压气站循环温升工况模拟及分析

张双蕾 杨文川 高 兴 陈 凤

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

离心式压缩机是天然气长输管道中广泛应用的增压设备[1-3],从工作原理上而言属于动力型(透平)压缩机,是靠高速旋转叶轮的作用,提高气体的速度和压力,随后在固定元件中使一部分速度能进一步转化为气体的压力能[4-5]。由于压缩机增压后天然气温度较高,为防止因进入管道的天然气温度过高而影响管道输气效率及防腐层使用寿命,通常压气站内都会在压缩机下游设置空冷器以降低管道输送温度[6-8]。但在一些特殊工况下,增压后的天然气可能部分或全部未得到及时冷却,且在站内管道中反复循环增压,导致天然气温度持续上升。因此,通过对典型循环温升工况进行模拟和分析,可以在设计中提出有针对性的意见和建议,保护压缩机和压气站管道系统[9-12]。

1 空冷器布置方式的影响

在天然气长输管道压气站中,工艺空冷器设置通常有集中后空冷和单机后空冷[13-15]两种方案。

1.1 集中后空冷

空冷器位于多台压缩机出口汇管的下游,增压后的天然气进入压缩机出口汇管汇集,然后经过集中空冷器统一冷却后输往下游。集中后空冷的工艺流程见图1。

图1 集中后空冷方案压缩机区典型工艺流程示意图

1.2 单机后空冷

空冷器位于每台压缩机出口处,增压后的天然气被各空冷器分别冷却后再汇合,然后输往下游。单机后空冷工艺流程见图2。

图2 单机后空冷方案压缩机区典型工艺流程示意图

由于在离心式压缩机正常启机过程中,需要将压缩机出口气体通过防喘阀循环打入压缩机进口管线,压缩机一直在对循环的天然气做功,对于采用集中后空冷的布置方式,这部分循环气体将无法经过空冷器冷却,最终机械动能转化为气体的内能和压力能,造成了压缩机出口天然气温度的快速持续上升。该循环温升工况将一直持续到压缩机出口压力上升至一定数值使出口止回阀打开,防喘阀自动关闭,此时增压后的天然气正常输送,经过集中空冷器冷却后输往下游。由于启机过程的循环温升工况相较其他工况(停车工况或机组现场测试的部分工况)而言更为恶劣,因此将其作为典型循环温升工况进行模拟研究。

2 典型循环温升工况模拟与分析

2.1 输入条件

以集中后空冷布置方式的离心压缩机启机工况作为典型循环温升工况进行分析,需要输入的参数如下:

1)气质组分。

2)研究的管道系统各管段的管径、长度、内壁粗糙度。

3)启机时,压缩机进口压力、温度,出站压力。

4)各动作阀门的Cv值,以及开关速度和开关特性曲线。

5)压缩机性能曲线参数(含喘振线、防喘控制线和阻塞线)。

6)启机过程压缩机的转速随时间变化曲线。

选用的机组不同,压缩机性能曲线和驱动机启动转速变化参数也不同,这些参数通常由厂商提供,在模拟时需要根据工程实际选用的机组,采用工厂测试修正后的性能曲线,录入参数[16]。

另外,对于不同的驱动方式和驱动机组,配套不同的压缩机,启机过程压缩机的转速变化曲线也有所不同。对于电驱压缩机组,启机过程中机组转速可以从0线性提升至需要的转速(提升速度受电机扭矩限制),即“转速-时间”曲线近似为一条具有一定斜率的直线。通常在启机时,电驱压缩机转速由0上升至最低连续运行转速所需的时间在1.5～3 min左右。燃驱压缩机组的“转速-时间”曲线类似于台阶上升曲线,且启机时间稍长,一般在6～9 min左右。对于不同的机组,具体启机过程的压缩机转速变化曲线需要厂商提供。在模拟时应根据工程实际选用的压缩机组,按照对应的启机转速变化曲线控制转速。

2.2 模拟软件选用

在启机过程中,天然气的流动为动态变化过程。为保证循环温升计算的可靠性,应根据管道和设备的实际情况(如管径、长度、工艺运行参数、压缩机性能曲线、转速-时间变化参数等)应用相应的非稳态流数学模型进行瞬态模拟与分析,得出最接近于工程实际的计算结果。为保证计算精度并简化分析过程,可采用成熟商业软件进行计算分析。本文选用ASPEN HYSYS软件进行建模分析[17-19]。

2.3 工况模拟与分析

2.3.1 模型建立

以某工程为例,该工程采用3+1台25 MW等级燃驱压缩机组,管道设计压力12 MPa,设计输量为300×108m3/a。由于机组A距离压缩机上游计量装置区出口汇管最近,由防喘管线回流的热气与未增压前的冷气混合后,经过的管容最小,循环温升情况最恶劣。因此,在模拟单机启机工况时,选取机组A及对应的进出口管路系统作为模拟对象,见图3。

图3 ASPEN HYSYS建模选取机组及建模范围示意图

根据单机流程图建立对应的ASPEN HYSYS动态计算模型,见图4。

图4 典型循环温升工况ASPEN HYSYS模型图

2.3.2 工况模拟

在典型循环温升工况的动态模拟中,压缩机启机转速变化参数至关重要。某25 MW等级燃驱压缩机组的启动过程转速变化曲线见图5。燃气轮机点火后压缩机在0～50 s期间,转速由0线性增大到2 000 r/min(怠速),之后压缩机维持该怠速状态一直到360 s,随后压缩机在360～410 s期间,转速由2 000 r/min线性增大到4 255 r/min(最低连续运行转速)；即压缩机转速由0增加到最低连续运行转速共经历410 s(6.83 min)。在此期间防喘阀为手动全开。此后,防喘阀由手动控制切换为自动控制,然后根据天然气输送要求增加转速。当进行24 h机械运转测试时,需要在最低连续运行转速下运行一段时间,再提升转速。

图5 某25 MW等级燃驱压缩机组启机转速变化曲线图

其余主要输入参数见表1。

表1 典型循环温升工况主要输入参数表

参数数值备注压缩机进口管路管容/m3—软件据各管段输入参数计算压缩机出口管路管容/m3—软件据各管段输入参数计算冷热混合气经过管容/m3—软件据各管段输入参数计算压缩机进口天然气压力/MPa9.14夏季工况压缩机进口天然气温度/℃31.97夏季工况防喘阀Cv值1 000由压缩机厂商提供防喘阀全开动作时间/s1由压缩机厂商提供

为了研究压缩机启机之后,正常输送和非正常输送条件下增压后天然气温度的变化情况,分别建立工况进行模拟分析。

2.3.2.1 正常输送工况

依照转速随时间变化曲线,压缩机转速从0增至最低连续运行转速(4 255 r/min),然后防喘阀由手动控制切换为自动控制,并继续提高转速直至压缩机出口压力升高使出口管线上的止回阀开启,进入正常输送状态。

2.3.2.2 非正常输送工况

依照转速随时间变化曲线,压缩机转速从0增至最低连续运行转速(4 255 r/min),然后在最低转速继续运行,防喘阀保持全开。若此时出站压力较高,而压缩机仍保持在最低转速运行，使得增压后的天然气压力低于出站压力,则压缩机出口管线上的止回阀无法打开,天然气不能向下游正常输送,只能通过防喘振管线回到压缩机进口处,即启机后系统进入非正常输送状态。

2.3.3 模拟结果

2.3.3.1 正常输送工况结果

为保守起见,假设出站压力为11.85 MPa(最大操作压力),即增压后的天然气压力需达到11.85 MPa(对应压缩机转速为5 600 r/min)才能使压缩机出口管线上的止回阀开启。假设压缩机从最低连续运行转速(4 255 r/min)增加到5 600 r/min的时间为30 s,经模拟,正常输送工况下压缩机工作点变化轨迹见图6,压缩机出口压力和温度的变化趋势见图7。

图6 正常输送工况压缩机工作点变化轨迹图

图7 正常输送工况压缩机出口压力、温度变化曲线图

从图7可看出,压缩机转速由0增加到最低连续运行转速的410 s时间内,压缩机出口压力由9.14 MPa增加到10.51 MPa,出口温度由31.97 ℃增加到49.7 ℃。然后防喘阀由手动控制切换为自动控制,压缩机转速继续升高,直至压缩机出口压力达到11.85 MPa使下游止回阀开启,开始正输流程。在第448 s(压缩机转速达到最低连续运行转速后第38 s)时,压缩机出口温度达到最高值63.2 ℃,之后压缩机出口温度开始降低并稳定于54.5 ℃。整个过程中压缩机出口温度未超过防腐层使用温度(一般高温型加强级三层PE防腐层最高使用温度为70 ℃[20])。因此,在本实例中若压缩机组正常启机并实现外输,期间造成的循环温升不会对设备和管道造成不良影响。

2.3.3.2 非正常输送工况结果

经模拟,非正常输送工况的压缩机工作点变化轨迹见图8,压缩机出口压力和温度的变化趋势见图9。

从图9可看出,在压缩机转速由0增加到最低连续运行转速的410 s时间内,压缩机出口压力由9.14 MPa增加到10.51 MPa,出口温度由31.97 ℃增加到49.7 ℃。之后,压缩机保持最低连续运行转速(4 255 r/min)继续运行,防喘阀保持全开。若出站压力高于压缩机出口压力10.51 MPa,则压缩机出口管线上的止回阀无法开启。可见从第600 s(压缩机转速达到最低连续运行转速后第190 s)开始,压缩机出口温度将高于70 ℃。因此,在本实例中,当压缩机转速达到最低连续运行转速后,应保证在190 s(3.17 min)内,提升压缩机转速(具体转速应对应当时的出站压力),使增压后的天然气压力高于出站压力,从而开启压缩机出口管线上的止回阀,实现天然气的正常输送,避免天然气通过防喘回路循环回流造成温升效应。

图8 非正常输送工况压缩机工作点变化轨迹图

图9 非正常输送工况压缩机出口压力、温度变化曲线图

3 结论与建议

1)对于采用集中后空冷布置方式的压气站，压缩机组在典型循环温升工况下增压后的工艺气体得不到及时冷却,导致温升速度较快,如果设计不合理将对运行产生不良影响。因此,如果压气站采用了集中后空冷流程,建议均进行典型工况的循环温升模拟,以确保运行安全。

2)采用ASPEN HYSYS软件动态模块可实现增压流程典型循环温升工况的模拟和分析。压缩机循环温升工况为动态过程,需要依据工艺流程、设备和管道布置、压缩机组启动曲线(转速变化曲线)、压缩机机芯曲线(含防喘线及阻塞线)参数、驱动机现场最大输出功率、防喘阀和防喘控制器响应特性、天然气组分等输入条件建立动态模拟模型。

3)对于启机后正常输送的工况,建议以最保守情况(即压缩机出口管线止回阀的下游压力为最高操作压力)模拟机组从转速为0沿转速提升曲线直至压缩机出口管线止回阀打开,气体开始正常外输的温升情况。启动过程中压缩机出口温度的最高值将作为确定循环回路中的设备、管路系统材料(包含防腐层)设计温度的依据之一,以确保能安全启机。

4)在实际运行中,若站场压缩机机组故障停机,出站压力会在一段时间内维持较高的压力,应尽量避免在出站压力较高的情况下立即启机。如果需要立即启机,则启机转速达到最低连续运行转速后,应尽快将转速提升至出站压力对应转速,使系统进入正常输送的状态,避免循环温升对管路和设备造成不良影响。