大庆油田轻烃回收装置离心式压缩机节能措施探讨

张赴先（大庆油田有限责任公司天然气分公司规划设计研究所）

引言

大庆油田天然气分公司已建轻烃回收装置共计17套，其中浅冷装置10套，湿气深冷装置5套，干气深冷装置2套。轻烃回收装置压缩机高压电动机共计41台，总功率6.13×104kW，功率最低为450 kW，最高为7200 kW，压缩机高压电动机耗电量占装置耗电量的70%～80%，节能降耗空间很大。

根据喇萨杏油田原油产量及气油比预测数据分析。“十三五”期间，伴生气量将呈逐年减少趋势。天然气分公司的轻烃回收装置运行过程中，应以保证湿气深冷装置在较高负荷率下运行为原则的前提下，提高为干气深冷装置提供原料的浅冷装置负荷，提高全油田天然气深冷化率；同时要保证满足检修期间伴生气的处理要求，最大限度地减少湿气放空。在上述原则下，做好轻烃回收装置的节能降耗工作，需根据伴生气量逐年减少的趋势，通过区域伴生气管网及装置适应性分析等手段，进行合理的气量调配，确定每套轻烃回收装置的处理气量范围；同时为是否对部分装置压缩机高压电动机进行高压变频节能改造提供依据。

1 离心式压缩机负荷率控制

1.1 离心式压缩机电能消耗的影响因素分析

离心式压缩机的电耗与湿气处理量、环境温度、压力比及效率等因素有关[1]，具体情况如下：

1.1.1 环境温度、压缩机效率、等温效率的影响

环境温度及压缩机效率受自然条件、设计等因素影响大，受人为因素影响小，基本上可以看作常数；压缩机的等温效率上升，则耗电量下降。等温效率与操作条件有着非常密切的关系。所以，在操作中重点是确保气体在各级冷却器里得到充分冷却，使压缩机尽量趋近于等温压缩，有效提高压缩机的等温效率，降低压缩机电耗。由此可以看出，轻烃回收装置压缩机级间空冷器的降温效果是否良好将影响机组耗电量的大小。

1.1.2 压缩机出入口压力比值的影响

一般来说，压缩机流量一定的前提下，压力比值与耗电量成正比变化，但天然气分公司轻烃回收装置流量会在一定范围内波动，流量小，压力比值增大，耗电量降低；流量大，压力比值降低，耗电量升高。通过对杏V-1浅冷装置2015—2016年压缩机出入口压力比值与压缩机电流的变化趋势进行分析，可以发现压缩机出入口压力比值与压缩机电动机耗电量两者大约成反比变化，压缩机出入口压力比值下降，则耗电量上升。图1是杏V-1浅冷装置压缩机电流（A）与压缩机出入口压力比值的变化关系曲线，左侧纵坐标为出入口压力比值，右侧纵坐标为压缩机电流，压缩机电动机额定电流280 A。

图1 2015—2016压缩机出入口压力比值与压缩机电流的变化曲线

图2 2016年全年日负荷率、日压缩机电流变化曲线

1.1.3 压缩机湿气处理量的影响

通过对多套采用离心式压缩机组的轻烃回收装置2016年的月处理湿气量与月装置耗电量统计数据进行分析，可以发现湿气处理量与耗电量成正比，压缩机的湿气处理量下降，则耗电量下降。图2是杏V-1浅冷装置压缩机电流（A）与负荷率（%）的变化关系曲线，负荷率及压缩机电流值均对应于左侧纵坐标，压缩机电动机额定电流280 A。

但是，当大庆油田伴生气量下降，离心式压缩机负荷率降低到一定程度时，被压缩气体将会在叶轮的非工作面形成脱流团，造成冲击损失急剧增加。这不仅使流量损失增加，效率下降，还会导致气流从管网倒回压缩机，引起机身强烈振荡并出现离心式压缩机的"喘振"现象。在冬季装置负荷率较低时，一般采用打回流的方法以避免机组发生喘振，这就造成了电能的巨大浪费。

为了达到节能目的，减少不必要浪费，便需要确定出喘振发生的临界点的负荷率。

1.2 机组负荷率最优控制点的确定

1.2.1 离心式压缩机的特性曲线

离心式压缩机的特性曲线通常是指，出口绝对压力p2与入口绝对压力p1之比（或称压缩比）和入口体积流量Q的关系曲线（图3）。

对离心式压缩机，由于它的性能曲线大多呈驼峰型[2]，连接离心式压缩机不同转速下的特性曲线的最高点，所得曲线称喘振极限线，其左侧部分称为喘振区，如图3中阴影部分。喘振情况与管网特性有关。管网容量越大，喘振的振幅越大，而频率越低；管网容量越小，则情况相反。

图3 离心式压缩机的特性曲线

1.2.2 压缩机的喘振极限线

对于喘振极限线（图4），可以通过理论推导获得数学表达式[3]。在工程上，为了安全上的原因，在喘振极限线右边，建立一条“安全操作线”，作为压缩机允许工作的界限。

图4 喘振极限线及安全操作线

这条安全操作线可与一个抛物线方向近似，其经验公式为

式中：Q1——吸入口气体的体积流量，m3/h；

T1——吸入口气体的绝对温度，K；

p1、p2——入口、出口的绝对压力，MPa；

Κ，a——常数，一般由压缩机制造厂家给出，a有等于0、大于0和小于0三种情况。

1.2.3 杏V-1浅冷装置压缩机最优负荷率的确定

以杏V-1浅冷装置为例进行说明。杏V-1浅冷装置于1983年投产，2008年对压缩机进行了改造，现设计处理规模30×104m3/d，压缩机高压电动机功率2620 kW。查询压缩机资料可知，K=7.64×10-5，a=2.32，将其代入公式（1）可求得：

装置正常运行情况下负荷率φ为

负荷率最优控制点为

杏V-1站装置正常运行情况下，为了确保装置不发生喘振现象，达到节能降耗的目的，可以利用出入口压力比值（最佳出口压力可根据压缩机参数及装置工艺软件模拟得到）与入口气体的绝对温度值，确定出压缩机组负荷率的最优控制点。

以2016年12月数据为例，p2/p1取全月平均值18.36，T1=2+273=275 K，将其代入公式（3）可求得：

所以，如果要保证压缩机不打回流而造成电能的巨大浪费，杏V-1站2016年12月的入口湿气量应控制在0.76×104m3/h以上，负荷率相应控制在60.79%以上。确定了轻烃回收装置处理气量的基本范围后，结合区域伴生气管网现状进行合理的气量调配，可减少压缩机组回流量，达到节能降耗的目的；同时也为是否对天然气分公司部分压缩机电动机进行变频改造提供了依据。由于各区域伴生气管网、轻烃回收装置的适应性、尽量减少湿气放空等实际条件的制约，要将压缩机组的负荷率控制在最优控制点存在一定的难度，节能效果还需要进一步验证。

2 离心式压缩机工艺参数调节

2.1 压缩机电动机安装高压变频器的必要性

对于轻烃回收装置原料气压缩机配备的高压电动机，在考虑了工况的变化和启动容量的需要后，所配备容量都大于实际输出功率，尤其是“十三五”期间，伴生气量将呈逐年减少趋势，压缩机组平均负载率和平均运行功率都将较低，因此节电的潜力非常巨大。现阶段对高压电动机节能降耗最有效的方法之一就是应用高压变频器。变频器能实现调速、软启动、工艺调节三个方面的功能，具有高效率、高功率因数等特点，能广泛应用于压缩机组、风机、泵类设备上，被国内外公认为最有发展前途的调速设备。

传统的定速压缩机仅在设计工况下有较高的能效比[4]，在其他情况下能效比就相对比较低；而压缩机加装高压变频器后可以根据不同的气量需求来调节转速，可以实现完全的自动控制，使变频压缩机提高了能效比，扩大了高能效比的范围，改善了运行工况，也简化了工艺操作。考虑到伴生气处理量存在逐年减少的可能性，高压变频器在压缩机组工艺调节方面的优越性会逐渐突显。目前市面上高压变频器功率范围可从200 kW直到9600 kW，天然气分公司高压电动机均可定制对应的变频器。

2.2 离心式压缩机工艺参数调节的实现

天然气分公司已在萨南深冷装置压缩机上试用高压变频装置，为电动机厂家配套定制，采用的是上海广电电气（集团）股份有限公司生产的Innovert系列高压变频调速系统，其压缩机高压电动机电压为6 kV，功率4200 kW。深冷装置已于2017年11月正式投产。

离心式压缩机对天然气的流量、压力和温度都有非常严格的要求，也就是要求压缩机工作点的稳定[5]。影响压缩机工作点稳定的因素主要有两个，一是干扰，二是工作点的改变[6]。但是干扰是随机不可预知的，而且由于控制器的存在，出现干扰时控制器会自动消除误差，因此干扰可以看成是工作点改变的特例。

2.2.1 离心式压缩机工作点不稳定的原因

目前对离心式压缩机流量、出口压力的控制大多采用两个独立的PID控制器，分别发出控制动作消除各自的误差[7]，但这种控制方式没有考虑到离心式压缩机自身的特性以及各自执行器调节时间的不同；因此，在调节时会互相干扰，导致离心式压缩机工作点波动，从而影响轻烃回收装置的稳定运行。

离心式压缩机的工作点只能位于其性能曲线上，如图3所示。图5画出了新建的萨南深冷装置压缩机在转速分别为n1、n2、n3时的3条性能曲线，其中n1=12 647 r/min，n2=12 045 r/min，n3=11 443 r/min。一般的离心式压缩机组的控制分为两部分：一是通过转速来控制出口压力；二是通过入口调节阀控制流量。这样，离心式压缩机的工艺调节就分为三种情况：

图5 萨南深冷装置压缩机性能曲线和工作点

①固定流量调节出口压力。改变离心式压缩机的转速就可以让离心式压缩机处于不同的性能曲线上运行，可以在不改变流量的前提下获得不同的出口压力，如图5中A到B点。

②固定出口压力调节流量。由于离心式压缩机的工作点只能在其性能曲线上，因此在调节流量的同时会使出口压力发生变化，此时出口压力控制器也会产生作用，如图5中A到C点。流量增大时，工作点只能够沿着性能曲线AE移动，此时出口压力下降，从而令出口压力控制器提高离心压缩机的转速来提高出口压力。

③出口压力和流量同时调节。图5中A至D点，压力和流量控制均未达到设定值，都需要主动调节。如果流量控制器先到设定值，则问题可转化为①；如果压力控制器先到达设计值，问题可转化为②。

2.2.2 离心式压缩机流量压力的协调控制特点

协调控制的上位级协调控制器可以使流量和出口压力控制器协调工作，使工作点按期望的运行轨迹平稳变化，其特点主要有：

1）根据离心式压缩机固有特性来确定参考轨迹，减小了工作点调节过程中压力控制器被动跟踪对工作点稳定性的影响。

2）根据执行器的调节时间来确定参考轨迹的变化速度，令流量和出口压力在调节过程中同步变化，减小了执行器调节时间不同对工作点稳定性的影响。

3）当工作点距离喘振线过近时，减小工作点的波动可以有效防止压缩机进入喘振区。

2.2.3 萨南深冷装置调整改造工程中压缩机流量压力控制策略

萨南深冷装置调整改造工程中原料气压缩机根据来气量（16 489.7～23 471 Nm3/h）、来气压力（0.13～0.2 MPa）、来气温度（-5～30℃）共计3个参数预设了四种运行工况。压缩机的机械设计及流量压力控制均建立在四种运行工况之下。

控制目标：在n1、n2、n3三个转速下，通过调节流量，确保出口压力在压缩机性能曲线上运行，如图5所示。

控制参数：压缩机转速，入口压力调节阀开度。

控制策略：在压缩机控制系统中设置上位级协调控制器，根据不同的来气压力、温度及流量范围确定转速，因来气压力低，造成压缩机不能在性能曲线上运行时，适当增加入口压力调节阀开度，增大入口管线压差，加大流量，使压缩机远离喘振区运行。

2.3 压缩机电动机安装高压变频器后的节能效果

伴生气处理量减少时，压缩机加装高压变频器后可以根据不同的气量需求来调低转速，如图5的C点至A点，可以实现出口压力的自动控制，满足工艺参数要求，改善了运行工况，也简化了工艺操作。同时，转速降低后压缩机组功率降低，电能消耗降低，如图6所示。

图6 萨南深冷装置压缩机变频调速后的功率变化

萨南深冷装置于2017年11月1日正式投产运行，由于装置操作需要，高压变频器处于工频运行状态，仅承担压缩机电动机的软启动功能。压缩机电动机高压变频器于2018年4月转换为变频运行状态。表1为装置投产至今共计7个月的处理量及耗电指标统计，其中2017年11月至12月、2018年4月至5月装置负荷率在80%～90%，2018年1月至3月装置负荷率在97%左右。从处理量及电单耗的趋势可以看出，2017年11月至2018年3月高压变频器工频运行期间，当负荷率降低时，装置的原料气单耗有明显提高；这说明装置投产初期运行调节中，由于高压变频器处于工频运行状态，在负荷降低时变频器未发挥出节电效果。2018年4月至5月高压变频器处于变频运行状态，与2018年3月相比，在装置负荷率降低时，原料气单耗降低0.002 kWh/m3左右，月节电3.62×104kWh，月节约运行成本2.29万元；与装置投产初期的头两月相比，同样在80%～90%负荷率的情况下，节能效果更加明显。

表1 萨南深冷装置处理量及耗电指标统计

3 结论

在“十三五”期间伴生气量逐年减少的趋势下，通过气量调配等手段使压缩机组负荷率处在最优控制点以上，使装置负荷率较低时避免打回流造成电能的巨大浪费。压缩机组负荷率最优控制点的确定还需要对各区域伴生气管网及轻烃回收装置适应性进行深入分析，确定每套轻烃回收装置的处理气量范围，从而进行合理的气量调配。

在保证湿气深冷和为干气深冷提供原料的浅冷装置在较高负荷率下运行的前提下，剩余的轻烃回收装置（如杏三、杏九、杏V-1、喇二浅冷）可考虑采用高压变频器对天然气压缩机进行节能改造，使压缩机性能调节范围变大；如当转速n由100%降到70%时，喘振界限将向左移动30%左右，解决了伴生气量逐年减少后引起不稳定工况的问题，同时也大幅节约了电能，起到了节能降耗的作用。