不同调控方式下宽工况压缩机适应性分析

曹颜玉，龙瑶妹，赵刚，温洪波，高秀峰，蔡柳溪，王旭岑，李云

（1. 海洋石油工程股份有限公司特种设备分公司，天津 300000；2. 西安交通大学，西安 710049；3. 中海石油（中国）有限公司海南分公司，海口 570100）

往复压缩机是海上平台油气开采与运输环节必不可少的设备。由于海上平台工况复杂且随着年份的推移气量、出口压力等参数变化幅度大，往往单一流量调控技术不能满足要求，需要设计合适的气量调控方案调节压缩机气量。不同调控方案下压缩机动力性能、气阀性能以及振动和脉动情况等会发生改变，对压缩机运行的稳定性及安全性有不同程度的影响。因此，宽工况压缩机在调控方案下的适应性分析是十分必要的。

目前，压缩机气量调节方法发展较为成熟，李金波对四种常用流量调节方式的原理进行了介绍，并比较了各调节方式的特点及适用范围[1]。为研究流量调节方式对压缩机性能的影响，李颖从热力学、运动学和动力学三个方面分析了变工况往复压缩机采用顶开吸气阀调节时的稳定性[2]；许群通过分析顶开吸气阀调节对压缩机动力学性能的影响，对气量调节装置进行优化设计[3]。兰洪强等人则研究了往复压缩机在变转速调节下的适应性[4]。已有相关研究均为某一种气量调节方式对压缩机性能的影响的研究，其研究方法可为本研究提供指导[5-9]。

本文以某海洋平台用宽工况压缩机为例，基于压缩机的动力分析和气阀运动仿真等，分析该压缩机在典型工况下的调控策略对压缩机的动力性能、气阀特性以及反向角变化的影响，获得宽工况压缩机调控方案的适应性，为调节方案的设计提供理论支持，保证宽工况下压缩机的高效安全运行。

1 压缩机主要工况参数及调控方案

某海洋平台闪蒸气压缩机为两级四列对称平衡性往复压缩机，每一级压缩机都有两列，每一列压缩机有两个工作腔，分别为盖侧工作腔和轴侧工作腔，结构如图1 所示。

图1 某海洋平台两级四列对动式往复压缩机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of a reciprocating compressor on an offshore platform

根据海洋平台设计投产的情况，该压缩机工作的工况在不同的年份变化较大。为了更有针对性地研究往复式压缩机在宽工况下的适应性，分析生产工艺在不同年份的特点，最终选择5 个工况点进行研究，分别是压缩机的额定设计能力、油气产量最高的2020 年、湿气压缩系统投产的2027 年、有最大加热及冷却负荷的2032 年以及产水量最高的2041 年。通过工艺分析与热力分析，得到5 种工况下压缩机体积流量、进出口压力、温度以及功耗的变化，如表1～4所示。

表1 典型工况下各级压缩机进出口流量Table 1 Compressor inlet and outlet flows at all levels under typical operating conditions

由表1～3 可知，该海洋平台压缩系统所处理气体的体积流量、压力、温度均随年份变化，其中表1 中压缩机进气流量逐年减少且降幅较大。表2 中，2027 年压力开始降低，其变化主要与油气运输管线的需求侧、开采的原料气压力以及生产平台后续工艺有关，需要下一段工艺进行保证压缩机系统背压。此外，四个典型年份的排气温度都比实际设计的最大承受排气温度要低，说明排气温度对于压缩机系统是可靠的。表4 则说明不同工况下流量变化对压缩机功耗影响较大，2020 年功耗是2041 年功耗的23.2 倍，如果不进行调控，这对电机系统的可靠性会带来了极大的挑战。

表2 典型工况下各级压缩机进出口压力Table 2 Compressor inlet and outlet pressures at all levels under typical operating conditions

表3 典型工况下各级压缩机进出口温度Table 3 Compressor inlet and outlet temperatures at all levels under typical operating conditions

表4 典型工况下各级压缩机功耗及总功耗Table 4 Power consumption at all levels and total power consumption of compressors under typical operating conditions

由于流量变化率最大可达95.08%。因此，仅采用一种气量调节方法难以满足调控要求。为了满足调控要求，并具有较好的经济性，拟采取减少压缩机工作气缸数量、余隙容积调节以及降低电机转速调节或排气旁通调节等联合使用的调控方案，以满足工况要求。其中，2020 年流量变化相对较小，采用余隙容积调节的方式调节压缩机盖侧余隙即可满足要求；2027 年则在采用余隙容积调节的基础上，使用第一级、第二级压缩机的一个工作腔工作进行流量调节；2032 年的流量有一个更大幅度的降低，针对本年份工况，给出A、B 两种调节方案，A 方案则是在2027 年调节方法的基础上增加了排气旁通调节，B 方案则是增加转速调节；2041 年采用的调节方法与2032 年A 方案中采用的调节方法一样。在满足经济性较好的条件下，通过分析计算得到满足压缩机流量变化的具体的调控方案如表5 所示。

表5 典型工况下压缩机流量调节方案Table 5 Compressor flow regulation scheme under typical operating conditions

2 宽工况压缩机调控的适应性分析

首先建立压缩机的动力学模型，利用Matlab 等软件对典型工况调控状态下的压缩机进行动力学分析并获得反向角，并根据计算结果分析压缩机的动力性能以及反向角的变化带来的影响。此外，还建立了气阀运动仿真模型，对含有转速调节的气阀阀片运动进行分析，获得不同工况下压缩机在调控状态下的可靠性与适应性。

2.1 压缩机动力性能适应性分析

往复压缩机的传动机构是压缩机运转中的关键机构，传动零部件是压缩机产生故障的主要部位[10]。针对该压缩机采用多种方法联合调节气量，有必要了解不同年份下调节策略对压缩机动力性能产生的影响。利用动力学计算，重点分析了各年份调节工况下压缩机的综合活塞力。由于自2027 年始每一级压缩机只有一个盖侧工作腔工作，其他工作腔不工作，气体力为零。2032 年B 调控策略新增了转速调节，往复惯性力随转速降低而减小。因此，无工作气缸一列压缩机的综合活塞力在各工况下减小或不变，各零部件发生故障的概率较小。故主要对有盖侧工作腔的一列压缩机进行综合活塞力分析，计算结果如图2、图3。

图3 各年份调节工况下第二级有盖侧工作腔工作一列压缩机的综合活塞力Fig. 3 The comprehensive piston force of a row of compressors working in the second stage with a cover side working chamber under the adjustment conditions of each year

由于2020 年压缩机仅采用盖侧余隙容积调节即可满足气量变化，在该调控方式下，压缩机平衡性较好，能够保持良好的动力性能。2027 年使用改变工作腔数量及余隙容积相结合的方法、2032 年A 调节方案以及2041 年调节方案在2027 年的基础上增加了排气旁通调节。根据图2、图3 可知，此三种调控策略下压缩机综合活塞力相比于2020 年均有所降低，且变化趋势更为平缓，主要原因是自2027 年开始增加了改变工作腔数目的流量调节方法，此种情况下各级压缩机的排气压力降低，压缩机气体力减小，而惯性力变化不大，综合活塞力的大小由惯性力主导。其中，2032 年A 方案、2041 年所采用的排气旁通调节虽然对压缩机的动力性能几乎没有影响，但排气旁通调节会改变管道内的流量配比，进而改变局部气流脉动的条件，可能会引起管道振动[11]。另外，2032 年B 调节方案相比2027 年新增了转速调节，将转速降低至原转速的46.18%，使往复惯性力减小，使此工况下的综合活塞力最小，且变化趋势最为平缓。鉴于2027 年、2032 年和2041 年的综合活塞力相对2020 年投产工况均为降低，活塞杆、曲轴、轴承等零部件损坏的概率变小，不会对压缩机可靠性造成不良的影 响。

此压缩机为对动平衡型结构，相对列压缩机的往复惯性力均能够得到平衡。图4 为各年份下压缩机的切向力与平均切向力变化，压缩机的瞬时切向力变化不大，平均切向力较小，飞轮矩能够保证运转均匀性。此外，2032 年B 方案中变转速调节导致压缩机吸排气频率改变，管内气流脉动的激振频率随之改变，如果该频率与管道系统的某阶固有频率接近，很可能会引发共振[11]。采用此调节方案时，需关注此问题，避免产生共振。

2.2 压缩机气阀适应性分析

2.2.1 气阀的数值模型

气阀作为控制气流进出气缸的重要部件，其工作的稳定性会影响压缩机的性能以及气体在流场中的脉动。因此有必要对气阀的工作过程进行深入分析，建立数值模型为阀片的动力及运动性能分析提供理论支持。

气阀主要由四部分构成（图5），其中，阀片受力的变化使其交替开启与关闭控制着气体进、出工作腔。阀片受力主要来源于气体力、弹簧的弹性力以及阀片自身重力，在阀片两个方向上的受力作用下，其所受合力方向及大小决定了阀片的运动方向和加速度大小（图6[12]）。阀片受力方程表达式见式（1）。

图5 环状阀结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the annular valve structure

图6 阀片的受力示意图Fig.6 Basic components of a valve and a diagram of the forces on the valve plate

气阀运动与气缸内流场是一个耦合关系。为简化模型，本研究将阀片的运动看作单自由度、单质点的运动；气体流经气阀的流动，认为是一元稳定等熵的理想气体流动[12]。进气阀关于时间t的数学运动方 程，见式（2） ～ （3）。

2.2.2 气阀的适应性分析

气阀为控制压缩机工作介质进出的关卡，其工作可靠性的重要程度不言而喻。此外，在往复压缩机各类故障中，气阀故障所占比例极高。压缩机流量调节方式会对气阀工作产生影响，尤其是转速调节。2020年调节工况相对于设计能力工况，仅改变了压缩机的余隙容积，且改变量较小，对压缩机气阀没有明显的影响；2041 年的调控方法与2032 年A 方案的调控方法相同，仅回流比不同，故本研究根据气阀数值模型中的运动方程，以2027 年、2032 年的调控方案为例，利用气阀运动仿真对压缩机进行了气阀性能分析。

图7 至图9 为2027 年、2032 年调控策略下，通过运动仿真后获得的第一级压缩机与第二级压缩机阀片的位移、速度和压缩机内压力随曲柄转角的变化情况。可以看出2027 年与2032 年A 调控方案下，阀片关闭时出现较小的波动，阀片关闭后会发生回弹；2032 年B 调控方案下，阀片出现颤振，且第二级压缩机颤振的频率更高。出现颤振的原因主要是转速大幅度降低，导致压缩机气体在阀隙中的平均流动速度大幅度降低，气体对阀片的推力降低，无法克服弹簧力，使阀片在阀座和升程限制器之间来回跳动。阀片的颤振会增加气阀发生故障的概率。

图7 2027 年第一、二级阀片的位移、速度和压缩机内压力随曲柄转角的变化情况Fig.7 Variation of valve plate displacement, velocity and pressure in the compressor with crank angle for the first and second stage in 2027

图8 2032 年A 方案第一、二级阀片的位移、速度和压缩机内压力随曲柄转角的变化情况Fig.8 Variation of valve plate displacement, velocity and pressure in the compressor with crank angle for the first and second stage of the A scheme in 2032

图9 2032 年B 方案第一、二级阀片的位移、速度和压缩机内压力随曲柄转角的变化情况Fig.9 Variation of valve plate displacement, velocity and pressure in the compressor with crank angle for the first and second stage of the B scheme in 2032

2.3 压缩机调控时反向角变化分析

有十字头的压缩机，要有足够大的反向角，这样可以保证与十字相联结的十字头销能够与其配合的衬套有足够的时间脱离，使润滑油充分流入其内，保证十字头销与衬套得到充分的润滑，并有过量的油泄出使其得到冷却。因此反向角直接影响往复压缩机十字头销与连杆小头衬套润滑的效果，当反向角不满足要求且压缩机依旧长时间运行时，则会导致十字头部位出现烧损[13-14]。不同气量调节方式对压缩机反向角产生不同程度的影响。当只采用余隙容积调节时，反向角随着调节流量比例的增大而减小[15]。转速调节改变了惯性力的大小，从而影响综合活塞力为拉或压应力时曲柄转角的大小，也会改变反向角。各种调节方式结合使用后对压缩机反向角大小的结果的影响如表6 所示。

API 618 对反向角有如下规定：在曲轴的一转中，十字头销有槽衬套至少要有连续15°的反向负荷，并达到最大负荷的3%，无槽衬套则须有连续的不小于45°的反向负荷，并达到最大负荷的20%。同时，国外公司一些国外的其他企业对此规定不尽相同：如DRESSER-RAND（德莱赛兰）为大于35°，COOPER 公司要求大于30°，ARIEL 公司则要求反向角25°[13]。由表6 可知，2020 年、2027 年、2041年调控策略与2032 年A 调控策略下的反向角均满足要求，因此在该具体调控策略下的压缩机关于反向角的设计均可靠。2032 年B 调控方案下盖侧工作列的一级反向角最小为19°，不满足ARIEL 公司对压缩机反向角的规定。当压缩机长时间运行时，十字头销和连杆小头衬套某一侧会难以获得充分的润滑与冷却，严重可导致衬套、十字头销的烧损。因此，若2032年采用B 方案，则需关注轴瓦与十字头的运行情况。

表6 各调节工况下压缩机各级反向角Table 6 Reverse angles of each stage of the compressor under different regulating schemes

3 结论

本文针对海洋平台宽工况下的调控策略对压缩机的影响进行了研究。以某海洋平台压缩机为研究对象，对其在典型工况调控状态下进行了动力学分析、气阀仿真以及反向角分析。通过本研究得到以下结 论：

（1）各年份调节方案下压缩机的动力学性能良好。2020 年使用余隙容积调节时对压缩机的性能无明显影响；2027 年增加了改变工作腔数调节方法，压缩机综合活塞力明显降低，对压缩机相关部件强度无影响。

（2）2032 年A 调控方案与2041 年又增加了排气旁通调节，其对压缩机的动力性能无影响，但会改变管道内流量配比，可能会引起管道振动；2032 年B 调控方案在2027 年的基础上增加了转速调节，转速改变为原转速的46.17%，这时虽然综合活塞力大幅度降低，但需考虑由降低转速会改变压缩机吸排气频率，此外气阀阀片出现颤振，因此2032 年如需采用B 调节方案，还需要关注气阀的可靠性以及管道的振动特性变化。

（3）不同流量调节方案对压缩机的反向角有不同程度影响。但只有2032 年B 调节方案下压缩机的反向角不符合要求，若采用此方案，压缩机长时间运行时需关注轴瓦、十字头的运行情况。