压缩机系统回路中平衡压力的计算研究

郭洲，荆潇

(海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津300451)

在天然气压缩系统中，当压缩机由于某种故障出现关停时，压缩机出口的高压气体会通过回流管线进入压缩机入口，从而使压缩机进出口压力到达平衡。因此，在工程设计当中，基于安全方面的考虑，在确定压缩机入口管路或设备的设计压力时需考虑该平衡压力。目前，相关设计标准和规范并无平衡压力的计算方法，笔者期望通过模型研究分析、找到一种用于计算平衡压力的简单方法，为工程设计提供参考和借鉴。

1 模型研究

一般来说，当压缩机停机时，压缩机出口与进口压力会达到平衡状态，此时的压力即为平衡压力。对于往复式压缩机组，系统组成： 系统进出口关断阀、进口气体洗涤罐、压缩机出口气体冷却器及设备间的连接管路。当压缩机机组出现故障后，整个系统相应的关断泄压流程： 压缩机停机—系统进出口关断阀关闭—回流阀门打开—系统压力平衡—系统通过泄压阀开始泄压。下面先以简单的一级压缩为例来推导平衡压力计算方法。

工艺流程： 天然气首先进入入口洗涤罐进行气液分离，以分离除掉天然气中的液体及固体颗粒等；分离出的气体进入压缩机进行增压；压缩后的气体随后经过出口冷却器进行冷却；冷却后的气体最终达到用户。工艺流程如图1所示，其中入口管系指压缩机入口关断阀与压缩机入口所包括的设备及管线，出口管系指压缩机出口关断阀与压缩机出口所包括的设备及管线。

图1 单级压缩系统流程示意

2 假设及计算方法

2.1 假 设

为了简化研究模型和便于推导平衡压力的计算公式，在压缩机关停时，作如下几点假设：

1) 入口洗涤罐内液位处于正常液位。

2) 气相管线内的液体体积忽略不计。

3) 压缩机内气体的体积不考虑。

4) 在进出口管系气体压力达到平衡压力这段时间内(一般平衡时间很短)，不考虑管线和设备的气体与外界的热损失。

2.2 计算方法

在进出口管系中气体压力到达平衡前后，气体没有损失，整个气相系统的质量守恒，即

(1)

式中：p1——入口压力，MPa；V1——入口管系中气体实际体积之和，m3；T1——入口温度，℃；p2——出口压力，MPa；V2——出口管系中气体实际体积之和，m3；T2——出口温度，℃；ps——平衡压力，MPa；Vs——整个系统气体实际体积之和(V1与V2之和)，m3；Ts——平衡温度，℃。

对理想气体来说，气体的内能与温度成正比，即：

E=nx(i/2)RT

(2)

式中：E——气体内能；n——理想气体的物质的量；R——普适气体常数；T——气体温度；i——常数，单原子分子i取3，双原子分子i取5，三原子分子及以上(适用于天然气)，i取6。

在压缩机进出口压力到达平衡这段时间内，不考虑系统与外界的热损失，平衡前后气体能量守恒，即

n1T1+n2T2=(n1+n2)Ts

(3)

式中：n1——入口管系中气体物质的量之和，mol；n2——出口管系中气体物质的量之和，mol。

根据质量守恒与能量守恒公式，可以得出如下平衡压力计算公式：

(4)

2.3 多级压缩与级间回流系统

针对有多级压缩(两级及以上)、且每级之间均设有回流管线的天然气压缩系统，当压缩机组关停后，压缩机入口、出口以及级间的气相空间会形成连通，其压力最终会达到压力平衡，其平衡压力计算方法与单级压缩系统类似。系统工艺流程如图2所示。

图2 二级压缩系统工艺流程示意

结合对单级压缩系统的分析结果，对多级压缩与有级间回流的压缩系统来说，平衡压力可以通过如下公式计算得出：

(5)

式中：p3——关停前级间压力，MPa；V3——级间气体实际体积之和，m3。

对于多级压缩无级间回流的压缩系统，其研究模型同单级压缩，故其平衡压力计算方法同单级压缩系统。

3 工程实例

平衡压力会影响压缩机入口管线及设备设计压力的确定，如不考虑平衡压力的影响，压缩机入口管线和设备的设计压力选取值有可能偏小，存在一定安全隐患。下面就分别以两个工程设计实例来说明平衡压力对设计压力的影响。

3.1 东海某气田项目(一级压缩)

该项目为油气田，气源为伴生气，初始压力较高为4MPa(A)，需要通过一级增压至9MPa(A)后经天然气脱水系统处理外输。压缩机工艺流程如图1所示。根据管线长度、管径、设备尺寸、厂家资料等信息，入口管系和出口管系压力和气体体积见表1所列。

表1 一级压缩系统相关参数及平衡压力

根据一般工程设计经验，如不考虑平衡压力，入口管路设计压力约为3.35MPa(A)(设计压力选取值高于操作压力0.35MPa)。从表1可以看出，计算出的平衡压力值大于压缩机入口管路操作压力，也大于入口管系设计压力(不考虑平衡压力情况下确定的)，那么入口管线设计压力明显偏低，对安全生产操作会造成不利影响。因此，在确定该项目压缩机入口管系设计压力时，综合考虑了其他多种因素，最终确定入口设计压力为4.5MPa(A)。

3.2 渤海某油田项目(二级压缩)

该项目为油田，伴生气初始压力为0.6MPa(A)，气体首先经一级压缩增压至1.5MPa(A)，随后通过二级增压至3.85MPa(A)，增压后的气体为燃料气系统提供燃料。根据管线长度、管径、设备尺寸、厂家资料等信息，入口管系、出口管系以及级间压力和气体体积见表2所列。

如不考虑平衡压力，入口管路设计压力约为0.95MPa(A)(设计压力选取值高于操作压力0.35MPa(A))。考虑平衡压力后，入口管系系统设计压力为1.5MPa(A)。

表2 二级压缩系统相关参数及平衡压力

4 结论及建议

由于压缩机从关停到压力达到平衡这段时间内，管系中气体不可避免与外界有热交换，这部分损失的热量难以估算，会对平衡压力的计算带来一定影响，因而基于保守考虑，在计算平衡压力时，可以考虑如下建议：

1) 以系统压力关断值(PAHH)作为计算输入数据(包括入口、级间和出口管系)，以此为条件所确定的平衡压力为系统故障时的最大平衡压力，为安全生产操作提供可靠保障。

2) 在评估平衡压力对压缩机入口系统设计的影响时，需要整体考虑，以便能最经济合理确定设计压力。由于平衡压力会影响入口管系系统的设计压力的选择，适当增大入口管系系统气相体积(如加大管线管径、增大入口洗涤罐气相空间)，能减小平衡压力，进而减小设计压力，从而在一定程度上降低工程投资。

参考文献：

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