离心式压缩机防喘振控制系统在海上油田的应用

孙文高

(中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司， 天津 300452)

在海上油田天然气生产中，通常使用压缩机对天然气进行增压，以达到下游用户的使用要求，或通过海底管道输送至陆地。渤海油田海上设施多采用往复活塞式压缩机[1]。根据油田特点，在某浮式生产储油卸油装置(floating production storage and offloading，缩写为FPSO)中，将3台离心式压缩机进行并联以实现天然气增压。为了避免离心式压缩机在使用过程中出现喘振和并联机组单机偏流的问题，在离心式压缩机并线运行上增加了防喘振控制系统。该控制系统可以有效地解决离心式压缩机的喘振问题和多台并线运行的偏流问题，使压缩机组运行更加平稳[2]。该控制系统自2009年投入应用，一直运行比较稳定，有效地保证了油田的正常生产。下面介绍该系统在海上油田的应用。

1 往复活塞式和离心式压缩机

1.1 往复活塞式压缩机应用

在渤海油田生产中，大部分中心平台(central platform，缩写为CEP)采用了往复活塞式天然气压缩机[1]。以BZ28-2S中心平台为例，燃料气处理系统的天然气处理能力为17.2×104m3/d，设置3台处理能力为8.6×104m3/d的天然气压缩机，两用一备。来自原油处理系统一级分离器的压力为400 kPa、温度为60 ℃的伴生气，经燃料气冷却器冷却至40 ℃，再经除液罐分离液滴后进入燃料气压缩机。经过第1段、第2段压缩，燃料气的压力由400 kPa升至2 850 kPa后进入下游平台。BZ28-2S中心平台天然气压缩系统流程如图1所示。

1.2 离心式压缩机应用

渤海某FPSO装置为中海油规模最大的海上浮式生产储油装置，其天然气处理流程中有3台离心式天然气压缩机，采用通用-新比隆公司(GENuovoPignone)生产的压缩机。在标准状态下，单台压缩机的最大处理量为28×104m3/h，出口压力为4 900 kPa。其工艺流程与往复活塞式压缩机类似，低压气冷却后经第1段入口除液罐进入第1段压缩机进行压缩，然后经过冷却器冷却后进入第2段除液罐进行洗涤排液，再经第2段压缩机压缩后达到额定压力。该FPSO天然气高压压缩机系统流程如图2所示。

1.3 往复活塞式与离心式压缩机参数对比

(1) 单机处理量。离心式压缩机的单机处理能力远远大于往复活塞式压缩机。往复活塞式压缩机单台功率为800 kW左右，其处理能力为19×104m3/d；离心式压缩机单台功率为3 690 kW左右，其处理能力为65×104m3/d。

(2) 排气稳定性。往复活塞式压缩机可以连续运转，出口排气稳定性好；往复活塞式压缩机靠气缸的往复运动和气缸阀片开闭来实现排气，排气稳定性低于离心式压缩机[3]。

图1 BZ28-2S中心平台天然气压缩系统流程

图2 渤海某FPSO天然气高压压缩机系统流程

(3) 出口压力。离心式压缩机经2段压缩后的出口压力可达到5 000 kPa；往复活塞式压缩机经2段压缩后的出口压力一般为3 000 kPa，如需压力增高，则需采用3段以上的压缩机。

(4) 维护成本。离心式压缩机易损件少，维修量小，运转周期长，只需针对机体磨损进行定期维修；往复活塞式压缩机则需要定期更换阀片、活塞环等部件[4]。

(5) 操作适应性。离心式压缩机操作的适应性差，气体的性质对操作性能有较大影响，在机组开车、停车及运行过程中，负荷变化较大；往复活塞式压缩机则对气体性质要求低，开车、停车较方便。

(6) 流速及噪音。离心式压缩机气流速度高，流道内的零部件有较大的摩擦损失，产生较多高频噪音；活塞机内部流体流速低，流道内摩擦损失小，产生较多低频噪音。

(7) 喘振。在离心式压缩机运行中，容易出现喘振，因此必须配备专门的防喘振控制系统；在往复活塞式压缩机运行中，只需要调节回流控制阀即可实现防喘振控制[5]。

(8) 控制系统。离心式压缩机控制系统分为关断和调节系统，振动监控系统，防喘振控制系统，密封气控制等子系统，系统控制非常复杂；往复活塞式压缩机控制单元少，控制逻辑相对简单。

2 离心式压缩机防喘振控制

2.1 喘振现象

喘振是离心式压缩机的特有现象，喘振现象的形成如图3所示，其中Qs，VOL为压缩机入口体积流量，pd为压缩机出口压力。随着压缩机运行，当气体由D点沿着性能曲线上升至喘振点A时，流量急剧降低；当气体由A点运行到B点时，压缩机出现负流量，即出现倒流；倒流到一定程度时压缩机出口压力下降(B→C)，恢复正向流动(C→D)。气体在压缩机中来回流动的这种现象就是喘振。发生喘振时，压缩机振动剧烈，发出异常声音。如果不能及时控制喘振，压缩机将会受到严重伤害。喘振发展比较快，通常在1～2 s即加剧，因此必须及时、有效、精准地予以控制[6]。

图3 离心式压缩机喘振形成示意图

每种压缩机都有其独特的性能曲线，多压头 — 入口流量受入口条件(压力、温度、气体特征等)的影响，喘振曲线呈分散的多条曲线，给喘振控制算法的设计带来很大影响。压缩机的性能曲线通常由制造商给出的计算值来确定，会有一定偏差；同时，随着压缩机运行时间延长，内部磨损越来越大，其性能曲线与出厂时的差别也越来越大。摆脱压缩机性能曲线影响，制定一套快速准确的喘振控制算法显得尤为重要。

2.2 CCC防喘振控制策略

渤海某FPSO装置中的高压压缩机采用了CCC(Compressor Control Corporation，美国压缩机控制公司)防喘振控制系统。根据压缩机特性和喘振理论，为其开发了一套控制算法和软件，可以将多变的入口条件曲线转化为与入口条件无关的喘振控制线，以便快速确定喘振点。

(1) 控制算法。CCC控制算法中没有简单采用流量对比的方式，从而避免了工艺扰动和能量浪费。常用压缩机的性能曲线与入口条件有关(见图4)，其喘振曲线呈分散的多条曲线，无法在现场对喘振进行控制。CCC控制算法处理后的压缩机性能曲线(见图5)，摆脱了入口扰动因素的影响，出现了高度重合，可以此作为现场控制的判断依据。其理论推导公式如下。

计算离心式压缩机多变压头Hp：

(1)

(2)

图4 常用压缩机性能曲线

图5 CCC控制算法处理后压缩机性能曲线

每个公式内除以因子A=Zs·R·Ts，由于Zavg/Zs比率变化可忽略不计，可认为Zavg/Zs=1，则有：

(3)

(4)

式中：Hp—— 为离心压缩机多变压头，m；

Qs—— 入口质量流量，kg/s；

hr—— 简化后压头，无量纲；

Qr—— 简化后流量，无量纲；

Zs—— 进出口压缩因子，无量纲；

Mw—— 分子量，g/mol；

Ru—— 通用气体常数，8.314 J/(mol·K)；

R—— 气体常数，R=Ru/Mw；

Ts—— 入口温度，K；

Rc—— 压缩比，无量纲；

σ—— 多变指数，无量纲；

ps—— 入口压力，kPa；

Δpo,s—— 流量测量装置的压差，kPa。

(2) 建立喘振线。喘振线上各点可用其至原点的斜率来表示，用实测值计算。喘振参数定义如下：

(5)

图6 拟合后的喘振曲线

3 防喘振系统工程设计

3.1 控制系统的架构

CCC防喘振控制系统工作原理是，根据数学建模分析结果，执行现场的控制实施方案，通过优化参数来达到控制喘振的目的。

该FPSO装置中配备了3台海上离心式压缩机，均采用两段式压缩，并联运行，故CCC控制系统采用了单机配置、中心协调的策略。其中，主控制器采用冗余架构，单机控制器采用单机架构并通过高速网络与主控制器进行通讯传输。CCC控制系统架构如图7所示。

图7 CCC控制系统架构

3.2 简要控制工艺流程

每台压缩机各有一套控制系统，负责监控每一级入口的压力、温度、流量、出口压力温度，控制每一级的回流阀门，进而控制喘振。需要说明的是，当UIC-2试图打开二级回流阀门以免进入喘振状态时，就会输出喘振信号给UIC-1，UIC-1则根据信号立即作出预处理反应，直接提前打开一级回流阀门。

4 结 语

该离心式压缩机防喘振控制系统，运行平稳，其主要特点如下：

(1) 经济性高。由于控制算法合理，压缩机可以在最靠近喘振线的区域运转，而无须打开回流阀。

(2) 可靠性高。运用该离心式压缩机防喘振控制系统，可减少因喘振而造成的停车现象，有效控制喘振现象，降低压缩机的大修成本，延长压缩机的运转寿命。

(3) 控制架构合理。运用该控制系统，可以有效地对并联运行的压缩机组流量进行合理的分配，使每台压缩机都处于高性能模式，从而有效地避免喘振现象的发生。