天然气压缩机防喘振与优化控制研究

天然气压缩机防喘振与优化控制研究

吴豪飞

杭州天然气有限公司 浙江省 杭州市 310004

摘要：现阶段，社会进步迅速，天然气增压工艺是天然气处理工艺中常见技术之一，在压缩气量很大且为了获得大压比时，往往选择离心式压缩机作为增压设备。但离心式压缩机有最小排量的限制，当排气量小于某一值时，机器开始发生喘振，此时的排气量为喘振工况的排气量。为了解决压缩机喘振问题，本文从喘振的定义、其产生的机理、危害及控制措施进行分析，以期能为工程设计提供一定参考。

关键词：天然气压缩机；防喘振；优化控制研究

引言

在天然气的储运和运输过程中，离心式压缩机因单级流量大、体积小、重量轻、运转可靠等优点被广泛应用。当天然气通过压缩机时，因介质压力、流速、流量等参数发生变化，进出口管道和压缩机会形成周期性震荡，其中喘振是造成压缩机系统振动的主要原因。因此，在压缩机系统的设计中，应尽量校核流量和压比之间的关系，调整压缩机的性能曲线，保证运行工况在喘振曲线右侧，同时考虑入口阀门阻塞、紧急停车、正常启动等特殊工况，确保压缩机正常使用。为此，以某天然气压缩系统为例，采用Hysys软件建立二级压缩机系统模型，并对以上特殊工况进行模拟，以便为确定合理的运行参数提供理论依据。

1喘振的形成及危害

当试图使压缩机在超过最大设计压比工作时，压缩机就会发生喘振。喘振是压缩机系统内压力和流量发生大的波动时产生的一种现象。压缩机在不同转速下测得一组效率-流量曲线，将每条曲线左部端点连起来，就能得到一条喘振边界线。当压缩机的特性曲线与喘振边界线相交时，压缩机进入喘振边界区，随着流量进一步减少，压缩机开始发生喘振，压缩机处于非稳定工况区工作。当压缩机发生喘振时，将产生如下不良影响：(1)缩短压缩机寿命；(2)压缩机效率低下；(3)密封、轴承、叶片等损坏；(4)对整个系统稳定运行产生影响，可能导致生产关断；(5)产生的噪音不利于人员操作维护。

2天然气压缩机工作原理

天然气压缩机是利用压缩机将天然气进行压缩处理的设备，因为气体的压缩会产生较大的压力即高压，同时也是一种能量。天然气压缩机有一个压缩区，将天然气吸入后，通过转子的转动，因转子间的齿槽的空气发生变化，压缩空气，然后随着转动的发生将气体排出。其中的转子是两个旋转方向相反，有互相啮合，当旋转时，齿间的空间会因为转动发生体积变化，从而实现气体的连续压缩和排出。按照天然气压缩机的工作原理，分为两种类型，容积式压缩机和速度式压缩机。容积式压缩机，依靠反复的气体体积变化，造成气体压缩，从而提高压力，它一般有可以容纳气体的空间，称为气缸，压缩气体的过程不连续。而速度式压缩机，依靠速度的变化，从较高的转速条件，形成气体的流动，之后让气体的运动变缓，就可以让气体的动能转换成为压缩能，从而使得气体压缩，压力上升。

3喘振防止措施

只要保证压缩机工作点处于稳定区域，就能避免喘振。本文从改变管路特性曲线来分析防喘振的措施，介绍两种防止喘振的方法，即流量调节和压力调节。

3.1流量调节

此系统的工作原理为：压缩机入口流量信号经过入口压力和温度补偿后通过流量变送器（FT）传送至防喘振控制器（SC），控制器收到入口流量信号后，与预先设置的流量进行对比，如果接收到的入口流量超过预先设定值，表示压缩机入口流量大于压缩正常工作所需最小流量，此时，防喘控制器不会触发防喘控制阀工作，防喘振控制阀门将处于关闭状态；如果接收到的入口流量小于设定值，防喘控制器将触发防喘控制阀打开，压缩机出口部分气体将通过回流管线进入到压缩机入口，以保证入口流量大于压缩机工作所需最小流量。

3.2压力调节

此系统的工作原理为：压缩机出口信号通过压力变送器（PT）传送至防喘振控制器（SC）；控制器收到压力信号后，与预先设置的压力进行对比，如果接收到的压力超过预先设定值，控制器放大信号差，表示压缩机入口流量大于压缩正常工作所需最小流量，此时，防喘控制器不会触发防喘控制阀工作，阀门将处于关闭状态；如果接收到的压力小于设定值，防喘控制器将触发防喘控制阀打开，压缩机出口部分气体将通过回流管线进入到压缩机入口，以保证入口流量大于压缩机工作所需最小流量。

3.3典型防喘振控制系统

工艺流程描述为：天然气首先经过天然气洗涤器除掉天然气中携带的液滴和固体颗粒杂质，随后经天然气压缩机压缩，再经过天然气冷却后送给用户使用。系统主要包括：压缩机入口洗涤器、压缩机入口流量计、压缩机进出口压力变送器、压缩机进口温度变送器、防喘振控制器、防喘振控制阀、天然气冷却器。防喘振控制系统工作原理为：防喘振控制器实时监测压缩机进出口压力温度、入口流量等操作参数，并将此参数与喘振边界进行比较，当监测到喘振即将发生时，防喘振控制器触发防喘振控制阀动作，防喘振控制阀打开，部分气体回流至压缩机入口，使得系统工作点偏离喘振边界，直至压缩机平稳运行。

3.4自动控制系统设计

由于天然气压缩机属于一种高速运转设备，压力较高，控制条件复杂，对于自动控制系统要求很高，要能够快速反应。采用控制系统对压缩机进行自动控制，当天然气压缩机的状态满足一定的条件时，启动压缩机，压缩机开始运行，防喘阀打开，对压缩机的喷嘴进行相应的调节，压缩机开始运转对天然气进行压缩；当达到要求的转速时，压缩机的运行状态变为自动运行。此时，通过各项仪表，对压缩机的各项运行状态进行监测，利用控制系统保障压缩机的安全正常运行。由于天然气压缩机在运行中产生较高的压力，若超速运转，很有可能发生严重事故，导致设备损坏，后果严重。通过控制系统，对一些辅助系统的参数进行监测，包括轴承温度、压力等参数，通过与正常运行参数进行对照，观察是否出现了异常，若数据对照存在异常，控制系统设定限值，达到这一限值时，引发报警系统，控制系统及时进行报警，提醒工作人员注意观察异常情况，并采取相应的措施，保障压缩机的安全运行。同时，控制系统设定关机值，当监测到的参数达到这一值时，发出关闭信号，设备自动停止。采用自动控制系统，是为了防止出现故障而引起停机，影响生产运行。可设置自动控制和手动操作两种方式对压缩机的运行进行控制，且两种控制方式可以自由更换，当发生一些意外情况、自动控制出现故障或信号中断时，可以采用手动操作方式进行控制，在控制面板或设备的控制面板进行操作，解除故障后，又恢复到自动控制状态，这样对于自动控制的安全运行多了一层保障。

结语

喘振是离心天然气压缩机中常见现象之一，其发生将对整个天然气压缩机组及整个系统的安全运行带来不利的影响。防喘振控制器、防喘振控制阀是整个防喘振控制系统的核心单元，设计过程中必须设计防喘振控制系统，以消除喘振造成的不利影响。

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