度出發，分析查找問題根源。

3.1 流體力學分析

根據伯努利方程和流體流動連續性方程可得到孔板流量計前后差壓Δp與流經孔板的體積流量QV關系為：

式中，C為流出系數；ρ為流體密度，kg/m3；β為孔板內徑d與管道內徑D的比值。

由式1可知，通過測量孔板兩側壓力差，可計算流經孔板的體積流量值，這是孔板流量計的基本工作原理。

管道中體積流量QV與流體流速v有如下函數關系：

聯立式（1）和式（2）可得，孔板流量計兩端差壓與流速的關系表達式為：

根據式（3），流體處于非穩定流態時，孔板流量計兩端差壓會出現波動，且孔板兩端差壓變化幅值隨流速振幅增強而變大，導致測量的流量出現波動。

3.2 孔板前后壓力測試

通過孔板前后壓力測試，驗證流量波動是否由壓力波動引發。拆除流量計的差壓變送器，在孔板前后取壓口安裝2個壓力變送器，重新編程后監測孔板前后壓力和差壓值。按照表2列出的三種工況進行壓力測試。

表2 壓力測試的三種工況

圖3 工況一條件下孔板前后壓力曲線

圖4 工況二條件下孔板前后壓力曲線

經測試，孔板前壓力波動范圍1．257～1．942kPa，孔板后壓力波動范圍4．6～5．108kPa，差壓波動最大值略大于5kPa，證明流經孔板前后的流體存在波動，差壓波動是導致流量波動的根源。

圖5 工況三條件下孔板前后壓力曲線

表3 壓力測試參數表

3.3 流量計對比分析

經專家組研討決定，用多孔孔板流量計替換標準孔板流量計以消減差壓波動。更換前對比2種流量計的流態特征，分析多孔孔板流量計對流體流態的影響，提高解決問題的概率，減少因重復更換流量計帶來的經濟損失和時間消耗。

對比圖6、7，與標準孔板流量計相比，多孔孔板流量計產生的渦流尺寸更小，且流經上下游的流體能夠更快恢復到穩定狀態。

圖6 標準孔板流量計上下游流態圖

圖7 多孔孔板流量計上下游流態圖

標準孔板流量計僅有一個流通孔徑，節流后會破壞流體層流狀態；多孔孔板流量計具有多個函數孔徑，其對稱多孔結構的特點，能最大程度將流場平衡整流，降低渦流，流場穩定性大大提高。

多孔孔板流量計由于流場更加穩定，且有較強的壓力恢復能力，大大縮短對壓縮機入口直管段的要求，直管段最小可短至孔板前0．5D、后0．5D（D為管道內徑），多孔孔板流量計能夠獲得更加平穩的差壓信號，測量的體積流量更穩定、精確。

4 多孔孔板力學分析與驗證測試

更換前進行孔板流量計的應力應變分析和水壓試驗，驗證其可靠性。

使用有限元分析軟件對孔板流量計做應力應變分析。經模擬分析得出正常工況下孔板的等效應力分布云圖和總變形圖，其最大等效應力為54．4MPa，遠小于材料屈服強度310MPa；其最大變形為0．06mm，滿足設計要求。

經水壓試驗驗證，多空孔板流量計能夠滿足現場高壓工況。

更換多孔孔板流量計后啟機測試，未出現流量波動現象。

現場安裝的軸流式防喘閥選型過大，調節回流流量時開度變化靈敏。通過進一步分析和行業內調研，防喘振測試時出現流量波動，是由于防喘閥選型時尺寸過大(DN250)，與壓縮機入口管徑(DN500)不匹配造成防喘閥回流氣量過大，沖擊入口天然氣，導致流體出現紊流，紊流流體通過孔板流量計測量，出現大幅度流量波動。

5 結語及建議

由于壓縮機組設計選型階段未充分考慮防喘振閥與工藝管線的匹配性，導致防喘振小循環回流的氣流過大，造成壓縮機入口流體的紊流狀態，標準孔板流量計無法準確測量真實流量。多孔孔板流量計具備良好的整流作用，能夠提高抗干擾能力，流量更穩定，測量值更符合實際。建議依據實際系統特性，全面充分考慮壓縮機與工藝管線、配套設備的匹配度，輔助管線離心壓縮機組的設計選型；設計階段應對防喘振閥、孔板流量計等設備與工藝系統做流體力學計算分析和流態模擬，以滿足壓縮機系統的運行需要。