吳梁紅 陳曉楠 楊文川 宗媛 陳飛

1．中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京100083;

2．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京100085;

3．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;

4．中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249

長(zhǎng)輸首站壓縮機(jī)停運(yùn)對(duì)天然氣處理廠的影響分析

吳梁紅1陳曉楠2楊文川3宗媛2陳飛4

1．中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京100083;

2．中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京100085;

3．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;

4．中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249

為了降低天然氣長(zhǎng)輸管道首站壓縮機(jī)停運(yùn)對(duì)上游天然氣處理廠的影響以某天然氣長(zhǎng)輸管道首站現(xiàn)有管道系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用SPS軟件對(duì)長(zhǎng)輸管道首站的壓縮機(jī)單機(jī)和雙機(jī)失效停運(yùn)對(duì)其上游天然氣處理廠的生產(chǎn)影響進(jìn)行分析，得到天然氣處理廠的允許緩沖時(shí)間，提出三種不同的解決措施，同時(shí)對(duì)不同失效情況下的應(yīng)對(duì)措施效果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，為上游天然氣處理廠和天然氣長(zhǎng)輸管道的安全生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支持。

天然氣處理廠;長(zhǎng)輸首站;壓縮機(jī)失效;SPS軟件;措施

0 前言

某天然氣長(zhǎng)輸管道工程是我國(guó)繼西氣東輸之后的第二大天然氣長(zhǎng)輸管道，具有距離長(zhǎng)、輸送量大、設(shè)計(jì)壓力高的特點(diǎn)。天然氣長(zhǎng)輸管道全長(zhǎng)超2 000 km，干線設(shè)計(jì)壓力10 MPa，管徑Φ 1 016 mm，沿線設(shè)有3座壓氣站，可以滿足120×108m3/a的輸送要求［1］。管道投產(chǎn)以來(lái)，由于上游氣田外輸量限制，長(zhǎng)輸首站一直沒(méi)有增設(shè)壓縮機(jī)。近年來(lái)，隨著管道外輸量增加，需投運(yùn)首站壓縮機(jī)，但首站和上游天然氣處理廠之間的聯(lián)絡(luò)管線僅250 m，緩沖能力太小，若首站在額定工況下出現(xiàn)機(jī)組故障停機(jī)，會(huì)導(dǎo)致整條長(zhǎng)輸管道水力系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，輕則影響外輸站壓縮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，重則可能導(dǎo)致上游天然氣處理廠無(wú)法正常生產(chǎn)甚至發(fā)生安全事故［2］，因此，本文將重點(diǎn)運(yùn)用SPS軟件［3－5］分析研究長(zhǎng)輸首站壓縮機(jī)投產(chǎn)后失效停運(yùn)對(duì)上游天然氣處理廠影響［6－7］，進(jìn)而提出有效可行的應(yīng)對(duì)措施。

1 模型建立

某天然氣長(zhǎng)輸管道首站主要接收上游天然氣處理廠和聯(lián)絡(luò)線管道來(lái)氣，同時(shí)兼顧調(diào)壓分輸供氣至A城市，分輸量為189.9×104m3/d。長(zhǎng)輸管道首站配置3臺(tái)GE電驅(qū)壓縮機(jī)機(jī)組(2用1備)，壓縮機(jī)最小連續(xù)轉(zhuǎn)速4 412 r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速6 615 r/min，額定功率6 092 kW，設(shè)計(jì)進(jìn)口壓力7.01 MPa、出口最高壓力9.85 MPa，實(shí)際運(yùn)行進(jìn)口壓力6.0～8.1 MPa、出口壓力7.50～9.50 MPa，壓縮機(jī)控制模式為轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)根據(jù)長(zhǎng)輸管道首站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，壓縮機(jī)冷啟時(shí)間約30 min，空冷器出口設(shè)計(jì)溫度52℃，目前實(shí)際出口溫度37～52℃。上游氣田處理系統(tǒng)包括4條集氣管線、1條集氣干線和1座天然氣處理廠，天然氣處理廠與長(zhǎng)輸管道交接壓力不超過(guò)8.0 MPa。SPS軟件模型中，各氣源點(diǎn)均采用壓力控制模式，各分輸用戶采用流量控制模式，末站采用壓力控制模式［8－10］。管道系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1，各管道基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 管道系統(tǒng)示意圖

表1 各管道基本參數(shù)

2 首站壓縮機(jī)停機(jī)影響分析

長(zhǎng)輸管道在冬季最大輸量下首站進(jìn)站壓力7.80 MPa，壓縮機(jī)出口壓力9.65 MPa，氣體處理廠外輸輸量3 185× 104m3/d，聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)壓力7.85 MPa，供應(yīng)量800× 104m3/d，此時(shí)在不考慮利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣情況下，分析管道首站壓縮機(jī)單機(jī)和雙機(jī)失效停運(yùn)對(duì)天然氣處理廠的影響。

2.1 雙機(jī)停運(yùn)影響分析

當(dāng)長(zhǎng)輸管道首站2臺(tái)在運(yùn)壓縮機(jī)事故緊急停機(jī)，30 s后關(guān)斷聯(lián)絡(luò)線與天然氣處理廠之間的跨接管線(閥門(mén)全行程關(guān)閉時(shí)間為30 s)［11］。由于天然氣處理廠與首站間的管道長(zhǎng)度僅250 m，充水容積僅189 m3，管道緩沖能力極小，因此在壓縮機(jī)停運(yùn)瞬間，管道充裝效應(yīng)使天然氣處理廠出口壓力(首站進(jìn)站壓力)迅速上升，出口流量迅速減小，即1 min后天然氣處理廠出口壓力將達(dá)到8 MPa，同時(shí)天然氣處理廠外輸流量減小至493×104m3/d。首站雙機(jī)停運(yùn)后天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖2。

圖2 首站雙機(jī)停運(yùn)后天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化圖

2.2 單機(jī)停運(yùn)影響分析

當(dāng)長(zhǎng)輸管道首站1臺(tái)壓縮機(jī)事故緊急停運(yùn)，30 s后關(guān)斷聯(lián)絡(luò)線與天然氣處理廠之間的連接管線(閥門(mén)全行程關(guān)閉時(shí)間為30 s)，由于管道充裝效應(yīng)，天然氣處理廠出口壓力瞬間升高，流量瞬間［12］降低至2 600×104m3/d，但此后由于現(xiàn)場(chǎng)另1臺(tái)在運(yùn)壓縮機(jī)控制模式為定轉(zhuǎn)速控制，因此其工作點(diǎn)往阻塞線移動(dòng)，使得天然氣處理廠外輸流量有所恢復(fù)，出口壓力又逐漸降低，35 min后在運(yùn)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)到達(dá)阻塞線，即此時(shí)壓縮機(jī)達(dá)到最大處理量，天然氣處理廠出口壓力基本維持在7.85 MPa，流量維持在2 735×104m3/d。因此，長(zhǎng)輸管道首站單機(jī)停運(yùn)工況不會(huì)造成天然氣處理廠出口壓力大于8.0 MPa，即首站單機(jī)停運(yùn)對(duì)天然氣處理廠的安全生產(chǎn)影響不大，但天然氣處理廠的外輸量需降低15%。首站單機(jī)停運(yùn)后天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖3，單機(jī)停運(yùn)后首站壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化見(jiàn)圖4。

圖3 首站單機(jī)停運(yùn)后天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化圖

圖4 單機(jī)停運(yùn)后首站壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化圖

綜上分析可以看出，當(dāng)長(zhǎng)輸管道首站雙機(jī)停運(yùn)時(shí)，天然氣處理廠出口壓力在1 min內(nèi)將超過(guò)8.0 MPa，原因在于天然氣處理廠和長(zhǎng)輸首站之間的連接管線僅250 m，緩沖能力太小。

3 應(yīng)對(duì)措施分析

根據(jù)長(zhǎng)輸首站管道系統(tǒng)情況，提出三種應(yīng)對(duì)措施:僅利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣;利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+處理廠和外輸首站放空［13］;利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+縮短壓縮機(jī)啟機(jī)時(shí)間。同時(shí)在分析三種應(yīng)對(duì)措施可行性時(shí)還須考慮其對(duì)聯(lián)絡(luò)線生產(chǎn)是否造成影響。

3.1 僅利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣

僅利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣(簡(jiǎn)稱(chēng)措施1)，當(dāng)長(zhǎng)輸首站雙機(jī)停運(yùn)，30 min后重新啟動(dòng)第1臺(tái)壓縮機(jī)，1 h后重新啟動(dòng)第2臺(tái)壓縮機(jī)。措施1下天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，打開(kāi)聯(lián)絡(luò)線和天然氣處理廠之間的截?cái)嚅y門(mén)后，天然氣處理廠出口壓力約8 min增加至8.0 MPa，第1臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)完成后，首站出口流量迅速增加至2 300×104m3/d，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力迅速降低，5 min后天然氣處理廠出口壓力降至8.0 MPa，而待第2臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)完成后，第1臺(tái)壓縮機(jī)流量減小，壓縮機(jī)出口壓力增加，進(jìn)口壓力下降，最終恢復(fù)至正常生產(chǎn)狀態(tài)。

圖5 措施1下天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化圖

對(duì)聯(lián)絡(luò)線，首站壓縮機(jī)停運(yùn)后，天然氣處理廠來(lái)氣迅速向聯(lián)絡(luò)線倒流，聯(lián)絡(luò)線末端最大流量將達(dá)到－1 700×104m3/d，之后逐漸減小，而聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)流量在壓縮機(jī)停運(yùn)后8 min內(nèi)與事故前相同(800×104m3/d)，但在11.7 min左右降至0，即措施1下聯(lián)絡(luò)線正常生產(chǎn)緩沖時(shí)間為8 min左右，此后，由于天然氣處理廠來(lái)氣不斷向聯(lián)絡(luò)線倒流充裝，聯(lián)絡(luò)線平均壓力上升，導(dǎo)致聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)壓力和終點(diǎn)壓力不斷上升。當(dāng)?shù)?臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)完成后，天然氣處理廠來(lái)氣不再向聯(lián)絡(luò)線倒流，聯(lián)絡(luò)線末端流量(進(jìn)入首站流量)迅速增加為500×104m3/d，聯(lián)絡(luò)線末端壓力開(kāi)始迅速下降，但聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)流量依然為0;當(dāng)?shù)?臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)完成后，聯(lián)絡(luò)線進(jìn)入首站流量迅速增加，第2臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)13 min后，聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)壓力下降至初始設(shè)定值，進(jìn)氣量逐漸增加至800×104m3/d并穩(wěn)定，即聯(lián)絡(luò)線恢復(fù)正常生產(chǎn)所需時(shí)間約80 min。措施1下聯(lián)絡(luò)線起、終點(diǎn)壓力和流量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖6。

圖6 措施1下聯(lián)絡(luò)線起、終點(diǎn)壓力和流量隨時(shí)間變化圖

通過(guò)分析可以看出，措施1下天然氣處理廠最大出廠壓力約8.2 MPa，超過(guò)設(shè)定值8.0 MPa持續(xù)時(shí)間達(dá)24 min，同時(shí)聯(lián)絡(luò)線正常生產(chǎn)時(shí)間約8 min，恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)間約80 min。因此，措施1不可行。

3.2 聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+處理廠和外輸首站放空

聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+處理廠和外輸首站放空(簡(jiǎn)稱(chēng)措施2):利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣，同時(shí)首站壓縮機(jī)雙機(jī)停運(yùn)7 min后放空閥開(kāi)啟(放空閥為2組，1組在首站，放空設(shè)計(jì)流量120×104m3/d;另1組在天然氣處理廠，放空設(shè)計(jì)流量1 800×104m3/d)，30 min后第1臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)成功，并關(guān)閉放空閥，此時(shí)天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖7。措施2下長(zhǎng)輸管道和天然氣處理廠累計(jì)放空量約32×104m3。從圖7可以看出，措施2下打開(kāi)聯(lián)絡(luò)線和天然氣處理廠之間的截?cái)嚅y門(mén)后，天然氣處理廠出口壓力7 min左右增加至7.98 MPa，此時(shí)開(kāi)啟天然氣處理廠和首站放空閥，天然氣處理廠外輸氣量瞬間上升至2 800×104m3/d，出口壓力快速降低至7.94 MPa，隨后流量緩慢降至2 400×104m3/d左右，且基本保持不變。當(dāng)?shù)?臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)完成后，天然氣處理廠外輸氣量由2 400×104m3/d迅速上升至3 050×104m3/d，之后隨著放空閥的關(guān)閉又快速下降至2 400×104m3/d左右且保持穩(wěn)定，同時(shí)天然氣處理廠出站壓力略有下降。

圖7 措施2下天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化圖

措施2對(duì)聯(lián)絡(luò)線的影響同措施1。首先天然氣處理廠來(lái)氣迅速向聯(lián)絡(luò)線倒流，聯(lián)絡(luò)線末端最大流量將達(dá)到－1 700×104m3/d，之后逐漸減小，但隨著7 min后放空閥開(kāi)啟，天然氣處理廠來(lái)氣不再向聯(lián)絡(luò)線倒流，聯(lián)絡(luò)線終點(diǎn)流量將維持在50×104m3/d左右，而聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)流量在壓縮機(jī)停運(yùn)后10 min內(nèi)與事故前相同(800× 104m3/d)，但由于放空閥開(kāi)啟前天然氣處理廠來(lái)氣對(duì)聯(lián)絡(luò)線的充裝，聯(lián)絡(luò)線起點(diǎn)流量將在12 min左右逐漸降低至0。此后隨著第1臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)完成，聯(lián)絡(luò)線進(jìn)入首站流量迅速增加為1 630×104m3/d，之后下降穩(wěn)定在300×104m3/d左右，6 min后，聯(lián)絡(luò)線終點(diǎn)壓力降低至7.85 MPa，起點(diǎn)開(kāi)始重新進(jìn)氣，氣量緩慢上升至300×104m3/d，措施2下聯(lián)絡(luò)線起、終點(diǎn)壓力和流量隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖8。

圖8 措施2下聯(lián)絡(luò)線起、終點(diǎn)壓力和流量隨時(shí)間變化圖

從上述分析可以看出，措施2下整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中天然氣處理廠出站壓力均未達(dá)到8.0 MPa，但聯(lián)絡(luò)線正常運(yùn)行時(shí)間為10 min，恢復(fù)生產(chǎn)需要25 min，因此措施2可行。

3.3 聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+縮短壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間

聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+縮短壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間(簡(jiǎn)稱(chēng)措施3)。從措施1可以看出，長(zhǎng)輸首站2臺(tái)壓縮機(jī)停運(yùn)后如果利用聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣，天然氣處理廠出口壓力在8 min左右增至8.0 MPa，因此，只要在這段時(shí)間可以完成至少1臺(tái)壓縮機(jī)的啟動(dòng)，將大大降低壓縮機(jī)雙機(jī)停運(yùn)對(duì)天然氣處理廠的影響。為此，建議加強(qiáng)壓縮機(jī)的日常管理和維護(hù)［14］，提高其可靠性，使備用壓縮機(jī)一直處于保壓熱備用狀態(tài)，縮短壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間［15］，如將壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)間控制在5 min內(nèi)，此時(shí)天然氣處理廠出口壓力和流量隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，措施3下天然氣處理廠出站壓力最高壓力沒(méi)有超過(guò)8.0 MPa，天然氣處理廠出站氣量在壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中由2 090×104m3/d迅速上升至2 855×104m3/d，之后快速下降至2 435× 104m3/d左右維持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)長(zhǎng)輸管道首站雙機(jī)停運(yùn)后，天然氣處理廠出口壓力在1 min內(nèi)超過(guò)8.0 MPa。

2)長(zhǎng)輸管道首站單機(jī)停運(yùn)工況不會(huì)造成天然氣處理廠出口壓力大于8.0 MPa，即單機(jī)停運(yùn)對(duì)天然氣處理廠的安全生產(chǎn)影響不大，僅出廠外輸氣量需降低15%。

3)長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)之初應(yīng)充分論證首站壓氣站的選址位置，為避免壓縮機(jī)機(jī)組事故停運(yùn)導(dǎo)致上游天然氣處理廠憋壓影響其正常生產(chǎn)，具體間距應(yīng)根據(jù)壓縮機(jī)機(jī)組停運(yùn)事故分析確定。

4)為了降低某長(zhǎng)輸管道首站壓縮機(jī)停運(yùn)對(duì)天然氣處理廠的影響，采取聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)氣+處理廠和外輸首站放空的措施可以避免首站雙機(jī)停運(yùn)后天然氣處理廠出口壓力超過(guò)8.0 MPa，同時(shí)建議加強(qiáng)壓縮機(jī)的日常管理和維護(hù)，使備用壓縮機(jī)處于熱備狀態(tài)，縮短備用壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.002

2016－07－28

吳梁紅(1985－)，男，四川眉山人，工程師，碩士，主要從事石油與天然氣集輸儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)工作。