海洋平台离心压缩机特性的动态模拟

崔月红, 朱海山, 静玉晓, 杨天宇, 杨泽军

(中海油研究总院工程研究设计院， 北京 100028)

海洋平台离心压缩机特性的动态模拟

崔月红, 朱海山, 静玉晓, 杨天宇, 杨泽军

(中海油研究总院工程研究设计院， 北京 100028)

离心压缩机广泛用于海洋平台中。在实际项目设计时，一般只研究其满足正常生产运行阶段，基本没有开展动态研究，可能导致工艺设计与实际生产需求发生偏差，甚至生产关停。利用HYSYS软件，搭建离心压缩机两级压缩动态模型，研究其工作点变化曲线以及防喘振阀开度、压缩机入口总流量、出口温度随时间的变化趋势。为压缩机设计操作、优化工艺设计、节能降耗提供参考。

离心压缩机； 动态仿真模拟； HYSYS

0 引言

在海上油气田开发中，压缩机被广泛应用于低压气回收、天然气处理过程的中间加压和产品气增压外输，是气田生产系统的关键设备，尤其是离心压缩机，在海上大型气田的开发中最为常见[1]。优化离心压缩机系统的工艺设计以保证其安全、稳定运行已成为海上油气田，特别是大型气田设计的重点和难点[2]。

目前，我国对于油气田工程前期研究项目中的压缩机系统设计，还停留在满足其正常生产运行的阶段，静态模拟主导，基本没有开展动态研究。这可能导致工艺设计及安全控制措施与实际生产需求发生偏差。压缩机系统正常运行时回流阀及泄放阀过早开启并频繁动作，使气体大量排放，造成天然气浪费及能耗增加，严重时甚至导致整个生产系统关停。

国外压缩机厂商及研究机构已将动态模拟手段用于离心压缩机的研究中。其中，LIEDMAN等[3]使用HYSYS Dynamic软件对挪威海的压缩机改造项目进行了深入分析，建立了油气平台的动态模型，研究了关机、开机和阶跃变化3种动态案例。HANSEN等[4]对新建离心压缩机项目进行了动态模拟分析，建立了多级串、并联的压缩机模型，研究了入口气量减少、入口流量段塞式波动、防喘振阀开度等变化情况，讨论了负荷分配优化策略。JIANG等[5]搭建了压缩机的动态模型，用于虚拟测试压缩机的动态性能，通过复杂的接口系统对压缩机的动态性能进行评价。在国外设计公司完成的项目中，已有利用HYSYS Dynamic进行压缩机动态仿真的研究案例，例如在番禺34-1/35-2/35-1气田开发工程基本设计中，Technip公司用HYSYS Dynamic软件分析了气田湿气压缩机在停机工况下的动态响应特征，以确定防喘振控制阀的最小流通能力。

本文采用专业模拟软件HYSYS Dynamic对两台串联离心压缩机体系进行动态仿真模拟，分析研究其在流量阶跃波动工况下工作点变化曲线以及防喘振阀门开度、压缩机入口总流量、压缩机出口温度随时间变化的动态性能，为压缩机设计操作、优化工艺设计、提升压缩机的适应性和可靠性以及节能降耗提供参考。

1 模型及基础数据

以某中心平台的压缩机系统为建模基础，设置两级串联离心压缩(高压压缩机和备用压缩机)。来自各井口平台的湿气经过压缩机入口涤气罐分离液滴后，进入湿气压缩机进行压缩，然后经后冷却器冷却后进入下一级压缩机进行处理。

选用HYSYS Dynamic软件搭建动态模型，气体组分来自于实际项目，其中甲烷含量0.53 mol/L，二氧化碳含量0.32 mol/L。压缩机性能曲线、叶轮参数均来自厂家资料，冷却器、涤气罐、管线参数均按照实际情况估算。

在模型中，进出口系统的物流采用压力边界条件，入口流量通过流量调节阀FV控制，入口涤气罐的液位通过液位调节阀LV控制，后冷却器采用出口温度控制方法，压缩机的控制采用“涤气罐压力-压缩机转速-功率”串级控制，即通过输入功率的变化来控制压缩机的转速，进而控制压缩机入口涤气罐的压力，这种方式比直接控制转速更接近实际情况，压缩机的运行也更为稳定。两级压缩动态模型如图1所示。

图1 两级压缩动态模型

2 模拟结果对比分析

离心压缩机运行面临的最大问题即为喘振，该问题的核心原因是流量减少。在压缩机的实际运行过程中，入口流量的波动现象很常见，很有可能会引发压缩机工作点向喘振区偏移。在压缩机的设计、选型过程中，必须充分考虑入口流量波动因素，并研究对应措施。本文利用搭建的两级压缩模型，分析入口流量波动工况下压缩机典型参数的动态特征及其原因，以优化工艺设计、指导生产。

2.1 工作点变化曲线

图2和图3分别为体系进口流量阶跃为正常流量的80%，50%，20%和0时，两级压缩机的工作点变化图。可以看出，当压缩机体系入口流量骤减甚至入口关闭时，两级压缩机的防喘振控制回路均能较好地保护压缩机，避免其工作点进入喘振区。

图2 备用压缩机工作点变化图

由图2可以看出：随着压缩机入口流量的减少，备用压缩机的工作点逐渐向左下方偏移，尤其是流量小于50%之后，工作点的偏移曲线由平滑变得曲折，即中间出现了折点，这说明此时防喘振阀门开始动作，而且入口流量减小幅度越大，工作点曲线的波动程度亦越大。由图3可以看到高压压缩机工作点变化曲线具有类似的规律。

图3 高压压缩机工作点变化曲线

对比图2和图3可以发现：在入口流量减少同样比例的情况下，高压压缩机即二级压缩机的工作点变化曲线斜率更小，可以认为在串联运行的压缩机体系中，后一级压缩机受流量波动的影响要小一些，这是因为前一级压缩机的防喘振措施在一定程度上削弱了流量波动对下级压缩机的影响。在实际生产流量波动大时，要尤其关注前级压缩机的参数变化，及时防止进入喘振区。

2.2 防喘振阀门开度变化曲线

图4为体系进口流量阶跃为正常流量的80%，50%，20%和0时，两级压缩机的防喘振阀门开度随时间的变化曲线。

图4 防喘振阀门开度变化曲线

由图4a可以看出：当入口流量阶跃为80%时，防喘振阀门会先有一个微小的开度，在10 s左右恢复关闭状态，这说明压缩机基本可以通过“压力-转速-功率”控制逻辑来适应入口流量的波动；随着入口流量的进一步减少，当其阶跃为50%时，防喘振阀门有一个较为平缓的开启过程，开度最终稳定在10%左右；当入口流量阶跃为20%和0时，防喘振阀门开启曲线变得更陡，开启速率明显提升，在20%和0两种阶跃工况下，防喘振阀门的开度存在一个尖点，即阀门开度先极速上升，然后再缓慢减小到稳定状态。

由图4b可以看出：高压压缩机防喘振阀门的开度曲线存在与图4a类似的规律，但是阀门的整体开度明显低于备用压缩机。若两级压缩机串联运行，当体系入口流量减小时，一级和二级压缩机的防喘振阀门具有类似的开启特征，但后者的开度要小一些，这同样说明二级压缩机受体系入口流量减少的影响要小一些。

防喘振阀的开度与流量波动、防喘振策略以及自身的Cv值有关，对于在生产项目，防喘振阀门开度对应回流量，应尽量避免流量过小而导致回流量过大，造成不必要的能耗，对于文中压缩机，应尽量避免在20%流量以下运行。

2.3 压缩机入口总流量变化曲线

图5为体系进口流量阶跃为正常流量的80%，50%，20%和0时，两级压缩机的入口总流量随时间的变化曲线。

图5 入口流量变化曲线

由5a可以看出：当入口流量阶跃为80%和50%时，备用压缩机入口处的流量变化曲线均较为平缓，大致与阶跃幅度对应；当入口流量阶跃为20%和0时，压缩机入口处的总流量存在一个“先极速减少、后缓慢升高”的过程，这与防喘振阀门的开启特性对应，即“超调”现象；当入口流量阶跃为0时，压缩机入口流量的拐点要提前1～2 s，并且最终的稳定流量要高于阶跃50%和20%的工况，这表明在此过程中，通过防喘振阀门回流的流量要远远高于其他工况。

由图5b可以看出：当体系入口流量发生阶跃时，高压压缩机入口处的流量变化曲线存在与图8类似的规律，随着体系入口流量由50%逐渐减少为0，压缩机的稳定流量相差不大，但有逐渐升高的趋势，这应该是防喘振阀门的回流导致的。

通过对压缩机入口总流量的分析可以得出：应尽量避免使本文压缩机在20%以下流量运行，造成大量回流，浪费能耗。

2.4 压缩机出口温度变化曲线

图6为体系进口流量阶跃为正常流量的80%，50%，20%和0时，两级压缩机的出口温度随时间的变化曲线。

图6 出口温度变化曲线

由图6a可以看出：当体系入口流量发生阶跃时，备用压缩机的出口温度曲线均呈“S”型，即经历一个“先下降、后上升、再下降”的过程。压缩机出口温度波动是入口来流和回流共同作用的结果，下降过程是冷回流起主导作用，而上升过程则是热来流起主导作用。

由图6b可以看出：当体系入口流量发生阶跃时，高压备用压缩机的出口温度曲线均呈倒“V”型，即只有一个峰值，然后趋于稳定，波动幅度小于备用压缩机。

整个过程中是存在温度高点的，稳态模拟只能给出最终的稳定温度，而动态模拟可以重现整个过程，要关注最高点温度，防止超温。

3 结论

本文建立了一套可用于指导项目工艺设计及生产操作的压缩机动态仿真模型，分析了入口流量阶跃波动时工作点变化曲线、防喘振阀门开度、压缩机入口总流量及压缩机出口温度的变化情况。研究发现，压缩机的各项参数具有协同性，在串联运行的两级压缩机体系中，前后压缩机的大部分动态特性具有相同的变化规律，但是波动幅度有差异，总体来说后一级压缩机的波动要平缓一些。因此，在实际生产中，要尤其关注前面压缩机的参数变化；对于本文压缩机，应尽量避免在20%以下流量运行，避免大量回流，造成不必要的能耗。

[1] 彭德厚. 压缩机操作工[M]. 北京: 化学工业出版社, 2014.

[2] 靳兆文. 压缩机运行维修实用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 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

崔月红(1986-)，女，工程师

1001-4500(2017)02-0081-07

TE974

A