王同寶

中石化寧波工程有限公司 寧波 315000

離心式壓縮機廣泛應(yīng)用于石化領(lǐng)域，用來輸送各種工藝氣體，是一種將機械能轉(zhuǎn)化為壓力能的增壓設(shè)備，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、排氣量大、性能穩(wěn)定，實用性較強。由于離心式壓縮機性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)較窄，當(dāng)運行工況發(fā)生改變后，如果防喘振系統(tǒng)設(shè)計能力不夠或不能正常工作，易發(fā)生喘振現(xiàn)象，嚴重的可導(dǎo)致壓縮機運行癱瘓或發(fā)生損壞事故[1-2]。對于改造項目，由于壓縮機的工作環(huán)境發(fā)生了改變，比如系統(tǒng)操作參數(shù)、工藝介質(zhì)組成、壓縮機進出口管道尺寸及布置、系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備新增、刪減或改造、壓縮機操作方式等因素的變化，導(dǎo)致原壓縮機的正常工作點已發(fā)生偏離。因此，需要結(jié)合改造工藝方案對原壓縮機及其防喘振系統(tǒng)進行重新驗證，以保證壓縮機在正常停車及緊急停車等非正常工況下，能夠安全、平穩(wěn)停車，不造成喘振事故的發(fā)生。

通常壓縮機在初始設(shè)計時，是以穩(wěn)態(tài)工況下的工藝參數(shù)作為輸入條件，并結(jié)合壓縮機制造商的經(jīng)驗公式來對防喘振系統(tǒng)進行設(shè)計。當(dāng)系統(tǒng)改造后，尤其是對于多級壓縮機系統(tǒng)，工藝流程更加復(fù)雜，僅僅通過穩(wěn)態(tài)下壓縮機進出口的工藝參數(shù)來進行驗證是不夠的，也不能做到最優(yōu)化設(shè)計，需結(jié)合具體的操作方式及可能出現(xiàn)的工況，對包括防喘振回路在內(nèi)的整個系統(tǒng)進行完整的分析。動態(tài)模擬的方法是在模型求解的常(偏)微分方程中引入時間參數(shù)，其建模過程是基于管道及儀表流程圖，并且加入了聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，可以更加直觀地觀察壓縮機工作點變化曲線、各級進出口及防喘振回路的工藝參數(shù)隨時間的變化情況，因此可用于對壓縮機系統(tǒng)改造的設(shè)計進行指導(dǎo)優(yōu)化，確保系統(tǒng)操作安全穩(wěn)定。

1 模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在某合成氨擴能改造項目中，裝置氨產(chǎn)能由原正常工況的1575 Mt/d擬提升至1650 Mt/d。本文以該項目中一套需要改造的氨冰機系統(tǒng)為例，對改造方案進行動態(tài)建模分析，以達到分析工藝參數(shù)變化情況及壓縮機設(shè)備運行情況、驗證防喘振系統(tǒng)、優(yōu)化設(shè)計的目的。氨冰機系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 氨冰機系統(tǒng)流程簡圖

來自上游氨合成工段的氨，溫度為78℃，壓力為211 kg/cm2，經(jīng)過氨冷卻器初步冷卻至46℃后，進入組合式換熱器與來自液氨閃蒸罐的低溫液氨進一步換熱降溫后，進入液氨一級分離罐；分離出氣氨后，再進入液氨二級分離罐，壓力降低至20.5 kg/cm2；再次分離出閃蒸的氣氨后，液相部分進入多級氨閃蒸罐一段，閃蒸壓力為常壓。閃蒸出的氣氨進入氨冰機經(jīng)過四級壓縮后，壓力提高至19 kg/cm2，經(jīng)過多級冷卻、分離后，返回界區(qū)入口液氨管線上，形成一個壓縮、冷卻冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)的循環(huán)制冷系統(tǒng)。氨冰機的二三四級分別有來自多級氨閃蒸罐的中間補氣。產(chǎn)品液氨最終通過多級閃蒸罐的第一級底部產(chǎn)出，通過泵送出界區(qū)。流程簡圖中虛線框部分是產(chǎn)能提升后需改造的設(shè)備及管線。壓縮機各級之間均設(shè)有防喘振線。

采用Aspen HYSYS V11，建模過程按照實際配管情況，結(jié)合設(shè)備尺寸、管道及換熱器壓降、壓縮機的轉(zhuǎn)動慣量、閥門形式、壓縮機操作要求、聯(lián)鎖控制方案等因素，按照壓縮機的操作手冊，對正常停車和緊急停車兩種工況分別進行動態(tài)模擬，為改造方案及壓縮機防喘振系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)。

2 改造工藝路線驗證

2.1 壓縮機操作點驗證

改造項目中，壓縮機操作點的變化是管路設(shè)備配置方案中各個設(shè)備的特性對管道內(nèi)氣體流動影響的綜合表現(xiàn)，因此在實際的設(shè)計、設(shè)備選型和安裝過程中，需要對管道設(shè)備布置方案進行完整建模，并準確計算各部件特性。本項目中，工藝路線的改造范圍有：① 氨冰機系統(tǒng)部分管線管徑、布置變化；② 新增旁路；③ 原單臺氨冰機冷凝器拆分為兩臺串聯(lián)的換熱器；④ 壓縮機二段中間冷卻器改造；⑤ 壓縮機透平改造等方面。壓縮機本體不涉及改造，因此性能曲線不變。在模型中觀察1650 Mt/d(100%負荷，8600 r/min)工況下壓縮機各級新的操作點位置以及流量、壓頭、效率數(shù)據(jù)，并與改造前的1575 Mt/d進行對比，結(jié)果見表1。

表1 改造前后壓縮機正常操作點與效率對比

通過上表可以看出，在1650 Mt/d工況下，壓縮機各級流量均有所提高，而壓縮機I至IV級的壓頭分別降低了7.36%、1.75%、13.04%和8.05%，效率分別降低了0.04%、2.07%、0.02%和2.63%。壓縮機性能曲線表征的是轉(zhuǎn)速、流量與揚程的關(guān)系。在壓縮機性能曲線中，1650 Mt/d工況下工作點的位置與初始設(shè)計工況并沒有很大偏差，效率的降低也在可接受范圍內(nèi)，仍然處在高效區(qū)。據(jù)此判斷，新工藝路線下原壓縮機是可以利舊的。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)驗證

壓縮機停止運轉(zhuǎn)后，氨冰機系統(tǒng)中各部分的壓力、溫度等工藝參數(shù)也會隨著時間發(fā)生變化，有的甚至偏離正常設(shè)計值好幾倍。而這種偏離難以通過穩(wěn)態(tài)模型模擬計算出。因此，在工程設(shè)計中，設(shè)備管道的設(shè)計參數(shù)往往依據(jù)經(jīng)驗或最極端情況來確定，會存在過度設(shè)計或考慮不足的情況。而在動態(tài)模型中，可以觀察氨冰機系統(tǒng)中任意位置的工藝參數(shù)及介質(zhì)物性在壓縮機開停車過程中的變化情況，通過獲取該過程中的峰值數(shù)據(jù)，對已有系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進行校核或優(yōu)化。以緊急停車工況下，壓縮機I段入口及防喘振線為例，其溫度、壓力隨時間的變化關(guān)系見圖2～圖5。

圖2 I段入口溫度隨時間的變化關(guān)系

圖3 I段入口壓力隨時間的變化關(guān)系

圖4 I段入口流量隨時間的變化關(guān)系

圖5 I段防喘振閥流量隨時間的變化關(guān)系

由上圖可以看出，0～10s時刻為壓縮機在1650 Mt/d工況下正常運行參數(shù)，10s后壓縮機動力源失去，緊急停車程序觸發(fā)。停車過程中，I段入口溫度由-31.5℃上升至26.1℃，壓力由1.1 kg/cm2升高至10.3 kg/cm2，流量則在約140s左右達到峰值20856 kg/h，為正常操作值的1.62倍；防喘振線的流量則在迅速升高至26676kg/h后緩慢回落。通過獲取動態(tài)過程中工藝參數(shù)的最大和最小值，可以用來校核相關(guān)管道已有的設(shè)計參數(shù)，并進行優(yōu)化，或采取相應(yīng)措施來保證系統(tǒng)安全。同樣以I段入口管線為例，原管線/設(shè)備的參數(shù)與模擬結(jié)果的對比見表2。

表2 原管線的參數(shù)與模擬結(jié)果的對比

通過上表的對比結(jié)果可以看出緊急停車過程中出現(xiàn)的最大溫度遠小于設(shè)計溫度上限，是滿足要求的；最大壓力值雖然沒有超過原管線設(shè)計壓力，但比較接近，余量較小。因此，按照設(shè)計規(guī)定，建議調(diào)整設(shè)計壓力為12.3 kg/cm2，或在設(shè)備上增加安全閥，以避免相關(guān)的管線和設(shè)備發(fā)生超壓工況。同樣，通過I段入口管線和防喘振線的流量，也可對原管線尺寸進行校核。

3 防喘振系統(tǒng)驗證

對于多級壓縮機而言，壓縮機防喘振回路、防喘振回路與主工藝路線之間，存在強烈的耦合關(guān)系，在實際壓縮機開停車操作中，為了消除回路間的這種耦合干擾，操作人員只能把閥門投到手動，并且人為開大，以便讓壓縮機運行點遠離喘振控制線，但這樣將導(dǎo)致能耗增加[4]。而采用動態(tài)模型，可以將開停車過程中這種復(fù)雜的變化關(guān)系通過工作點在性能曲線上的運動軌跡直觀地展示出來。本文主要研究緊急停車和正常停車工況下，壓縮機防喘振回路的工作情況。

按照壓縮機操作手冊說明，緊急停車是指壓縮機在失去動力源的情況下，依靠轉(zhuǎn)子自身慣性維持轉(zhuǎn)動，直至最終停止，同時聯(lián)鎖控制系統(tǒng)動作氨冰機系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)的閥門及設(shè)備。上述過程稱為摩阻衰減，其轉(zhuǎn)速衰減趨勢決定了氣量減少量以及工作點向喘振區(qū)移動速度[5]；正常停車則是指通過程序控制，在10 min內(nèi)將壓縮機的轉(zhuǎn)速降低至3000 r/min，然后再人工切斷動力源，直至壓縮機最終停止，即分為動力衰減和摩阻衰減兩個階段。在上述兩種停車工況下，壓縮機失去動力，葉輪轉(zhuǎn)速迅速衰減，導(dǎo)致壓頭和流量迅速降低，極易發(fā)生喘振。兩種工況的部分模擬結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 緊急停車I段工作點運行軌跡

圖7 緊急停車III段工作點運行軌跡

圖8 正常停車I段工作點運行軌跡

動態(tài)模擬研究防喘振系統(tǒng)的主要目標是保證工作點軌跡落在壓縮機性能曲線的穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)。通過上圖工作點運行軌跡可以看出，緊急停車工況下壓縮機I段工作點快速越過了喘振控制線，流量迅速歸零，說明I段防喘振閥即使在全部打開的情況下，防喘振線的通過能力在此工況下仍然嚴重不足；III段工作點在越過喘振控制線之后，流量降低速率快速減小，說明III段的防喘振閥能力有一定不足。正常停車下的壓縮機I段工作點剛開始沿著防喘振控制線右側(cè)邊緣緩慢下降，但最終還是越過了防喘振控制線，緊接著出現(xiàn)了第1個拐點，說明此時防喘振閥開始工作，壓縮機入口流量增加，但之后始終未能回到防喘振控制線右側(cè)，說明防喘振閥的通過能力略有不足。綜上所述，壓縮機I段和III段已有的防喘振系統(tǒng)已無法滿足改造后的工況要求，因此，需要對防喘振閥的設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整。

防喘振閥的Cv值表征了防喘振線流量的通過能力，Cv越大，則壓縮機出口回流量越多；防喘振閥的動作時間則表征了系統(tǒng)響應(yīng)快慢，動作時間越大，意味著系統(tǒng)反應(yīng)更為遲緩，不能及時抑制壓縮機流量的減小趨勢[5-6]。改變防喘振閥的Cv值、動作時間和再運行模型進行調(diào)試，直至壓縮機工作點運行軌跡完全落在臨界喘振線右側(cè)。防喘振閥調(diào)整前后對比的參數(shù)見表3。

表3 改造前后防喘振閥的參數(shù)對比

壓縮機的工作點隨時間的變化情況，見圖9～圖11。

圖9 緊急停車I段工作點運行軌跡

圖10 緊急停車III段工作點運行軌跡

圖11 正常停車I段工作點運行軌跡

從模型的運行情況來看，I段和III段在緊急停車過程中沒有喘振發(fā)生，工作點的軌跡始終在喘振控制線的右側(cè)，說明模型中選取的防喘振參數(shù)是合理的。雖然I段的Cv值從70調(diào)整為210，但III、IV段分別從210調(diào)整為95和70，降低了防喘振閥的選型要求，既避免了過度設(shè)計，又保證了氨冰機系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定停車。

4 結(jié)語

本文從動態(tài)的角度對某合成氨改造項目中的多級壓縮機系統(tǒng)的改造工藝路線、防喘振系統(tǒng)進行了分析，相比于穩(wěn)態(tài)模擬，其具有以下特點：

(1)動態(tài)模型中的穩(wěn)態(tài)流程可用于觀察利舊壓縮機和改造工藝路線的匹配性，分析在新的工況下壓縮機是否仍然處于正常工作范圍。

(2)動態(tài)模擬引入時間參數(shù)，可以觀察壓縮機在開停車過程中系統(tǒng)各個位置(設(shè)備、管線等)的溫度、壓力、流量等工藝參數(shù)變化情況，可指導(dǎo)設(shè)計，也可用以校核已有設(shè)備或管線的設(shè)計參數(shù)，保證系統(tǒng)在非正常工況下的運行安全，進一步提高了多級壓縮機系統(tǒng)的工程設(shè)計和技術(shù)改造能力。

(3)此動態(tài)模擬分析已應(yīng)用于某改造項目，可直觀地了解壓縮機各級在不同工況下防喘振回路的工作情況，優(yōu)化防喘振閥及防喘振回路的設(shè)計參數(shù)，保證壓縮機安全開停車。