BOG工艺参数波动对往复压缩机脉动模拟影响分析

2023-09-13刘洪佳曾兆强季龙庆

压缩机技术 2023年3期

程强，刘洪佳，曾兆强，季龙庆

(中海油石化工程有限公司，山东济南 250000)

1 引言

LNG接收站内由于装卸、运输过程中不可以避免的与外界进行热交换会产生大量的BOG，往复式压缩机是LNG接收站BOG回收利用的关键设备。随着季节、负荷的不同，BOG温度、压力会产生较大的变化，不同地域LNG接收站其压缩机入口温度也不同[1]。温度压力的变化对压缩机压力脉动分析会有较大的影响，介质的工艺参数波动范围大，其相应的特性范围变化大，声速也会在较大的范围内变化，从而导致管道系统的气柱固有频率也会发生相应的变化，这也对往复式压缩机压力脉动的分析控制造成了很大的困难。本文主要利用脉动分析软件Bentley PULS研究了温度压力对声速的影响，然后采用压缩机恒定转速，一定的温度梯度和压缩机的不同转速两种方法分别考虑了工艺参数波动对压力脉动模拟的影响，并比较了两者的优缺点。

2 BOG工艺参数波动对声速影响分析

假设气体为理想气体，为可逆绝热过程，静止气体的声速为[2]

c2=kgRT

(1)

式中k——绝热指数

G——重力加速度

R——气体常数

T——绝对温度

气体声速主要受到气体种类、绝热指数、温度等影响，在同气体组分下，声速实际是受温度和压力决定的。

(2)

式中λ——波长

激发频率f是由压缩机转速决定的。对确定的管系来说，其共振管长主要受声速影响。

例如某项目中BOG按体积组分主要有N2(2.97%)、CH4(97.01%)、C2H6(0.02%)，给出的工况如表1所示，其中工况2为标准工况，工况1和工况3为极限工况。

压缩机厂商进行压缩机设计计算的时候，也是不仅要考虑标准工况，还要复核极限工况，在压力脉动分析中也同样需要考虑。文中主要采用Bentley PULS中软件计算的声速，分别对BOG压力、温度变化范围内进行声速的敏感性分析。

其中温度变化以标准工况下的压力0.111 MPa保持不变，按照极限温度从-150 ℃到-100 ℃计算声速，如图1所示；压力变化是保持标准工况下下-124 ℃温度不变，压力从0.106 MPa到0.123 MPa进行变化计算声速，如图2所示。

图1 温度对声速的影响

图2 压力对声速的影响

从图1可以看出，随着温度的升高，声速也相应提高，在-150 ℃到-100 ℃温度变化范围内，声速从283.3 m/s增加到339.8 m/s，变化较大，基本成线性关系。以工况2为基准，在BOG温度变化范围内，声速的变化率为-9.85%到8.12%。从图2可以看出，随着压力的升高，声速也随之降低，但在压力的变化范围内，声速仅在313.9 m/s到314.4狭小范围内变化，以工况2为基准，在BOG压力变化范围内，声速的变化率仅为0.054%到-0.11%。由图1与2对比可以看出，声速在压力变化的范围内基本没有变化，对确定的管系脉动分析来说主要受温度变化影响较大。

3 BOG工艺参数波动对压力脉动模拟分析

考虑BOG工艺参数波动对压力脉动模拟影响，主要有两种方法。一种是压力波动不大，温度变化较大的，可以将温度按照一定的梯度，在压缩机恒定转速下分别进行脉动分析。主要是根据本文第2章节得到在BOG压力变化范围内，实际压力对脉动模拟的影响很小，工程设计中可以通过加余量的方式考虑这小的变化。另外一种在标准工况下，考虑压缩机不同的转速范围进行脉动分析，这也是API688提到的方法，来保证分析的保守性[3，4]。

3.1 恒定转速不同温度下脉动模拟分析

本部分主要以标准工况-124 ℃为基准，以2 ℃为梯度，压力保持0.111 MPa不变，分析-100 ℃到-150 ℃温度变化对脉动模拟的影响。为更好的研究温度对脉动模拟特性规律，本文选取较简单的单作用压缩机进行分析，压缩机保持恒定转速372 r/min，边界条件以及节点如图3所示。

图3 往复压缩机节点以及边界条件

在标准工况下，由于是单作用压缩机，压缩机入口可以看做是闭端，管道末端为开端，其主要激发频率为1阶、3阶、5阶，其特性规律如图4～6所示：

图4 1阶激发频率随节点变化超API618脉动准则比率

图5 3阶激发频率随节点变化超API618脉动准则比率

图6 5阶激发频率随节点变化超API618脉动准则比率

根据图4～6可以看出，1阶激发的是1/4波长，3阶激发3/4波长，5阶激发的是5/4波长，随着激发频率阶数的增大，超API618脉动准则的比率迅速减小，从超过准则比率约2.5降低到0.12，因此需要重点关注1阶激发频率压力脉动。根据边界条件，压缩机管口位置1可以看成闭端，是脉动最大的位置，在不同温度下最大压力脉动如图7所示。

图7 1阶激发频率在不同温度下节点1处脉动值

由图7可以看出，其最大点出现在-134 ℃下，说明在此温度下，管系的气柱固有频率与压缩机的激发频率基本处于共振状态，压力脉动达到最大值，并随着两侧温度外延迅速的减小。实际脉动分析设计中需要进一步采取措施，改变管道长度或者增加缓冲罐体积、或者增加脉动抑制装置来消减脉动。

采用恒定转速、不同温度下脉动模拟分析，可以得到每一个温度工况下详细的压力脉动情况，根据导出的激振力进行振动分析也较好的符合现场运行的工况，但是按照2 ℃的温度梯度需要做25次分析，耗时较多，如果要做的更加精准，需要划分更小的温度梯度，耗时更多。

3.2 调整压缩机转速脉动模拟分析

本文第2章节管系的气柱固有频率变化实际是与声速变化相关的也是在-9.85%到8.12%范围内，调整压缩机的转速也是按照声速的变化率9.85%，另外考虑压力变化、或管道长度准确性造成的影响，压缩机的转速范围考虑为，实际为298～446 r/min，通过本文第3.1节得到的出现最大的脉动的温度为-134 ℃，与调整压缩机的转速得到的最大脉动进行比较，如图8所示，两者几乎重合，因此采用不同的压缩机转速可以很好的识别出不同温度下的最大脉动。与本文第3.1节不同的是，采用不同转速方法最大脉动点是在387 r/min得到的，这虽然与实际情况不相符，但只需要计算一次就可以得到，耗时较少，对脉动分析设计来说，与不同温度下可以达到相同的效果，这也是API688所推荐的做法。