某兩級螺桿式壓縮機級間壓力問題處理

馮金強，趙 波，袁清璽，張建梁

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海石油煉化有限責任公司，北京 100029)

1 引言

海上石油平臺低壓天然氣回收技術選擇性越來越多[1]，螺桿壓縮機因其體積小、重量輕、可靠性高[2]、易損件少、對液擊不敏感、在較寬的工況范圍內仍可保持較高的效率等特點，近年來在海洋平臺低壓分離器氣體回收、低壓火炬氣回收等場合的應用越來越廣泛[3-4]。由于受單級壓比限制，在某些工況下機組需設計為兩級串聯形式[5-6]，以達到較高的壓比，每級分別由電機進行(變頻)驅動或采用一臺電機通過過齒輪箱進行雙驅[7]，串聯后使得機組排氣壓力達到工藝要求，一般通過PLC模塊來對壓縮機進行控制[8]。

2 工藝流程簡述

本文兩級串聯螺桿壓縮機的主工藝流程為天然氣經一級入口冷卻器、過濾器、進氣接管進入一級壓縮機，經一級壓縮后，在一定的壓力和溫度下從一級壓縮機內排出，流經排氣接管、排氣止回閥，進一級排氣冷卻器冷卻，二級入口過濾器后進入二級壓縮機進行壓縮，達到所需壓力從二級壓縮機排出。

一、二級壓縮機采用變頻電機驅動，變頻流量調節是通過變頻器改變驅動電機的轉速控制流量[9]，壓縮機轉速可調，以利于氣量不穩定時保證機組入口壓力，采用變頻調節技術的節能效果顯著，方便協調生產[10]。機組回流閥和一級壓縮機轉速通過PLC由一級入口壓力控制，二級壓縮機轉速由二級入口壓力控制。

3 問題的提出

機組啟動運行，一級入口、二級出口達到操作壓力范圍后，二級入口壓力較一級出口壓力存在較大數值的差異，升高二級轉速二級入口壓力會進一步減小、與一級出口壓力偏差增大，機組振動、軸承溫度、排氣溫度等參數優良，級間壓力的變化受到多種因素的影響，需綜合分析，不能單一而論[11]，機組升壓過程中需手動操作回流閥、一級轉速、二級轉速，需手動控制操作的參數過多需要進行優化。

圖1 工藝簡圖

4 原因分析及驗證

4.1 一級出口單向閥壓降

一級出口單相閥為彈簧式單向閥，可能存在彈簧力過大，單向閥開啟壓力大的情況。經拆除一級出口單向閥的彈簧進行測試，在同樣操作參數下，單向閥彈簧引起的壓降有30 kPa(G)。

4.2 二級入口濾器堵塞

二級壓縮機入口安裝有臨時濾網，伴生天然氣中含有水、烴類和微小固體雜質等[12]，存在機組啟動初期，管線內部異物雜質濾網堵塞造成的阻力過大、壓降過大的可能性[13]。經拆檢濾網無堵塞情況，該原因可排除。一級排氣冷卻后溫度在40℃，相對密度相同的天然氣在壓力一定的條件下，溫度越高越不易生成水化物[14]，因此水化物導致堵塞情況也可排除。

4.3 兩級流量的匹配

由表1數據可以看出，在一級轉速1470～1478 r/min，二級轉速901 r/min時，一級排氣壓力與二級入口壓力的壓力差在78～91 kPa(G)。在基本相同的排氣壓力和一級壓縮機轉速情況下，一級排氣壓力與二級入口壓力之差受二級轉速影響較大，二級轉速由901 r/min上升至1413 r/min后，一級排氣壓力與二級入口壓力差值由78～91 kPa(G)增大至327 kPa(G)。存在現場實際氣體組分變化引起不同轉速下一級排氣量和二級吸氣量存在不匹配的情況。

表1 主要性能參數

表2 實際運行參數

5 解決措施

5.1 更換單向閥彈簧

拆除一級出口單向閥的原彈簧進行測試，在同樣操作參數下，原單向閥彈簧引起的壓降有約30 kPa(G)。在工程應用中可根據實際需求，增大或減小錐式單向閥低阻尼振蕩系統的阻尼系數或彈簧剛度來達到應用目的[15]，因此更換開啟壓力更小剛度更小的彈簧，控制單向閥引起的壓降在5 kPa(G)以內。

5.2 二級入口控制參數進行優化

按照每級壓比不超過4的原則，降低二級入口壓力控制設定值，原二級入口壓力設定值比實際值高，二級壓縮機始終保持在最低轉速無法在一定范圍內自動調節。在一定原則下，降低二級入口壓力設定值，使得二級轉速不始終處于最小轉速上，為二級入口壓力波動時留下調整空間。

5.3 回流閥與壓縮機變頻調節控制優化

將原一二級壓縮機轉速在壓力建立期間的默認為手動控制優化為二級壓縮機轉速自動控制，一級電機轉速控制與回流閥控制兩者不能同時處于自動控制狀態，具體控制如下：

(1)機組啟動后，通過PLC程序控制一、二級啟機自動設定在最低轉速900 r/min運行；

(2)根據一級入口壓力，手動或自動逐漸關回流閥，至回流閥全關；

(3)根據入口壓力手動或自動升一級轉速，二級轉速根據二級入口壓力自動調節；

(4)投入回流閥與轉速調節連鎖，回流閥及一級壓縮機轉速根據入口壓力自動調節；

(5)一級電機轉速控制與回流閥控制兩者不能同時處于自動控制狀態，即通過PLC“軟器件”、“軟觸點”進行聯鎖，不改變PLC外部電路的結構，不存在使電路復雜化的問題[16]。

6 結語

經過上述解決措施，消除了一級出口壓力與二級出口壓力的過大偏差，保持正常壓降，一二級壓比分配更加均衡，機組運行穩定。為類似工況機組提供了借鑒。

6.1 串級壓縮機的驅動電機變頻范圍

適當放寬驅動電機的變頻范圍有助于機組現場運行的穩定，建議在25～60 Hz。在上位機觸摸屏中加入轉速信息，實時監測電機的運行頻率狀態[17]。變頻范圍提高有利于一、二級壓縮機吞吐排量的平衡，避免因為氣量、組分等變化引起一級壓縮機吃不了，二級壓縮機吃不飽的情況。系統低頻運行時，注意電機的噪聲和繞組溫度不至于過高[18]。

6.2 串級螺桿壓縮機的級間壓力設定

應根據現場實際組分、氣量和工況進行及時優化，設定條件可參照每級壓比不超過4，機組振動不超標，各級排氣溫度不高，機組強度允許等幾方面進行考慮。以及在選擇和應用天然氣壓縮機的過程中，應高度關注在其實際生產過程中形成的流量、壓力等各項因素，從而得到最佳的操作效果[19]。

6.3 單向閥的壓降

在壓力較低，管徑較小的情況下單向閥的壓降和開啟壓力需要進行考慮，推薦使用開啟壓力小于5 kPa(G)的單向閥。

6.4 回流閥與變頻的控制時序

對同一參數的控制，例如本文中一級壓縮機轉速和入口壓力均為受一級入口壓力控制，二者不能同時處于自動狀態避免產生“抬轎”現象，在保證系統結構簡單的同時，提升操作行為，推動系統向更安全的方向發展[20]。