海上平台天然气压缩机串联运行防喘振改造

2016-04-13 03:02:33高彦平
石油工程建设 2016年6期
关键词:执行器串联阀门

高彦平

中海石油(中国)有限公司崖城作业公司,广东深圳 518067

海上平台天然气压缩机串联运行防喘振改造

高彦平

中海石油(中国)有限公司崖城作业公司,广东深圳 518067

海上气田开发后期,为进一步挖掘气藏潜能,需要串联运行天然气压缩机以降低井口压力。为配套串联运行改造需要升级天然气压缩机转子,但升级改造后原6 in防喘振阀不能满足压缩机转子升级后的防喘振功能,而将8 in回流阀改造为既具有回流控制功能又具有防喘振控制功能后可解决上述问题。经过实际测试证明,8 in回流阀改造后满足了压缩机转子升级后的防喘振控制要求。介绍了压缩机防喘振控制、回流控制、防喘振总体改造方案、回流阀执行器的改造、改造方案的实施效果等内容。

天然气压缩机;串联运行;防喘振阀;回流阀;改造;海上平台

在气田开发后期,为进一步降低井口压力,将原设计为一备一用或并联运行的天然气压缩机改造为串联运行。进一步降压生产的主要瓶颈是天然气压缩机在低压情况下流量通道太小,无法满足流量要求,也不适应于串联运行。改造方案为将前级天然气压缩机转子[1]由D12R5S改为新型大流量通道D12R5S,将后级湿气压缩机转子由D12R5S改为D12R6S,2台压缩机串联运行。但是这样改造后产生了新的问题,压缩机转子由D12R5S改为新型大流量通道D12R5S和由D12R5S改为D12R6S后,原有6 in(1 in=25.4 mm)的防喘振阀不能满足大流量通道压缩机的防喘振要求,厂家建议更换原有6 in防喘振阀为8 in防喘振阀。但是这种阀门从设计到采购、安装、调试是一个漫长的过程,远不能满足整个降压生产项目时间、费用等的要求。因此改造原有8 in防喘振阀为既具有回流控制功能又具有防喘振控制功能的回流阀,是有效解决前述问题的途径。

1 压缩机防喘振控制

1.1 喘振

当压缩机的压缩比增大时,如果压缩机的流量减少,就很容易发生气体流动不稳定,甚至出现完全回流的现象,即为喘振。喘振对压缩机性能产生很大的破坏,防喘振控制的目的就是让压缩机远离喘振点工作,避免喘振发生[2]。从离心压缩机的特性可以知道,提升转速或加大通过压缩机的气体流量可以避免喘振。一般采取气体放空或回流的方法来增加通过压缩机的气体流量,以保证压缩机的运行点不落入喘振区。图1为天然气压缩机的防喘振控制流程,压缩机的入口、出口压力调节器、流量调节器将各自测得的压力值、流量值与事先给定的允许值作比较,如果流量低于给定值或压力高于给定值,两个调节器将分别发出控制信号,经选择调节器选择后,产生使防喘振阀门自动打开的动作[3],从而达到增加流量,防止喘振的目的。在压缩机出口设有放空阀,当压缩机出口压力异常升高时,可通过排空阀将压力降低。

图1 天然气压缩机防喘振控制流程示意

1.2 喘振极限

不同运行状态下的压缩机需要不同的最小流量[4]来防止喘振。压缩比越大,所需要的最小流量就越大。例如在入口压力都是1 015 psi(1 psi=6.896 kPa)时,当压缩机出口压力为1 800 psi所需要的最小流量是200 MMSCFD(1 MMSCFD=106ft3/d,1 ft3= 0.028 316 8 m3),但当出口压力上升到2 000 psi时,所需要的最小流量为230 MMSCF。为了避免发生喘振,必须保证压缩机的气体流量大于其所需要的最小流量,这就是喘振极限(Surge Margin):喘振极限=(实际流量-最小流量)×100%/最小流量。

2 压缩机回流控制

2.1 压缩机负载

压缩机负载(Load Set)表示的是有多少天然气需要被压缩,由压缩机进口压力控制器(Pressure Controller)[5]的模拟输出信号(4~20 mA)表示。如果压缩机的入口压力在一定时间内不断上升,那么压力控制器的输出将会增大,说明压缩机负载增大。此时压缩机必须加速,因而压缩机驱动端速度控制加速,让压缩机压缩更多的气体[6]。

2.2 回流阀

回流阀(Recycle Valve) 控制压缩机的流量,同时保证压缩机处于喘振极限外运行[7]。当压缩机负载等于或小于10.4 mA时,也就是进口压力控制器输出小于40%时,回流阀就会参与控制,通过控制流经压缩机的流量来满足喘振极限的要求。在流程上,防喘振阀和回流阀并行,防喘振阀开关的动作比回流阀快。只有当喘振极限降低到一定值时(10%),防喘振阀才会迅速打开,保证压缩机有足够的流量,以避免真正的喘振发生。

3 防喘振总体改造方案

3.1 压缩机回流阀和防喘振阀的改造要求

阀门流通能力用 Cv值来衡量,Cv值是流量系数。现有的压缩机回流管路流量调节阀(D-FV-2707/D-FV-2807)的Cv值为721,防喘振阀 (D-ASV-2708/D-ASV-2808) 的 Cv值为319。天然气压缩机转子升级后,压缩机厂家要求串联运行时前一级压缩机(D-K-2701)的防喘振阀Cv值处于 1 060~1 200之间,第二级压缩机(D-K-2801)的防喘振阀Cv值处于510~625之间。现有的防喘振阀(D-ASV-2708/D-ASV-2808)不能满足改造后压缩机的要求。

3.2 回流阀和防喘振阀的改造方案

在确定了原压缩机防喘振阀不能满足压缩机转子升级后压缩机防喘振功能的要求后,有以下两种改造方案可供选择:

方案1:采购8 in防喘振整阀(带执行器)并改造6 in的管道。

方案2:改造8 in的原回流阀。

从两种改造方案的费用分析(见表1),确定采用方案2。

表1 方案费用(人民币)

4 回流阀执行器的改造

4.1 原回流阀执行器

原回流阀阀体为费舍尔EHT型8 in旋塞阀,执行器为费舍尔双作用蘑菇头执行机构,配备智能阀门定位器,见图2。

4.2 改造后回流阀执行器

图2 改造后回流阀执行器(虚线框短路连接即为原执行器)

如图2所示,在原回流阀执行器的基础上新增了电磁阀和快排阀。在天然气压缩机正常工作的情况下电磁阀带电,阀门工作在正常回流阀控制状态,一旦工况达到防喘振控制工况,电磁阀即刻断电,快排阀迅速排掉执行器蘑菇头上腔室仪表气压,使得阀门全开,从而实现了防喘振功能。

4.3 回流阀执行器性能测试及测试方法

压缩机防喘振阀的主要性能指标是快开时间[8],即阀门在任何开度时,防喘振电磁阀断电,阀门执行器气缸失气,阀门到达全开位置时所需的时间。厂家要求的回流阀改造后快开时间为2 s。采用表2三种测试方法进行测试,测试方法1、2均未能满足测试精度要求,采用方法3进行测试获得了满意的测试精度。测试结果为:回流阀从全关位置到全开位置平均用时为1.62 s,从全关位置到开度63%平均用时为0.96 s。

表2 回流阀执行器性能的测试方法

5 改造方案的实施效果

天然气压缩机回流阀改造的实施效果明显,在保持回流阀原工作性能不变的前提下,增加了防喘振功能,节省了施工费用,促进了整个降压生产项目的按时投产。整个项目顺利投产后,两台天然气压缩机串联运行平稳,回流阀控制正常。

6 结束语

天然气压缩机控制系统涉及面广,有透平转速控制,透平燃烧室温度控制,压缩机转速控制,防喘振控制和生产流程入口、出口压力控制[9]。此次回流阀改造涉及防喘振控制和入口、出口压力控制,是整个压缩机控制系统的核心。改造最终得到了厂家的认可,现场功能测试满足要求,经济效益显著。

[1]李广群,孙立刚,毛平平,等.天然气长输管道压缩机站设计新技术[J].油气储运,2012,31(12):884-886.

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[4]李方涛,李书臣,苏成利,等.离心式压缩机防喘振控制及故障诊断系统研究与应用 [J].化工自动化及仪表,2011,38(5):589-592.

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[7]黄志江.天然气压缩机振动故障及应对措施研究[J].中国石油和化工标准与质量,2012(9):92-92.

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Anti-surge Reconstruction ofNaturalGas Compressors Working in Series on Offshore OilPlatform

GAO Yanping
CNOOC Yacheng Operation Company,Shenzhen 518067,China

In order to further explore the potentialof gas reservoirs in the later phase development of offshore gas field,the natural gas compressors need to be connected in series to reduce the wellhead pressure.The rotor of the natural gas compressor needs to be upgraded.But after the natural gas compressor rotor is upgraded,the original 6 inch anti-surge valve cannot satisfy anti-surge control requirement.Therefore 8 inch recycle valve reconstruction not only possesses existing backflow control function,but also anti-surge control functions,thus solves the problem.The performance test shows that the reconstructed 8 inch recycle valve meets the requirement of anti-surge controlof the upgraded compressor rotor.

naturalgas compressor;working in series;anti-surge valve;recycle valve;reconstruction;offshore platform

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.017

高彦平(1979-),男,甘肃天水人,工程师,2005年毕业于西安石油大学自动化专业,从事海洋石油油气田陆岸终端处理厂设备管理工作。Email:edwin.gao@cnooc.com.cn

2016-06-27

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