两级串联式无油螺杆压缩机在南海气田群低压火炬气回收应用中的仪电调试浅析

摘 要：南海底下储藏着超过2 000亿m3的天然气资源，运用无油螺杆压缩机回收不仅环保，而且还能提高产气效率。现介绍了用于回收天然气的螺杆式压缩机的设计组成，并按照工艺设计自动控制系统;同时，对调试投产过程中以工艺为导向，遇到问题后快速理清思路推导解决问题的方法这一过程进行了阐述。

关键词：无油螺杆压缩机;工艺设计;变频器加循环回流调节自动控制

1    机组工艺设计

两台螺杆压缩机分别由两台防爆变频电机驱动，频率范围5～60 Hz，压缩机冷却采用喷液工艺，保证压缩机出口温度小于85 ℃。工艺末端设置气液分离罐，配置排液系统。闪蒸罐压力约100 kPa（G），温度20 ℃左右的混合烃类天然气，安装有自动调节的放空阀，设定压力为100 kPa（G），超过100 kPa（G）时会自动响应进行放空。经一级压缩后的气体压力为460 kPa（G），经过极间冷却，到二级入口再次压缩，排气压力为1 750 kPa（G），过二级冷却器冷却后经气液分离罐进行气液分离，最后外输至后续工艺管道，外输管道上设有循环回流阀和卸荷阀。

2    控制系统设计

一级入口设定需要比闪蒸罐的放空阀压力低，闪蒸罐放空压力设定为100 kPa（G），那么一级入口压力设定范围就在100 kPa（G）以下的区间。一级压缩机入口的压力控制根据两个条件，一是根据一级主电机转速调节，二是循环回流阀调节。根据以上工艺条件，分别设置两个设定压力值。在启动初级阶段，将循环回流阀的压力设定值维持在85～90 kPa（G），此时循环回流阀由原来的全开状态开始缓慢关闭，出口压力开始上升。机组稳定外输后，出口压力维持在1 700 kPa（G）以上，此时循环回流阀已全部关闭，入口压力持续上升，这时需要一级变频电机的控制参与，将变频电机的压力设定为95 kPa（G），当压力超过这个值后，变频器开始加速，保证闪蒸罐内部的压力始终维持在100 kPa（G）以下。

3    调试

机组在调试运行阶段多次出现联锁跳机，后总结出分析问题的方法和思路如下：

描述：二级出口压力低低联锁停机。

设定：一级电机限制频率18～24 Hz，二级电机限制频率18～49.5 Hz。入口压力控制设定为100 kPa（G）左右，二级入口压力控制设定为450 kPa（G）。一级电机定频18 Hz启机，循环回流阀手动，一级入口压力控制设定缓慢降至95～97 kPa（G），稳定外输后全部切换自动控制。

机组进行正常的工艺气外输运行一段时间后，一级入口持续升压，最高可到190 kPa，现象为：入口压力波动，一级电机加速，压力先上升后下降，二级入口压力始终小于450 kPa（G），二级电机频率持续下降，二级电机出口压力持续下降直至“二级出口压力低低”联锁停机。

处理：调整一级、二级电机的PID参数，但此现象依然出现。启机过程中，二级出口压力达1 300 kPa后，一级出口压力始终比二级进口压力显示小，相差50～100 kPa。在稳定外输后，二级电机基本上在高频率运转。调小二级循环喷液阀后开度，差值有所减小，但依然相差约50 kPa。

分析：按照正常思路考虑，二级入口压力和一级出口压力应保持大致一致，中间只经过冷却罐。检查发现二级入口压力取样点正对二级循环喷液管线喷口，从而影响了二级进口压力反馈正确性。

处理：（1）将二级电机的控制压力设定由二级进口压力变为一级出口压力，测试对比发现，调整后二者压力值几乎相同（这也可说明二级变频电机电流始终居高不下，始终输出高转矩的一个诱因）;（2）重新调整二级入口压力取压点，调整后运行效果好转，可持续正常运转时间更长，但还是会出现联锁停机。

进一步现象：调看数据曲线发现，出现联锁停机时，闪蒸罐压力并没有一级入口压力曲线中压力报警时那么大，确认问题出现在一级循环喷液阀管线（一级循环喷液阀补液管线可能会串气导致入口压力波动，里面的凝析油变气体导致压力增高）。观察运行过程中一级入口温度始终处于低温状态，为0～5 ℃。

进一步处理措施：

（1）将一级入口压力取样点转移至入口切断阀后的旁通管线预留口;

（2）手动打开循环回流阀开度，尝试让一级入口温度持续维持在10 ℃以上运行。

这一次尝试未能成功解决问题，机组依然出现联锁停机。

深度分析：

（1）确认为一级循环喷液阀补液管线问题，应该是凝析油气化所致。前端闪蒸罐气源温度为13 ℃左右，但一级入口温度会降低到0 ℃左右甚至更低，究其原因一级循环喷液阀补液管线至一级入口过程中，凝析油气化过程吸热，导致周围温度持续下降，这就解释了为什么一级入口温度会缓慢降低。撬体末端的气液分离罐从罐底排液，水比凝析油重，会沉在罐底，多次排液后，分离罐中的水逐渐减少直到排空，剩下的全部是凝析油，并通过循环喷液管线，带压的油从分离罐底部压入到常压的压缩机入口处，压力急剧下降（由1 700 kPa（G）下降至100 kPa（G））后氣化，导致压缩机入口天然气产生紊流，造成一级压缩机入口吸不到来自前段缓冲罐的来气，入口温度的降低将导致压缩机容积效率降低（设计入口气体温度为19～35.5 ℃），一级压缩机排气流量能力降低，导致级间压力低，触发二级电机降频减速，最终二级出口压力持续下降，联锁停机。

（2）分析调取一级压缩机入口压力曲线，压力大于前端闪蒸罐压力。原因：一级压缩机入口循环喷液中凝析油持续不断气化，并不断累积产生气阻，导致喷液处和入口管线压力持续上涨，甚至高于闪蒸罐压力。

分离罐改造：如图1所示，随着上层凝析油的不断增加，到一定液位时会从增高的引流管内排出，这样始终保留底部的水来进行循环喷液，以保障机组整体运行的稳定。

4    结语

通过这次机组投用，总结出了大量宝贵的工程经验，为后续螺杆压缩机在以天然气为主的工艺气生产中应用奠定了基础。

[参考文献]

[1] 邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 向晓汉.西门子PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2015.

[3] 张凤久.我国南海天然气开发前景展望[J].天然气工业，2009，29（1）：17-20.

[4] 陈建明.自动控制理论（非自动化专业）[M].北京：电子工业出版社，2009.

收稿日期：2020-03-30

作者简介：金其龙（1989—），男，上海人，维修电工技师，研究方向：螺杆机械电气仪表自动化设计调试。