“双碳”背景下天然气管道离心压缩机性能预测分析

李 旺，陈小华，杨鹏博，吴兰英，雷 云

（1.国家石油天然气管网集团西南管道有限责任公司，四川成都 610041；2.常州大学石油工程学院，江苏常州 213164）

0 引言

随着全球经济的发展和环保政策的实施，国内外对石油天然气类能源需求越来越大。天然气作为一种优质、清洁、高效的化石能源，在发展低碳经济的时代背景下备受青睐，其消费量逐年保持大幅增长。从全球范围来看，天然气的生产与消费区域不平衡现象特别突出，管道是天然气大规模输送的唯一选择。离心压缩机作为天然气长输管道的重要设备，截至2015 年我国安装天然气管道压缩机组超过350 台，总装机功率超过7000 MW，而离心压缩机组占大部分[1]。因此，离心压缩机的高效运行对于天然气长输管道系统工程而言至关重要，也是保证天然气供给需求的关键所在。

1 西南管道公司天然气管道运行现状

西南管道公司（以下简称“公司”）作为我国西南能源大动脉，其所辖天然气管道的安全稳定高效是保障我国能源安全的关键所在。公司所辖天然气管道多处于山地，经过地区地形起伏大、外界地质条件变化大，以及管道实际运行工况的复杂性，使得离心压缩机经常出现运行工况（入口压力、入口温度、入口流量等）不在设计工况下的情况，再加之管道内实际输送气体的组分与设计也存在一定的偏差，用离心压缩机出厂性能曲线来预测实际工况下的运行性能存在较大偏差。因此，公司天然气管道在实际运行过程中，往往出现能耗较高的不利情况，在流程切换、启停输等操作下，容易出现压缩机工作效率偏低、喘振等现象，甚至引发管道破裂、天然气泄漏等事故，严重威胁天然气管道的安全运行。

针对上述天然气管道面临的问题，公司现有的运行管控手段主要是依靠SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统），但是SCADA 系统只能监测沿线站场等部分监测点的运行工艺参数，这就使得调度运行人员难以获得管道全线运行参数和准确掌握、预测天然气管道的运行状态，运行调度主要依靠调度运行人员的多年运行经验进行，难以保证天然气管道的最优运行状态。因此，为了提高天然气管道的运行效率和安全性，实时掌握离心压缩机的运行状态，及时得到管输实际气体组分在实际工况下的性能曲线，对离心压缩机运行性能进行准确预测，对制定天然气管线优化调度方案具有重要的现实意义。

2 天然气管道离心压缩机性能分析

目前，国内外学者在天然气管道离心压缩机性能的研究方面，主要围绕两个方面展开工作：一是运行工况属于稳态时，离心压缩机的性能换算研究；二是考虑瞬态运行工况，实时对离心压缩机的性能特性进行仿真预测。

2.1 稳态工况下离心压缩机性能换算研究

天然气管道处于稳态工况时，此时管道流量、压力等都处于恒定的状态。对于离心压缩机而言，此时其性能特性一般根据性能曲线图即可得到，能够获得此稳态工况条件下的最佳工作点。但是，离心压缩机出厂时提供的性能曲线图，往往是在一定的特定工况条件下试验得到的，如特定的气体和进气状态。而实际现场运行时，离心压缩机工况条件是多种多样的，并不能保证与厂家进行性能试验的条件完全一致。为了适应新工况情况，往往需要将厂家给的性能曲线图转化为实际工作条件下的性能曲线图。许多国内外学者在这方面展开了一系列研究，并取得了很多成果。

在国外学者方面，Connor 等人[2]根据实验得到的基础数据，针对压缩比较高情况下的离心压缩机，分别就设计工况及非设计工况下的性能曲线进行了预测研究。Magdy 等人[3]根据离心压缩机的几何形状和理论设计工况点，通过改进天然气的扩散因子和相关损失的计算方法，能够预测远离设计工况下的离心压缩机性能曲线，并且准确度较高。Herbert 等人[4]结合离心压缩机的整体几何结构特点，根据离心压缩机的进口流量、压缩比及假定的工作效率等，计算了离心压缩机各部位工况参数，预测了离心压缩机的性能特性。Coppinger等人[5]对进入压缩机的天然气条件（如压力、流量等）进行调整，对相应工况下的离心压缩机性能参数进行了分析与预测。

在国内学者方面，研究的起步要晚于国外，主要采用模拟计算等开展离心压缩机性能的研究。谢朝泉等人[6]通过分析离心压缩机与离心泵的工作原理，采用类比的方法将离心泵的性能换算方法运用到离心压缩机的性能换算分析中。研究发现，压缩比小于2.5的离心压缩机，采用类比方法是适用的，能够满足工程要求。

刘瑞蹈等人[7]针对含分流叶片离心式压缩机，采用Fine/Turbo程序对离心压缩机内部的三维黏性流场进行了数值模拟分析，结果发现数值模拟得到的离心压缩机性能曲线与实验条件下得到的结果基本吻合，并且不同的进口流量工况条件下，离心压缩机叶轮叶片的进口位置都会产生局部区域的逆向压力梯度。

张冬阳等人[8]提出了一种两步拟合来求解离心压缩机性能特性的方法。首先，利用正交多项式的形式拟合得到离心压缩机等转速工况条件下的性能曲线；然后，选取适当的插值函数，针对第一步得到的拟合关系式中的相关系数，分析其与离心压缩机转速的关系，并建立关系式，最后得到离心压缩机关于进口流量和转速的性能参数多项式。作者认为，该拟合方法在实际实施的过程中较为简便，且得到的离心压缩机性能曲线能够满足一般工程的要求。

张楚华等人[9]针对离心压缩机的结构进行了预处理，利用非结构化网格有限体积法研究了离心压缩机内部叶顶间隙对压缩机气动性能的影响。结果表明，叶轮内部的流动情况（包括流速、流场等）会随着叶顶间隙増大而不断发生恶化，并且叶轮的气动效率、转矩和压缩比均会下降。

目前针对稳态工况条件下，天然气管道离心压缩机性能曲线的换算主要是采用3 种相似换算方法，即完全相似、第一类近似相似、第二类近似相似。在实际换算时，要根据现场实际条件与性能试验条件的差异，选择最适合的换算方法。

2.2 瞬态工况下离心压缩机性能特性仿真研究

针对离心压缩机的瞬态运行特性仿真研究，国外学者研究起步较早，研究也取得了比较丰硕的成果。

Whitfield 等人[10]对以往学者的离心压缩机性能预测方法进行了系统的总结分析，发现离心压缩机内部流动情况属于三维非定常流动，天然气流动过程中存在的边界层分离现象，导致不能准确地模拟离心压缩机的性能特性。Greitzer 和Moore 等人[11]从无量纲角度对离心压缩机的质量流量和压力两个状态变量进行了无量纲化，据此来建立离心压缩机的瞬时动态模型。在此基础上，采用三阶函数曲线对所建立的离心压缩机瞬态模型的性能曲线进分析。此外，Botros 等人[12]基于三大守恒定律，即能量守恒、质量守恒和动量守恒，建立了一种瞬态离心压缩机模型，该模型能够描述气体在压缩机内的准稳态流动过程。

在国内学者研究方面，整体上起步要晚于国外，但取得的成果较为丰富。张春梅等人[13]对Moore 和Greitzer 所提出的离心压缩机瞬态模型进行了改进，并就改进后的瞬态模型稳定性进行了分析，得到了该离心压缩机模型非正常工况下运行条件，如旋转失速和喘振等工况条件，并进一步对离心压缩机从稳定工况状态到喘振工况状态的变化过程进行了仿真模拟。慈蕾等人[14]采用数值模拟软件NUMECA 模拟分析了等内径不对称圆形蜗壳的三维黏性特征，研究发现圆形蜗壳内部的气体流动属于复杂的三维不规则旋转向前流动，蜗舌附近的气流扭曲程度要显著大于蜗壳其他部位的分析情况。此外，厉勇等人[15]在离心压缩机性能分析中引入了模糊控制理论，并在建立离心压缩机性能模型过程中利用了Elman 动态递归人工神经网络。孙培艳等人[16]在模糊控制理论的基础上，针对离心压缩机的喘振现象设计了相应的防喘振控制系统，对离心压缩机的防喘振具有较好的效果。

针对天然气管道离心压缩机性能进行分析，实时精确预测生产现场天然气压缩机实际运行性能，对各种工况下的离心压缩机性能进行准确预测，这对于天然气管道的安全高效运行是非常必要的。

3 展望

本文以西南管道公司天然气管道离心压缩机性能特性为切入点，系统分析了国内外学者在上述方面的研究现状。虽然目前在离心压缩机性能分析方面取得了较多成果，但在“碳达峰、碳中和”背景下要求对离心压缩机的性能更加精确地控制，仍需在以下两个方面对其进行深入探索：

（1）加大对离心压缩机性能预测模型的研究，建立适合多工况条件下的性能预测模型，及时掌握离心压缩机的实际运行性能。

（2）深入研究瞬态工况下的离心压缩机性能特征，掌握瞬态工况下的气体流动规律，开发瞬态工况下离心压缩机性能预测软件。