离心压缩机进气直管段探讨

刘顺剑 洪进门 王小强 陈东丽

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041；

2.中国石油西南油气田公司重庆天然气净化总厂，重庆 401220

0 前言

生产过程中压缩机能否正常运行主要受到进气压力、温度、气体组分和性质、轴功率、喘振点、流量等因素的影响［1-2］。 其中压缩机进气直管段（以下简称直管段）长度也是影响压缩机运行的因素之一。 目前，在工程设计中普遍采用API 标准要求［3］，即直管段长度一般要求不少于5 倍直径长度（即5DN），但根据现场实际情况对压缩机布置和配管时，并非都能保证直管段长度达到API 要求。 因此，如何在有限的压缩机房空间中尽量降低压缩机直管段必需长度成为设计中需考虑的问题。 现以某冷剂压缩机进气直管段长度的确定为基础进行讨论。

相关资料显示压缩机直管段的长度主要有以下几个因素：一是直管段前附近管件、阀门及数量；二是压缩机进气介质温度及流速；三是压缩机进气介质的平均分子量等［4］。

1 问题的提出

此冷剂压缩机为两级压缩，一级进气局部配管情况见图1，进气管径为DN600，设计采用一个长半径弯头外接同心大小头变径为DN500 后与压缩机入口法兰相连，无直管段。 二级进气局部配管情况见图2，进气管径为DN400，同样采用两个垂直长半径弯头变径为DN300 后与压缩机二级入口法兰连接，无直管段。

图1 压缩机一级进口配管示意图

图2 压缩机二级进口配管示意图

依据ASME 标准，直管段最低要求必须达到3DN即一级入口须达到1.5 m，二级入口需达到1.2 m 才能保证压缩机的正常运行，现场压缩机房中设计进气水平管上约600 mm 即为航车， 即使增加垂直短节长度（不能超过航车）也不能达到ASME 标准要求。 相关参数见表1。

表1 压缩机进气参数

2 解决方案

2.1 关于ASME 标准

ASME 标准要求弯头和压缩机进口之间直管段不得小于3 倍公称直径［5］，是基于q/p1≥0.01，其中q/p1由以下关系得出：

式中：q 为压缩机入口动压力，Pa；p1为入口静压力，Pa；V 为入口速度，m/s； R 为气体常数，8.314 510； T为入口蓝氏温度，T=1.8×（摄氏温度+273.15）；Z 为入口压缩因子；g 为重力加速度，m/s2。

在本工程中，依据以上设计参数，推算出一级进口q/p1=0.003，不属于ASME 标准中的通用要求，如果仍然遵循ASME 标准将过于保守和没有必要。 二级进口q/p1=0.027>0.01 但无法达到ASME 的通用要求。根据ASME 标准进行的实验测试结果，不同q/p1值对直管段的要求大致存在表2 所示对应关系，根据这种对应关系可以认为直管段不论是采用3DN 还是5DN都是模糊性的要求，针对不同情况必需的直管段需要严格计算和分析。

根据不同q/p1下对应直管段要求并结合上述q/p1公式绘出如图3 所示只有一个弯头情况下压缩机进气直管段、 气体速度以及分子量之间局部关系图表［6］。

表2 不同q/p1对应直管段要求

式中：V2为修正流速，m/s；V 为压缩机实际进口速度，m/s； T 为实际压缩机进口蓝氏温度，T=1.8×（摄氏温度+273.15）。

图3 直管段关联图

2.2 压缩机一级进口调整方案

由于压缩机一级进口弯头之前的直管段为8 m，根据流量计实验要求第一个弯头在被不少于10DN 的管段分开时产生的扰动在到达第二个管件之前吸收［7］。 因此本工程中可以认为气体在进入弯头之前流体几乎是等截面布置的。 根据以上分析，由于一级进口只采用一个长半径弯头符合上述关系图要求，将本工程相关参数折合为50 F 温度基准情况下并结合图3，得出压缩机一级进口实际所需直管段长度为0.9 m。

综合现场实际情况，将压缩机一级进口同心大小头调整为水平管段的偏心大小头， 并上提水平管段200 mm，入口直管段长度变为0.9 m，达到压缩机所需直管段要求。

2.3 压缩机二级进口调整方案

根据孔板流量计对直管段的要求，管件和直管段之间存在表3 所示的理论当量长度。

表3 流量计中管件及其当量长度

根据以上分析以一个长半径弯头为基础，对其他管道结构进行修正得到表格右边所示修正值。 结合本工程实际情况压缩机二级进口属于处于不同平面的两个长半径弯头情况。 因此可以认为压缩机二级进口所需要的直管段长度是只有一个长半径弯头情况的1.75 倍。 但考虑到生产实际运行时第一个长半径弯头之前还可能存在涡流等情况。 所以将直管段倍数适当提高到2 倍要求。 结合图3 分析得出为满足压缩机对二级进口直管段的要求， 并在保证航车安全的情况下， 提升现有水平管段高度约300 mm 达到压缩机所需直管段要求。

3 结论

某冷剂压缩机直管段经过上述调整之后，在开车及生产运行时均达到设计工况要求。 通过上述分析并结合现场实际情况得出以下结论：

a） 压缩机直管段的具体长度由介质本身物理性质和运行的管径等客观环境共同决定。

b） 在工程设计中如果压缩机直管段不能达到ASME 标准的最低要求即3DN 情况下，可采用上述分析手段确定直管段的最低需求。

c）根据现场压缩机开启过程情况来看，压缩机直管段虽不会对压缩机运行起到决定性作用，但对压缩机的运行影响不可忽略。

d）压缩机直管段前管段走向越简单，阀门管件等越少对直管段的要求越低。 因此为了避免介质在管道中流相复杂而增加对直管段长度的需求，建议在对压缩机工艺配管时尽量采用简单的进气方式，避免不必要的停车。

［1］ 彭 晖，宁永乔，李开烈，等. 合成气压缩机防喘振控制系统故障分析及处理［J］. 天然气与石油，2007，25（1）：52-54.

［2］ 胡建洲. 大型离心式压缩机试车工作总结［J］. 天然气与石油，2010，28（5）：45-54.

［3］API617，石油、化学和气体工业用离心式压缩机［S］.

［4］ Hanlon P C. Compressor Handbook［M］. 北京：中国石化出版社，2003.135-160.

［5］ASME PTC10-1965，能耗测试手册［S］.

［6］ Hackel R A，King F J.Centrifugal Compressor Inlet Piping ［J］.Compressed Air And Gas Institute，1997，4（2）：2-7.

［7］SYT 6143-2004，用标准孔板流量计测量天然气流量［S］.