馮金強，曹 磊，張建梁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

1 引言

往復(fù)式天然氣壓縮機作為海上油氣田開發(fā)項目的關(guān)鍵設(shè)備之一，應(yīng)用十分廣泛，主要包括燃料氣增壓、伴生氣增壓外輸、注氣增壓等方面[1]。與燃驅(qū)相比，電驅(qū)設(shè)備總占地面積小，后期維護工作方便，設(shè)備操作簡單，生產(chǎn)環(huán)保性能更好[2]，電機驅(qū)動往復(fù)式天然氣壓縮機在海洋平臺得到了廣泛應(yīng)用。

通過對電驅(qū)往復(fù)壓縮機加載升壓過程進行分析，以操作參數(shù)與設(shè)計參數(shù)存在較大偏離的數(shù)據(jù)為切入點，對電驅(qū)往復(fù)式伴生氣增壓外輸壓縮機調(diào)試過程中遇到的電機電流過載問題進行研究并提出解決措施，同時對電機的選型功率提出建議。

2 問題的提出

2.1 機組簡介

壓縮機通過膜片式聯(lián)軸器由中壓異步電動機進行直連驅(qū)動，電機采用軟啟動方式。壓縮機為臥式水平對置四缸雙作用壓縮機，各缸配有可變余隙(VVCP)調(diào)節(jié)裝置。工藝系統(tǒng)采用三級壓縮，每級入口設(shè)置洗滌罐，出口設(shè)置管殼式海水冷卻器。機組采用冷回流方式進行流量調(diào)節(jié)，三級出口天然氣經(jīng)冷卻后通過回流調(diào)節(jié)閥聯(lián)通至一級入口，自動加載階段通過PLC程序控制回流調(diào)節(jié)閥開度，在壓縮機上游來氣量不足或壓力波動的情況下對壓縮機入口壓力進行自動調(diào)節(jié)。機組加載升壓過程中通過控制盤觸摸屏手動控制回流閥開度，逐漸關(guān)閉回流調(diào)節(jié)閥來逐步提高出口壓力。

2.2 故障現(xiàn)象

調(diào)試期間處于平臺投產(chǎn)初期，壓縮機入口來自分離器的伴生天然氣來氣量不穩(wěn)定，壓力存在波動。壓縮機組在加載升壓過程中手動關(guān)閉回流調(diào)節(jié)閥的過程較為緩慢，回流閥每關(guān)1%～3%開度需保持幾分鐘，以維持入口壓力。隨著回流調(diào)節(jié)閥階段性逐漸緩慢關(guān)閉，在三級出口壓力不斷升高至接近操作壓力時易發(fā)主電機電流過載停機。若升壓過程中未觸發(fā)過電機電流過載保護，達(dá)到操作壓力并開始向管網(wǎng)外輸氣體后，運行電流逐漸減小并趨于穩(wěn)定，運行電流小于額定電流值。機組故障停機時刻操作數(shù)據(jù)見表1。

圖1 機組流程簡圖

表1 壓縮機設(shè)計參數(shù)與故障停機時刻操作數(shù)據(jù)

3 主要影響因素分析

電機電流過載現(xiàn)象的本質(zhì)是電機軸功率與壓縮機耗功不匹配，壓縮機耗功大于電機輸出功率所致，在加載升壓過程于接近操作壓力時易發(fā)電流過載停機，正常運行后無此現(xiàn)象，說明是在回流調(diào)節(jié)緩慢閥關(guān)閉的過程中某些因素影響使壓縮機耗功增加且超過電流綜保設(shè)定值，進而導(dǎo)致電機過載停機。

在以往電驅(qū)往復(fù)式天然氣壓縮機調(diào)試中也出現(xiàn)加載過程中電機電流上升，正常外輸后電流下降的現(xiàn)象，只是電流變化量未超過電機綜保設(shè)定值未引起電機過載停機。因此對加載升壓操作過程進行分析十分必要，同時對機組操作參數(shù)與設(shè)計參數(shù)存在較大偏差的進氣溫度、各級壓力進行分析，根據(jù)分析結(jié)果給出問題解決的綜合措施。

3.1 加載升壓過程分析

機組加載升壓過程即回流閥關(guān)閉過程，隨著回流閥逐漸關(guān)閉，壓縮機三級出口壓力逐漸升高，在回流閥關(guān)閉至一定開度(一般在70%～80%)后，三級出口達(dá)到機組操作壓力，出口單向閥由于壓差被打開氣體開始向下游管網(wǎng)外輸，此時再減小回流閥開度，機組的外輸氣量將增加。

由于氣量原因，回流調(diào)節(jié)閥每關(guān)1%～3%需等待幾分鐘，用以維持上游壓力，由啟動到三級出口達(dá)到操作壓力時間長，此階段回流閥開度大于70%～80%，這導(dǎo)致大量氣體在橇內(nèi)長時間回流?；亓鳉怏w中的重組分在經(jīng)過橇內(nèi)三級壓縮、冷卻、洗滌罐脫液的過程中逐漸減少[3]。高壓氣體流經(jīng)回流調(diào)節(jié)閥的過程是節(jié)流降溫脫烴的過程，節(jié)流脫烴經(jīng)一級洗滌罐洗滌后氣體的重組分也會減少[4]。

在加載的初始階段，因進排氣壓力較小，氣體經(jīng)加壓冷卻洗滌后重組分析出較少，回流調(diào)節(jié)閥上下游壓差小節(jié)流作用亦不突出。隨著三級出口壓力接近操作壓力，加壓、冷卻、洗滌后重組分脫液效果會加劇，同時回流閥兩端壓差增大，節(jié)流降溫程度加劇，經(jīng)回流閥脫烴亦加劇。

回流和節(jié)流這2個過程導(dǎo)致混合氣體中輕組分相對增多，輕組分增多會導(dǎo)致混合氣體分子量M減小，由R=R0/M可知氣體常數(shù)R增大。

其中，R0為通用氣體常數(shù)，對不同類型氣體都適用。同時，由常見單體烴的物性參數(shù)可知，而輕組分絕熱指數(shù)K較重組分絕熱指數(shù)大[5]，使得長時間回流后的混合氣體絕熱指數(shù)k增大，多變壓縮過程m值亦增大。多變壓縮過程比壓縮功，可以式(1)進行計算。通過分析式(1)可知，m值越大比壓縮功越大，R越大，比壓縮功越大。

(1)

式中hp——多變過程比壓縮功

m——多變指數(shù)

R——氣體常數(shù)

Tin——進氣溫度，ε為壓縮比

接近三級出口操作壓力時，回流閥開度在75%左右，回流量較大，機組尚未外輸，來氣補充量少，這使得混合氣體中輕組分占比高，輕組分占比達(dá)到峰值，組分影響的比功率增加亦達(dá)到峰值。隨著回流閥逐漸關(guān)閉回流量減小，橇外來氣進入壓縮機時，輕組分占比逐漸下降，因組分變輕影響的比功率變化也開始減小。

3.2 進氣溫度影響

加載升壓過程中，回流調(diào)節(jié)閥上下游壓差逐漸增大，回流調(diào)節(jié)閥因節(jié)流產(chǎn)生的冷效應(yīng)較為突出，回流閥外部有結(jié)霜嚴(yán)重。故障停機前，使用紅外測溫儀對節(jié)流回流調(diào)節(jié)閥外部測溫，測量溫度約為0 ℃，外部天然氣來氣溫度15 ℃(溫度表測)，混合后進氣溫度約為5 ℃(溫度表測)。與入口設(shè)計溫度45 ℃有較大偏差。

壓縮機一級吸氣溫度的降低，引起氣體密度增大，壓縮機處理量增大[6]。對同一壓縮機，若原吸氣溫度為25 ℃，每降低1 ℃，排氣量增加0.336%[7]。機組處理量增加，導(dǎo)致耗功增加。同時，由式(1)可知進氣溫度降低引起比壓縮功減小。

綜合考慮進氣溫度降低導(dǎo)致處理量增加和單位氣量耗功減小，在不考慮因回流等因素導(dǎo)致組分變化，經(jīng)壓縮機選型軟件計算由溫度降低引起壓縮機綜合耗功變化如表2，較設(shè)計工況壓縮機耗功增加31 kW，若考慮上氣體組分變輕導(dǎo)致m值增大，R值增大的影響，功率增加會更多，超過電機功率是可能的。

3.3 各級壓力偏離影響

由表1可知，一級排氣壓力、二級排氣壓力較設(shè)計參數(shù)增大。這是因為一級處理量因吸氣溫度降低而增大，而二級、三級進氣溫度和氣缸容積不變，處理量相對不變，一級、二級、三級吞吐氣量不平衡所導(dǎo)致。一二級排氣壓力較設(shè)計數(shù)據(jù)增大，一級入口壓力三級出口壓力不變，使各級壓比產(chǎn)生變化，偏離設(shè)計的最佳壓比，壓縮機耗功增大。

4 技術(shù)措施及應(yīng)用效果

通過分析幾類影響因素后，考慮現(xiàn)場條件的可操作性，提出以下解決措施。

4.1 提高加載速度

通過壓縮機上游流程調(diào)整，適當(dāng)增加來氣量，使加載速度增快，橇外來氣能及時進入壓縮機，減小循環(huán)回流過程引起氣體組分變化產(chǎn)生的影響。

表2 處理量及功率隨溫度變化

4.2 適當(dāng)調(diào)整進氣溫度

因外部流程原因，來氣溫度無法調(diào)整到設(shè)計參數(shù)。橇內(nèi)通過提高回流溫度即提升三級冷卻后溫度緩解節(jié)流產(chǎn)生的冷效應(yīng)，使回流閥處溫度上升。減小因溫度降低引起機組處理量的變化，同時也降低節(jié)流過程中重?zé)N的析出，有助于緩解因節(jié)流產(chǎn)生的組分變化。

4.3 調(diào)整各級壓比

現(xiàn)場實際進氣溫度較設(shè)計值低，機組處理量增大，級間壓力與設(shè)計相比存在較大差別。通過選型軟件計算，調(diào)整各級余隙，使在實際來氣溫度下機組處理量保持在設(shè)計值，各級操作壓力向最佳壓比靠近。但應(yīng)注意因壓力重新分配引起各級排氣溫度的變化，使其控制在合理范圍內(nèi)。

通過上述處理措施，機組在加載升壓過程和正常運行中未發(fā)生因電流過載產(chǎn)生的停機現(xiàn)象，機組運行良好，說明采取的技術(shù)措施是可行的。同時應(yīng)指出的是，通過調(diào)整可變余隙的設(shè)置、氣缸單雙作用等方法，調(diào)節(jié)機組處理量，免大量氣體長期回流，造成電能浪費。

5 結(jié)語

天然氣壓縮機耗功受操作條件、氣體組分等多方面因素影響。其中加載升壓期間回流、節(jié)流過程引起的組分、溫度變化對電機的功耗影響應(yīng)加以重視。同時，電機選型功率應(yīng)按最大工況(包括啟動、變工況、和極限載荷情況)操作功率的110%確定選型功率[8]，壓縮機最大工況應(yīng)將啟動過程組分和溫度的變化加以考慮，同時將電機與壓縮機機械傳動效率一并計算在內(nèi)，以提高機組對現(xiàn)場工況的適應(yīng)性。