“雙碳”背景下天然氣管道離心壓縮機性能預測分析

李 旺，陳小華，楊鵬博，吳蘭英，雷 云

（1.國家石油天然氣管網集團西南管道有限責任公司，四川成都 610041；2.常州大學石油工程學院，江蘇常州 213164）

0 引言

隨著全球經濟的發展和環保政策的實施，國內外對石油天然氣類能源需求越來越大。天然氣作為一種優質、清潔、高效的化石能源，在發展低碳經濟的時代背景下備受青睞，其消費量逐年保持大幅增長。從全球范圍來看，天然氣的生產與消費區域不平衡現象特別突出，管道是天然氣大規模輸送的唯一選擇。離心壓縮機作為天然氣長輸管道的重要設備，截至2015 年我國安裝天然氣管道壓縮機組超過350 臺，總裝機功率超過7000 MW，而離心壓縮機組占大部分[1]。因此，離心壓縮機的高效運行對于天然氣長輸管道系統工程而言至關重要，也是保證天然氣供給需求的關鍵所在。

1 西南管道公司天然氣管道運行現狀

西南管道公司（以下簡稱“公司”）作為我國西南能源大動脈，其所轄天然氣管道的安全穩定高效是保障我國能源安全的關鍵所在。公司所轄天然氣管道多處于山地，經過地區地形起伏大、外界地質條件變化大，以及管道實際運行工況的復雜性，使得離心壓縮機經常出現運行工況（入口壓力、入口溫度、入口流量等）不在設計工況下的情況，再加之管道內實際輸送氣體的組分與設計也存在一定的偏差，用離心壓縮機出廠性能曲線來預測實際工況下的運行性能存在較大偏差。因此，公司天然氣管道在實際運行過程中，往往出現能耗較高的不利情況，在流程切換、啟停輸等操作下，容易出現壓縮機工作效率偏低、喘振等現象，甚至引發管道破裂、天然氣泄漏等事故，嚴重威脅天然氣管道的安全運行。

針對上述天然氣管道面臨的問題，公司現有的運行管控手段主要是依靠SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制系統），但是SCADA 系統只能監測沿線站場等部分監測點的運行工藝參數，這就使得調度運行人員難以獲得管道全線運行參數和準確掌握、預測天然氣管道的運行狀態，運行調度主要依靠調度運行人員的多年運行經驗進行，難以保證天然氣管道的最優運行狀態。因此，為了提高天然氣管道的運行效率和安全性，實時掌握離心壓縮機的運行狀態，及時得到管輸實際氣體組分在實際工況下的性能曲線，對離心壓縮機運行性能進行準確預測，對制定天然氣管線優化調度方案具有重要的現實意義。

2 天然氣管道離心壓縮機性能分析

目前，國內外學者在天然氣管道離心壓縮機性能的研究方面，主要圍繞兩個方面展開工作：一是運行工況屬于穩態時，離心壓縮機的性能換算研究；二是考慮瞬態運行工況，實時對離心壓縮機的性能特性進行仿真預測。

2.1 穩態工況下離心壓縮機性能換算研究

天然氣管道處于穩態工況時，此時管道流量、壓力等都處于恒定的狀態。對于離心壓縮機而言，此時其性能特性一般根據性能曲線圖即可得到，能夠獲得此穩態工況條件下的最佳工作點。但是，離心壓縮機出廠時提供的性能曲線圖，往往是在一定的特定工況條件下試驗得到的，如特定的氣體和進氣狀態。而實際現場運行時，離心壓縮機工況條件是多種多樣的，并不能保證與廠家進行性能試驗的條件完全一致。為了適應新工況情況，往往需要將廠家給的性能曲線圖轉化為實際工作條件下的性能曲線圖。許多國內外學者在這方面展開了一系列研究，并取得了很多成果。

在國外學者方面，Connor 等人[2]根據實驗得到的基礎數據，針對壓縮比較高情況下的離心壓縮機，分別就設計工況及非設計工況下的性能曲線進行了預測研究。Magdy 等人[3]根據離心壓縮機的幾何形狀和理論設計工況點，通過改進天然氣的擴散因子和相關損失的計算方法，能夠預測遠離設計工況下的離心壓縮機性能曲線，并且準確度較高。Herbert 等人[4]結合離心壓縮機的整體幾何結構特點，根據離心壓縮機的進口流量、壓縮比及假定的工作效率等，計算了離心壓縮機各部位工況參數，預測了離心壓縮機的性能特性。Coppinger等人[5]對進入壓縮機的天然氣條件（如壓力、流量等）進行調整，對相應工況下的離心壓縮機性能參數進行了分析與預測。

在國內學者方面，研究的起步要晚于國外，主要采用模擬計算等開展離心壓縮機性能的研究。謝朝泉等人[6]通過分析離心壓縮機與離心泵的工作原理，采用類比的方法將離心泵的性能換算方法運用到離心壓縮機的性能換算分析中。研究發現，壓縮比小于2.5的離心壓縮機，采用類比方法是適用的，能夠滿足工程要求。

劉瑞蹈等人[7]針對含分流葉片離心式壓縮機，采用Fine/Turbo程序對離心壓縮機內部的三維黏性流場進行了數值模擬分析，結果發現數值模擬得到的離心壓縮機性能曲線與實驗條件下得到的結果基本吻合，并且不同的進口流量工況條件下，離心壓縮機葉輪葉片的進口位置都會產生局部區域的逆向壓力梯度。

張冬陽等人[8]提出了一種兩步擬合來求解離心壓縮機性能特性的方法。首先，利用正交多項式的形式擬合得到離心壓縮機等轉速工況條件下的性能曲線；然后，選取適當的插值函數，針對第一步得到的擬合關系式中的相關系數，分析其與離心壓縮機轉速的關系，并建立關系式，最后得到離心壓縮機關于進口流量和轉速的性能參數多項式。作者認為，該擬合方法在實際實施的過程中較為簡便，且得到的離心壓縮機性能曲線能夠滿足一般工程的要求。

張楚華等人[9]針對離心壓縮機的結構進行了預處理，利用非結構化網格有限體積法研究了離心壓縮機內部葉頂間隙對壓縮機氣動性能的影響。結果表明，葉輪內部的流動情況（包括流速、流場等）會隨著葉頂間隙増大而不斷發生惡化，并且葉輪的氣動效率、轉矩和壓縮比均會下降。

目前針對穩態工況條件下，天然氣管道離心壓縮機性能曲線的換算主要是采用3 種相似換算方法，即完全相似、第一類近似相似、第二類近似相似。在實際換算時，要根據現場實際條件與性能試驗條件的差異，選擇最適合的換算方法。

2.2 瞬態工況下離心壓縮機性能特性仿真研究

針對離心壓縮機的瞬態運行特性仿真研究，國外學者研究起步較早，研究也取得了比較豐碩的成果。

Whitfield 等人[10]對以往學者的離心壓縮機性能預測方法進行了系統的總結分析，發現離心壓縮機內部流動情況屬于三維非定常流動，天然氣流動過程中存在的邊界層分離現象，導致不能準確地模擬離心壓縮機的性能特性。Greitzer 和Moore 等人[11]從無量綱角度對離心壓縮機的質量流量和壓力兩個狀態變量進行了無量綱化，據此來建立離心壓縮機的瞬時動態模型。在此基礎上，采用三階函數曲線對所建立的離心壓縮機瞬態模型的性能曲線進分析。此外，Botros 等人[12]基于三大守恒定律，即能量守恒、質量守恒和動量守恒，建立了一種瞬態離心壓縮機模型，該模型能夠描述氣體在壓縮機內的準穩態流動過程。

在國內學者研究方面，整體上起步要晚于國外，但取得的成果較為豐富。張春梅等人[13]對Moore 和Greitzer 所提出的離心壓縮機瞬態模型進行了改進，并就改進后的瞬態模型穩定性進行了分析，得到了該離心壓縮機模型非正常工況下運行條件，如旋轉失速和喘振等工況條件，并進一步對離心壓縮機從穩定工況狀態到喘振工況狀態的變化過程進行了仿真模擬。慈蕾等人[14]采用數值模擬軟件NUMECA 模擬分析了等內徑不對稱圓形蝸殼的三維黏性特征，研究發現圓形蝸殼內部的氣體流動屬于復雜的三維不規則旋轉向前流動，蝸舌附近的氣流扭曲程度要顯著大于蝸殼其他部位的分析情況。此外，厲勇等人[15]在離心壓縮機性能分析中引入了模糊控制理論，并在建立離心壓縮機性能模型過程中利用了Elman 動態遞歸人工神經網絡。孫培艷等人[16]在模糊控制理論的基礎上，針對離心壓縮機的喘振現象設計了相應的防喘振控制系統，對離心壓縮機的防喘振具有較好的效果。

針對天然氣管道離心壓縮機性能進行分析，實時精確預測生產現場天然氣壓縮機實際運行性能，對各種工況下的離心壓縮機性能進行準確預測，這對于天然氣管道的安全高效運行是非常必要的。

3 展望

本文以西南管道公司天然氣管道離心壓縮機性能特性為切入點，系統分析了國內外學者在上述方面的研究現狀。雖然目前在離心壓縮機性能分析方面取得了較多成果，但在“碳達峰、碳中和”背景下要求對離心壓縮機的性能更加精確地控制，仍需在以下兩個方面對其進行深入探索：

（1）加大對離心壓縮機性能預測模型的研究，建立適合多工況條件下的性能預測模型，及時掌握離心壓縮機的實際運行性能。

（2）深入研究瞬態工況下的離心壓縮機性能特征，掌握瞬態工況下的氣體流動規律，開發瞬態工況下離心壓縮機性能預測軟件。