劉順劍 洪進(jìn)門(mén) 王小強(qiáng) 陳東麗

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠，重慶 401220

0 前言

生產(chǎn)過(guò)程中壓縮機(jī)能否正常運(yùn)行主要受到進(jìn)氣壓力、溫度、氣體組分和性質(zhì)、軸功率、喘振點(diǎn)、流量等因素的影響［1-2］。 其中壓縮機(jī)進(jìn)氣直管段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)直管段）長(zhǎng)度也是影響壓縮機(jī)運(yùn)行的因素之一。 目前，在工程設(shè)計(jì)中普遍采用API 標(biāo)準(zhǔn)要求［3］，即直管段長(zhǎng)度一般要求不少于5 倍直徑長(zhǎng)度（即5DN），但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)壓縮機(jī)布置和配管時(shí)，并非都能保證直管段長(zhǎng)度達(dá)到API 要求。 因此，如何在有限的壓縮機(jī)房空間中盡量降低壓縮機(jī)直管段必需長(zhǎng)度成為設(shè)計(jì)中需考慮的問(wèn)題。 現(xiàn)以某冷劑壓縮機(jī)進(jìn)氣直管段長(zhǎng)度的確定為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。

相關(guān)資料顯示壓縮機(jī)直管段的長(zhǎng)度主要有以下幾個(gè)因素：一是直管段前附近管件、閥門(mén)及數(shù)量；二是壓縮機(jī)進(jìn)氣介質(zhì)溫度及流速；三是壓縮機(jī)進(jìn)氣介質(zhì)的平均分子量等［4］。

1 問(wèn)題的提出

此冷劑壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮，一級(jí)進(jìn)氣局部配管情況見(jiàn)圖1，進(jìn)氣管徑為DN600，設(shè)計(jì)采用一個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭外接同心大小頭變徑為DN500 后與壓縮機(jī)入口法蘭相連，無(wú)直管段。 二級(jí)進(jìn)氣局部配管情況見(jiàn)圖2，進(jìn)氣管徑為DN400，同樣采用兩個(gè)垂直長(zhǎng)半徑彎頭變徑為DN300 后與壓縮機(jī)二級(jí)入口法蘭連接，無(wú)直管段。

圖1 壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)口配管示意圖

圖2 壓縮機(jī)二級(jí)進(jìn)口配管示意圖

依據(jù)ASME 標(biāo)準(zhǔn)，直管段最低要求必須達(dá)到3DN即一級(jí)入口須達(dá)到1.5 m，二級(jí)入口需達(dá)到1.2 m 才能保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)房中設(shè)計(jì)進(jìn)氣水平管上約600 mm 即為航車(chē)， 即使增加垂直短節(jié)長(zhǎng)度（不能超過(guò)航車(chē)）也不能達(dá)到ASME 標(biāo)準(zhǔn)要求。 相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓縮機(jī)進(jìn)氣參數(shù)

2 解決方案

2.1 關(guān)于ASME 標(biāo)準(zhǔn)

ASME 標(biāo)準(zhǔn)要求彎頭和壓縮機(jī)進(jìn)口之間直管段不得小于3 倍公稱(chēng)直徑［5］，是基于q/p1≥0.01，其中q/p1由以下關(guān)系得出：

式中：q 為壓縮機(jī)入口動(dòng)壓力，Pa；p1為入口靜壓力，Pa；V 為入口速度，m/s； R 為氣體常數(shù)，8.314 510； T為入口藍(lán)氏溫度，T=1.8×（攝氏溫度+273.15）；Z 為入口壓縮因子；g 為重力加速度，m/s2。

在本工程中，依據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，推算出一級(jí)進(jìn)口q/p1=0.003，不屬于ASME 標(biāo)準(zhǔn)中的通用要求，如果仍然遵循ASME 標(biāo)準(zhǔn)將過(guò)于保守和沒(méi)有必要。 二級(jí)進(jìn)口q/p1=0.027>0.01 但無(wú)法達(dá)到ASME 的通用要求。根據(jù)ASME 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，不同q/p1值對(duì)直管段的要求大致存在表2 所示對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以認(rèn)為直管段不論是采用3DN 還是5DN都是模糊性的要求，針對(duì)不同情況必需的直管段需要嚴(yán)格計(jì)算和分析。

根據(jù)不同q/p1下對(duì)應(yīng)直管段要求并結(jié)合上述q/p1公式繪出如圖3 所示只有一個(gè)彎頭情況下壓縮機(jī)進(jìn)氣直管段、 氣體速度以及分子量之間局部關(guān)系圖表［6］。

表2 不同q/p1對(duì)應(yīng)直管段要求

式中：V2為修正流速，m/s；V 為壓縮機(jī)實(shí)際進(jìn)口速度，m/s； T 為實(shí)際壓縮機(jī)進(jìn)口藍(lán)氏溫度，T=1.8×（攝氏溫度+273.15）。

圖3 直管段關(guān)聯(lián)圖

2.2 壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)口調(diào)整方案

由于壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)口彎頭之前的直管段為8 m，根據(jù)流量計(jì)實(shí)驗(yàn)要求第一個(gè)彎頭在被不少于10DN 的管段分開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)在到達(dá)第二個(gè)管件之前吸收［7］。 因此本工程中可以認(rèn)為氣體在進(jìn)入彎頭之前流體幾乎是等截面布置的。 根據(jù)以上分析，由于一級(jí)進(jìn)口只采用一個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭符合上述關(guān)系圖要求，將本工程相關(guān)參數(shù)折合為50 F 溫度基準(zhǔn)情況下并結(jié)合圖3，得出壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)口實(shí)際所需直管段長(zhǎng)度為0.9 m。

綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)口同心大小頭調(diào)整為水平管段的偏心大小頭， 并上提水平管段200 mm，入口直管段長(zhǎng)度變?yōu)?.9 m，達(dá)到壓縮機(jī)所需直管段要求。

2.3 壓縮機(jī)二級(jí)進(jìn)口調(diào)整方案

根據(jù)孔板流量計(jì)對(duì)直管段的要求，管件和直管段之間存在表3 所示的理論當(dāng)量長(zhǎng)度。

表3 流量計(jì)中管件及其當(dāng)量長(zhǎng)度

根據(jù)以上分析以一個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭為基礎(chǔ)，對(duì)其他管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正得到表格右邊所示修正值。 結(jié)合本工程實(shí)際情況壓縮機(jī)二級(jí)進(jìn)口屬于處于不同平面的兩個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭情況。 因此可以認(rèn)為壓縮機(jī)二級(jí)進(jìn)口所需要的直管段長(zhǎng)度是只有一個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭情況的1.75 倍。 但考慮到生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行時(shí)第一個(gè)長(zhǎng)半徑彎頭之前還可能存在渦流等情況。 所以將直管段倍數(shù)適當(dāng)提高到2 倍要求。 結(jié)合圖3 分析得出為滿(mǎn)足壓縮機(jī)對(duì)二級(jí)進(jìn)口直管段的要求， 并在保證航車(chē)安全的情況下， 提升現(xiàn)有水平管段高度約300 mm 達(dá)到壓縮機(jī)所需直管段要求。

3 結(jié)論

某冷劑壓縮機(jī)直管段經(jīng)過(guò)上述調(diào)整之后，在開(kāi)車(chē)及生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)均達(dá)到設(shè)計(jì)工況要求。 通過(guò)上述分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得出以下結(jié)論：

a） 壓縮機(jī)直管段的具體長(zhǎng)度由介質(zhì)本身物理性質(zhì)和運(yùn)行的管徑等客觀環(huán)境共同決定。

b） 在工程設(shè)計(jì)中如果壓縮機(jī)直管段不能達(dá)到ASME 標(biāo)準(zhǔn)的最低要求即3DN 情況下，可采用上述分析手段確定直管段的最低需求。

c）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)開(kāi)啟過(guò)程情況來(lái)看，壓縮機(jī)直管段雖不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用，但對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行影響不可忽略。

d）壓縮機(jī)直管段前管段走向越簡(jiǎn)單，閥門(mén)管件等越少對(duì)直管段的要求越低。 因此為了避免介質(zhì)在管道中流相復(fù)雜而增加對(duì)直管段長(zhǎng)度的需求，建議在對(duì)壓縮機(jī)工藝配管時(shí)盡量采用簡(jiǎn)單的進(jìn)氣方式，避免不必要的停車(chē)。

［1］ 彭 暉，寧永喬，李開(kāi)烈，等. 合成氣壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)故障分析及處理［J］. 天然氣與石油，2007，25（1）：52-54.

［2］ 胡建洲. 大型離心式壓縮機(jī)試車(chē)工作總結(jié)［J］. 天然氣與石油，2010，28（5）：45-54.

［3］API617，石油、化學(xué)和氣體工業(yè)用離心式壓縮機(jī)［S］.

［4］ Hanlon P C. Compressor Handbook［M］. 北京：中國(guó)石化出版社，2003.135-160.

［5］ASME PTC10-1965，能耗測(cè)試手冊(cè)［S］.

［6］ Hackel R A，King F J.Centrifugal Compressor Inlet Piping ［J］.Compressed Air And Gas Institute，1997，4（2）：2-7.

［7］SYT 6143-2004，用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量［S］.