离心压缩机启机动态仿真与流程优化

杨泽军 朱海山 雷亚飞 静玉晓 杨天宇 崔月红 胡苇玮

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028；2. 中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057； 3. 中国石油勘探开发研究院 北京 100083)

离心压缩机是气田开发的重要设施，该设备投资高、运行能耗大、维修时间长，因此保障离心压缩机安全、稳定运行是气田生产的核心。然而，目前离心压缩机的设计主要基于稳态参数，针对启、停等非稳态工况进行适应性的研究较少，一般通过经验和稳态分析确定关键的非稳态性能(启机可靠性、回流能力等[1-3])。

动态仿真技术可用于展现非稳态工况中离心压缩机组的运行状态，实现对工作点轨迹的瞬态分析，已广泛应用于离心压缩机工况分析中。Patel等[1]综述了各工程阶段中离心压缩机动态仿真的应用案例，证明动态仿真技术可用于优化离心压缩机系统的设计、调试和改造；John等[4]、Hansen等[5]分别使用HYSYS Dynamic开展挪威海油气平台离心压缩机组扩级改造和北海油气平台离心压缩机组的动态研究，在对启停、流量阶跃和段塞流等工况开展动态分析的基础上优化其入口节流、回流和热旁通系统的设计；熊飞[3]使用GASNET对乙烯冷冻离心压缩机的跳闸和启机进行动态解析，利用工作点运行轨迹判断利用冷、热旁通等控制措施避免喘振和阻塞工况的可行性；宋光 等[6]利用Aspen Plus对乙烯裂解气离心压缩机的开车过程进行动态模拟，通过工作点轨迹验证了混合气作为启机气源的可行性。

离心压缩机顺利启机对油气田流程设施的平稳运行、天然气稳定外输和减少事故工况火炬泄放具有重要意义。然而，由于启机实操流程复杂且可供检索数据较少，由实测数据校验的启机动态研究较少，对启机过程的特点和启机回流要求的分析并不深入。本文在对启机过程进行动态模拟分析的基础上，提出了采用防喘振阀开度控制和增设回流回路的方法降低启机流量的启机流程优化方案，可为保障离心压缩机安全稳定运行提供参考。

1 离心压缩机动态模型的搭建

基于某海上平台C338EL单筒多级叶轮离心压缩机组开展动态模拟。平台设置3套离心压缩机系统(2用1备)，额定排量5 089 m3/h，设计进出口压力1 890～6 640 kPaA。目前气田处于产气高峰，外输气量23.32×104Sm3/h，外输压力5 850 kPaA；正常运行时，单台离心压缩机处理气量11.66×104Sm3/h，入口压力3 168 kPaA，出口压力6 137 kPaA，转速约8 560 r/min。

C338EL离心压缩机性能曲线如图1所示。性能曲线可直观地展现离心压缩机中转速、流量和扬程的变化趋势[1,7]，是动态分析的有效工具。图1性能曲线左边界是喘振线，流量低于喘振线可能引发气流波动甚至逆流，造成叶片损坏[8-9]；右边界是石墙线，流量高于石墙线叶轮流道内气速极高(部分通流面会达到音速)，流动摩阻剧增，造成流道阻塞、筒体剧烈振动甚至疲劳损伤[1,3,8]。喘振线和石墙线之间是稳定工作区，离心压缩机动态仿真的目标即是保证工作点在稳定工作区内[1,6,10]。由图1可见，由于气田产气量大、压缩机压比较小，工作点偏向石墙线。

图1 离心压缩机性能曲线

基于现场离心压缩机组，利用HYSYS Dynamic[11-12]搭建离心压缩机动态模型，包括离心压缩机、涤气罐、冷却器等设备，防喘振、转速-功率、液位等控制回路[10]和阀门、配管等附属设施如图2所示。离心压缩机组设备、管线、阀门均按现场实际参数建模，主要参数见表1。

由于启机工况中平台离心压缩机上下游压力基本恒定(为保障启机气量和压力，平台中控将通过调节油嘴开度维持生产分离器的压力稳定；同时海管憋压致使下游压力恒定)，动态模型进出口物流边界选用压力驱动[1,4,6,11]：进口压力3 200 kPaA、气相出口压力6 135 kPaA。

图2 离心压缩机动态模拟示意图

设备直径/m长度/m入口涤气罐2 1003 6出口涤气罐1 5003 1离心压缩机前配管0 35615 0离心压缩机后配管0 35615 0防喘振阀0 102-

注：防喘振阀流通能力150。

2 启机动态模拟分析

参考现场启机流程[13]开展离心压缩机启机的动态模拟，并与现场实测数据对比分析。现场启机采用如下流程：

1) 离心压缩机盘车，阀门测试，吹扫充压；

2) 驱动器点火，离心压缩机转速迅速拉升并稳定于50% NPT(离心压缩机透平端转速比)；

3) 转速手动提升至目标转速71.3% NPT；

4) 离心压缩机加载，关闭防喘振阀以减少回流量(以上游天然气替代)，直至正常生产。

根据实操流程，简化了盘车、测试等不影响工艺参数的辅助流程，同时为规避人为控制造成的参数波动，采用分段线性逼近的方式模拟离心压缩机转速和防喘振阀开度的变化。基于此，在HYSYS工况控制平台Event Schedule中进行启机编程，通过控制离心压缩机转速和阀门开度实现对启机过程的动态模拟，提取压力、流量的变化趋势展现离心压缩机的启机过程，并由工作点运行轨迹判断启机过程的稳定性。转速和阀开度的模拟值与实测值对比如图3所示。

图3 离心压缩机转速和防喘振阀开度对比

离心压缩机入口流量、入口压力和出口压力的模拟值与实测值对比如图4所示。由图4可知，入、出口压力和入口流量在启机过程中的变化趋势基本一致，验证了HYSYS离心压缩机动态模型及模拟方法的可靠性。同时，基于动态仿真结果对启机进行过程分析，可划分为体系充压、启动、提速和加载等4个阶段。

1) 充压。启机前离心压缩机系统接近常压，加载阀开启后天然气充入离心压缩机筒体、涤气罐、冷却器和附属管线，入、出口压力同步提高至接近上游压力，等待点火启动。此过程离心压缩机入口存在充压流量，如图4(600 s前)所示，最高可以达到4 900 Sm3/h。

图4 离心压缩机入口流量、入口压力和出口压力的模拟值

2) 启动。为了快速越过临界转速区，驱动器点火后离心压缩机转速必须迅速拉升到50%NPT(6000r/min)。随转速提高，离心压缩机吸入更多天然气并增加对外输出功，因此入口流量和出口压力升高、入口压力微降，达到怠机转速后离心压缩机恒定转速运行，压力、流量逐渐稳定。

3) 提速。离心压缩机进一步提高NPT到目标转速，提速过程中入口流量和出口压力继续升高，入口压力降低。现场启机中，为尽可能远离喘振区，防喘振阀在充压、启动、怠机和提速阶段通常保持全开，因此离心压缩机入口大部分是回流流量，上游来气量(即离心压缩机体系入口流量)很少：高峰入口流量133 700 Sm3/h，此时回流量129 100 Sm3/h，上游来气仅4 600 Sm3/h。启机过程离心压缩机入口流量、体系入口流量和回流量趋势如图5所示。

图5 离心压缩机启机流量趋势

4) 加载。达到目标转速71.3 %NPT(8 560 r/min)后离心压缩机进行加载：即由平台动力人员根据现场实时状况逐步关闭防喘振阀[2,13-14](约每秒钟0.196 %)，在保证上游流量及时补充(生产分离器压力稳定)的条件下稳步减少回流量。在流量更替中，入口总流量先下降而后趋于稳定，入口压力在波动中下降、最终稳定；同时，流量降低使离心压缩机能够提供更高扬程，出口压力升高超过海管压力，冲开出口单向阀开始外输。

由启机过程工作点轨迹(图6)可知，由于各阶段功能不同，工作点轨迹存在明显区别：启动、怠速是启机准备阶段，此时离心压缩机流量虽大幅提高、扬程增量却较小，类似空载运行；提速中流量和扬程均有大幅提高；加载阶段中上游流量替换回流流量，总流量逐步降低到稳定工作点附近，在设计中需重点关注防喘振阀的控制性能，保证其逐步关闭的能力。

图6 离心压缩机启机工作点轨迹

3 启机流程优化

通过分析启机过程工作点轨迹可知，启机过程中离心压缩机入口流量较高，工作点已越过石墙线进入阻塞区。究其原因，在此离心压缩机设计阶段，为满足紧急关停工况中的气体回流量，防喘振阀选型相对较大，忽略了其对启机过程的影响，由此产生启机回流量超高的现象，导致现场启机存在严重的摩阻损耗、筒体振动以及机械损伤的风险，因此须限制启机过程的回流能力。

基于此，提出新增流通能力较小的启机调节回路(方案A)和通过开度控制降低防喘振阀流通能力(方案B)2套优化方案来限制启机回流量，并根据实际处理气量、进出口压比开展启机回流能力的动态研究。经模拟分析，启机前期防喘振阀开度控制在73%或增设阀门流量系数为110的流量调节回路时，启机过程较为平稳、回流量较小。回流能力研究中离心压缩机转速参考现场实操流程，方案A、B的防喘振阀开度、启机流量趋势如图7、8所示，工作点轨迹见图9所示。

图7 离心压缩机转速和防喘振阀开度趋势

图8 离心压缩机启动流量趋势(方案A和方案B)

图9 离心压缩机优化启机工作点轨迹(方案A和方案B)

由图9可知，优化后的启机过程中流量趋势和工作点轨迹与现场启机过程基本一致，均包括充压、启动、提速和加载阶段，但其加载阶段的高峰流量和流量波动明显减小，A、B方案主要阶段的流量见表2。由表2分析可知，2套启机优化方案均可有效解决启机回流量高的问题，使工作点一直处于稳定工作区内，避免了摩阻损耗高和离心压缩机振动的问题，降低了启机风险，使启机过程更稳定。综合对比2套启机优化方案，考虑到离心压缩机改造较为复杂，推荐通过开度控制的方法解决防喘振阀选型过大、工作点进入阻塞区的现场问题，启机过程防喘振阀开度控制在73%以下即可满足本机组工作点处于稳定工作区内的离心压缩机运行要求。

表2 离心压缩机优化后启机过程流量对比(方案A和方案B)

4 结论与建议

1) 基于现场离心压缩机组性能参数和实操流程模拟现场启机过程，模拟流量、压力等工艺参数与现场实测数据基本一致，验证了利用HYSYS开展离心压缩机动态模拟的准确性。

2) 离心压缩机启机包括体系充压、点火启动、提速和加载等4个阶段，其中提速是流量和扬程提高的主要阶段、加载是进行流量替换的阶段，设计中需重点关注防喘振阀的开度控制性能。

3) 针对启机工作点进入阻塞区的现场实际问题提出了采用防喘振阀开度控制和增设回流回路方法降低启机流量的启机流程优化方案，并根据启机回流能力的动态研究结果，推荐海上平台C338EL机组采用防喘振阀开度控制优化方案(73%开度)解决启机回流量过高的问题；同时，建议在前期设计中充分分析防喘振阀流通能力对启机过程的影响，依据动态分析结果提出可靠的防喘振阀组选型方案，规避启机前期回流量过高的工况。

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