崔月紅, 朱海山, 靜玉曉, 楊天宇, 楊澤軍

(中海油研究總院工程研究設(shè)計(jì)院， 北京 100028)

海洋平臺(tái)離心壓縮機(jī)特性的動(dòng)態(tài)模擬

崔月紅, 朱海山, 靜玉曉, 楊天宇, 楊澤軍

(中海油研究總院工程研究設(shè)計(jì)院， 北京 100028)

離心壓縮機(jī)廣泛用于海洋平臺(tái)中。在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，一般只研究其滿足正常生產(chǎn)運(yùn)行階段，基本沒有開展動(dòng)態(tài)研究，可能導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)需求發(fā)生偏差，甚至生產(chǎn)關(guān)停。利用HYSYS軟件，搭建離心壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮動(dòng)態(tài)模型，研究其工作點(diǎn)變化曲線以及防喘振閥開度、壓縮機(jī)入口總流量、出口溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。為壓縮機(jī)設(shè)計(jì)操作、優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、節(jié)能降耗提供參考。

離心壓縮機(jī)； 動(dòng)態(tài)仿真模擬； HYSYS

0 引言

在海上油氣田開發(fā)中，壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于低壓氣回收、天然氣處理過程的中間加壓和產(chǎn)品氣增壓外輸，是氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是離心壓縮機(jī)，在海上大型氣田的開發(fā)中最為常見[1]。優(yōu)化離心壓縮機(jī)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)以保證其安全、穩(wěn)定運(yùn)行已成為海上油氣田，特別是大型氣田設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

目前，我國(guó)對(duì)于油氣田工程前期研究項(xiàng)目中的壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還停留在滿足其正常生產(chǎn)運(yùn)行的階段，靜態(tài)模擬主導(dǎo)，基本沒有開展動(dòng)態(tài)研究。這可能導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)及安全控制措施與實(shí)際生產(chǎn)需求發(fā)生偏差。壓縮機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)回流閥及泄放閥過早開啟并頻繁動(dòng)作，使氣體大量排放，造成天然氣浪費(fèi)及能耗增加，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)停。

國(guó)外壓縮機(jī)廠商及研究機(jī)構(gòu)已將動(dòng)態(tài)模擬手段用于離心壓縮機(jī)的研究中。其中，LIEDMAN等[3]使用HYSYS Dynamic軟件對(duì)挪威海的壓縮機(jī)改造項(xiàng)目進(jìn)行了深入分析，建立了油氣平臺(tái)的動(dòng)態(tài)模型，研究了關(guān)機(jī)、開機(jī)和階躍變化3種動(dòng)態(tài)案例。HANSEN等[4]對(duì)新建離心壓縮機(jī)項(xiàng)目進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬分析，建立了多級(jí)串、并聯(lián)的壓縮機(jī)模型，研究了入口氣量減少、入口流量段塞式波動(dòng)、防喘振閥開度等變化情況，討論了負(fù)荷分配優(yōu)化策略。JIANG等[5]搭建了壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)模型，用于虛擬測(cè)試壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，通過復(fù)雜的接口系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在國(guó)外設(shè)計(jì)公司完成的項(xiàng)目中，已有利用HYSYS Dynamic進(jìn)行壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的研究案例，例如在番禺34-1/35-2/35-1氣田開發(fā)工程基本設(shè)計(jì)中，Technip公司用HYSYS Dynamic軟件分析了氣田濕氣壓縮機(jī)在停機(jī)工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，以確定防喘振控制閥的最小流通能力。

本文采用專業(yè)模擬軟件HYSYS Dynamic對(duì)兩臺(tái)串聯(lián)離心壓縮機(jī)體系進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，分析研究其在流量階躍波動(dòng)工況下工作點(diǎn)變化曲線以及防喘振閥門開度、壓縮機(jī)入口總流量、壓縮機(jī)出口溫度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)性能，為壓縮機(jī)設(shè)計(jì)操作、優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、提升壓縮機(jī)的適應(yīng)性和可靠性以及節(jié)能降耗提供參考。

1 模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某中心平臺(tái)的壓縮機(jī)系統(tǒng)為建模基礎(chǔ)，設(shè)置兩級(jí)串聯(lián)離心壓縮(高壓壓縮機(jī)和備用壓縮機(jī))。來自各井口平臺(tái)的濕氣經(jīng)過壓縮機(jī)入口滌氣罐分離液滴后，進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，然后經(jīng)后冷卻器冷卻后進(jìn)入下一級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行處理。

選用HYSYS Dynamic軟件搭建動(dòng)態(tài)模型，氣體組分來自于實(shí)際項(xiàng)目，其中甲烷含量0.53 mol/L，二氧化碳含量0.32 mol/L。壓縮機(jī)性能曲線、葉輪參數(shù)均來自廠家資料，冷卻器、滌氣罐、管線參數(shù)均按照實(shí)際情況估算。

在模型中，進(jìn)出口系統(tǒng)的物流采用壓力邊界條件，入口流量通過流量調(diào)節(jié)閥FV控制，入口滌氣罐的液位通過液位調(diào)節(jié)閥LV控制，后冷卻器采用出口溫度控制方法，壓縮機(jī)的控制采用“滌氣罐壓力-壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速-功率”串級(jí)控制，即通過輸入功率的變化來控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制壓縮機(jī)入口滌氣罐的壓力，這種方式比直接控制轉(zhuǎn)速更接近實(shí)際情況，壓縮機(jī)的運(yùn)行也更為穩(wěn)定。兩級(jí)壓縮動(dòng)態(tài)模型如圖1所示。

圖1 兩級(jí)壓縮動(dòng)態(tài)模型

2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

離心壓縮機(jī)運(yùn)行面臨的最大問題即為喘振，該問題的核心原因是流量減少。在壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，入口流量的波動(dòng)現(xiàn)象很常見，很有可能會(huì)引發(fā)壓縮機(jī)工作點(diǎn)向喘振區(qū)偏移。在壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、選型過程中，必須充分考慮入口流量波動(dòng)因素，并研究對(duì)應(yīng)措施。本文利用搭建的兩級(jí)壓縮模型，分析入口流量波動(dòng)工況下壓縮機(jī)典型參數(shù)的動(dòng)態(tài)特征及其原因，以優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、指導(dǎo)生產(chǎn)。

2.1 工作點(diǎn)變化曲線

圖2和圖3分別為體系進(jìn)口流量階躍為正常流量的80%，50%，20%和0時(shí)，兩級(jí)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)變化圖?？梢钥闯觯?dāng)壓縮機(jī)體系入口流量驟減甚至入口關(guān)閉時(shí)，兩級(jí)壓縮機(jī)的防喘振控制回路均能較好地保護(hù)壓縮機(jī)，避免其工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)。

圖2 備用壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化圖

由圖2可以看出：隨著壓縮機(jī)入口流量的減少，備用壓縮機(jī)的工作點(diǎn)逐漸向左下方偏移，尤其是流量小于50%之后，工作點(diǎn)的偏移曲線由平滑變得曲折，即中間出現(xiàn)了折點(diǎn)，這說明此時(shí)防喘振閥門開始動(dòng)作，而且入口流量減小幅度越大，工作點(diǎn)曲線的波動(dòng)程度亦越大。由圖3可以看到高壓壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化曲線具有類似的規(guī)律。

圖3 高壓壓縮機(jī)工作點(diǎn)變化曲線

對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)：在入口流量減少同樣比例的情況下，高壓壓縮機(jī)即二級(jí)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)變化曲線斜率更小，可以認(rèn)為在串聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)體系中，后一級(jí)壓縮機(jī)受流量波動(dòng)的影響要小一些，這是因?yàn)榍耙患?jí)壓縮機(jī)的防喘振措施在一定程度上削弱了流量波動(dòng)對(duì)下級(jí)壓縮機(jī)的影響。在實(shí)際生產(chǎn)流量波動(dòng)大時(shí)，要尤其關(guān)注前級(jí)壓縮機(jī)的參數(shù)變化，及時(shí)防止進(jìn)入喘振區(qū)。

2.2 防喘振閥門開度變化曲線

圖4為體系進(jìn)口流量階躍為正常流量的80%，50%，20%和0時(shí)，兩級(jí)壓縮機(jī)的防喘振閥門開度隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 防喘振閥門開度變化曲線

由圖4a可以看出：當(dāng)入口流量階躍為80%時(shí)，防喘振閥門會(huì)先有一個(gè)微小的開度，在10 s左右恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)，這說明壓縮機(jī)基本可以通過“壓力-轉(zhuǎn)速-功率”控制邏輯來適應(yīng)入口流量的波動(dòng)；隨著入口流量的進(jìn)一步減少，當(dāng)其階躍為50%時(shí)，防喘振閥門有一個(gè)較為平緩的開啟過程，開度最終穩(wěn)定在10%左右；當(dāng)入口流量階躍為20%和0時(shí)，防喘振閥門開啟曲線變得更陡，開啟速率明顯提升，在20%和0兩種階躍工況下，防喘振閥門的開度存在一個(gè)尖點(diǎn)，即閥門開度先極速上升，然后再緩慢減小到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖4b可以看出：高壓壓縮機(jī)防喘振閥門的開度曲線存在與圖4a類似的規(guī)律，但是閥門的整體開度明顯低于備用壓縮機(jī)。若兩級(jí)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)體系入口流量減小時(shí)，一級(jí)和二級(jí)壓縮機(jī)的防喘振閥門具有類似的開啟特征，但后者的開度要小一些，這同樣說明二級(jí)壓縮機(jī)受體系入口流量減少的影響要小一些。

防喘振閥的開度與流量波動(dòng)、防喘振策略以及自身的Cv值有關(guān)，對(duì)于在生產(chǎn)項(xiàng)目，防喘振閥門開度對(duì)應(yīng)回流量，應(yīng)盡量避免流量過小而導(dǎo)致回流量過大，造成不必要的能耗，對(duì)于文中壓縮機(jī)，應(yīng)盡量避免在20%流量以下運(yùn)行。

2.3 壓縮機(jī)入口總流量變化曲線

圖5為體系進(jìn)口流量階躍為正常流量的80%，50%，20%和0時(shí)，兩級(jí)壓縮機(jī)的入口總流量隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 入口流量變化曲線

由5a可以看出：當(dāng)入口流量階躍為80%和50%時(shí)，備用壓縮機(jī)入口處的流量變化曲線均較為平緩，大致與階躍幅度對(duì)應(yīng)；當(dāng)入口流量階躍為20%和0時(shí)，壓縮機(jī)入口處的總流量存在一個(gè)“先極速減少、后緩慢升高”的過程，這與防喘振閥門的開啟特性對(duì)應(yīng)，即“超調(diào)”現(xiàn)象；當(dāng)入口流量階躍為0時(shí)，壓縮機(jī)入口流量的拐點(diǎn)要提前1～2 s，并且最終的穩(wěn)定流量要高于階躍50%和20%的工況，這表明在此過程中，通過防喘振閥門回流的流量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工況。

由圖5b可以看出：當(dāng)體系入口流量發(fā)生階躍時(shí)，高壓壓縮機(jī)入口處的流量變化曲線存在與圖8類似的規(guī)律，隨著體系入口流量由50%逐漸減少為0，壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量相差不大，但有逐漸升高的趨勢(shì)，這應(yīng)該是防喘振閥門的回流導(dǎo)致的。

通過對(duì)壓縮機(jī)入口總流量的分析可以得出：應(yīng)盡量避免使本文壓縮機(jī)在20%以下流量運(yùn)行，造成大量回流，浪費(fèi)能耗。

2.4 壓縮機(jī)出口溫度變化曲線

圖6為體系進(jìn)口流量階躍為正常流量的80%，50%，20%和0時(shí)，兩級(jí)壓縮機(jī)的出口溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖6 出口溫度變化曲線

由圖6a可以看出：當(dāng)體系入口流量發(fā)生階躍時(shí)，備用壓縮機(jī)的出口溫度曲線均呈“S”型，即經(jīng)歷一個(gè)“先下降、后上升、再下降”的過程。壓縮機(jī)出口溫度波動(dòng)是入口來流和回流共同作用的結(jié)果，下降過程是冷回流起主導(dǎo)作用，而上升過程則是熱來流起主導(dǎo)作用。

由圖6b可以看出：當(dāng)體系入口流量發(fā)生階躍時(shí)，高壓備用壓縮機(jī)的出口溫度曲線均呈倒“V”型，即只有一個(gè)峰值，然后趨于穩(wěn)定，波動(dòng)幅度小于備用壓縮機(jī)。

整個(gè)過程中是存在溫度高點(diǎn)的，穩(wěn)態(tài)模擬只能給出最終的穩(wěn)定溫度，而動(dòng)態(tài)模擬可以重現(xiàn)整個(gè)過程，要關(guān)注最高點(diǎn)溫度，防止超溫。

3 結(jié)論

本文建立了一套可用于指導(dǎo)項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)操作的壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了入口流量階躍波動(dòng)時(shí)工作點(diǎn)變化曲線、防喘振閥門開度、壓縮機(jī)入口總流量及壓縮機(jī)出口溫度的變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)具有協(xié)同性，在串聯(lián)運(yùn)行的兩級(jí)壓縮機(jī)體系中，前后壓縮機(jī)的大部分動(dòng)態(tài)特性具有相同的變化規(guī)律，但是波動(dòng)幅度有差異，總體來說后一級(jí)壓縮機(jī)的波動(dòng)要平緩一些。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，要尤其關(guān)注前面壓縮機(jī)的參數(shù)變化；對(duì)于本文壓縮機(jī)，應(yīng)盡量避免在20%以下流量運(yùn)行，避免大量回流，造成不必要的能耗。

[1] 彭德厚. 壓縮機(jī)操作工[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.

[2] 靳兆文. 壓縮機(jī)運(yùn)行維修實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.

[4] HANSEN C. Final Thesis: Dynamic Simulation of Compressor Control Systems [D]. Esbjerg:Aalborg University, 2008.

[5] JIANG W, KHAN J, DOUGAL R A. Dynamic Centrifugal Compressor Model for System Simulation[J]. Journal of Power Sources, 2005.

Dynamic Simulation of Offshore Platform Centrifugal Compressors

CUI Yuehong, ZHU Haishan, JING Yuxiao, YANG Tianyu, YANG Zejun

(Engineering Research & Design Department, CNOOC Research Institute, Beijing 100028， China)

Centrifugal compressors are widely used on offshore platforms. In the current project, compressors are just designed to meet the needs of regular production and operation, but there is no dynamic research. As a result, process design and actual production demand may be skewed, leading to waste, even shutting down production. Two-stage compression dynamic model are built with HYSYS, and working point curve, anti-surge valve opening, compressor inlet total flow, and outlet temperature trends over time are achieved. The results have guiding significance to the design and operation of compressors, process design optimization, and energy-saving.

centrifugal compressor; dynamic simulation; HYSYS

2016-06-07

崔月紅(1986-)，女，工程師

1001-4500(2017)02-0081-07

TE974

A