注气往复式压缩机脉动控制设计.doc

注气往复式压缩机脉动控制设计注气往复式压缩机在运行初期，排压低。随着压缩机持续工作，排压逐步升高，最后达到正常运行工况。如辽河油田某注气项目，压缩机在注气初期排压仅为2MPa，达到正常运行工况时为28MPa。排压差别引起级间压力分配和流量变化，由此导致对应的脉动控制设计也有所不同。但一台压缩机组只可能有一种脉动控制设计。这就使得需要同时兼顾正常和低排压两种运行工况的注气往复式压缩机脉动控制设计成为了一个难点。具体地说，低排压工况下流量大、流速高、压降大，往往使得在正常工况下满足API 618标准要求的脉动控制设计，因压降严重超标而不再合格。但如为了保证在低排压工况下压降合格，增加孔板内径或滤波管尺寸等，常常又会导致正常工况下的压力脉动超标。目前，解决这对矛盾的主要方法是进一步增加缓冲罐尺寸。但这种做法不仅提高了生产成本，同时因缓冲罐尺寸变大、机械固有频率下降，也增加了机械振动的风险。通过分析低排压工况下级间压力和流量的计算结果，我们发现目前大多数低排压工况的数据，是通过采用经验方法估算级间压力损失的方法计算得到的。也就是，在工况性能计算程序中，按经验估计级间压力损失，并据此计算级间压力分布和流量。因低排压工况下的级间压力损失大，难以按经验一次性估计准确，往往使得计算出来的流量比实际流量大，计算出来的脉动控制压降也比实际情况下的压降严重得多。这种计算上的误差，加大了低排压和正常工况下脉动控制设计之间的矛盾。很可能将一个由正常工况计算得到、在低排压工况下实际上合格的脉动控制方案，在低排压工况检验中，计算成“不合格”而导致不必要的重新设计。为了缓解甚至消除目前低排压和正常工况下脉动控制设计之间的矛盾，有必要提高低排压工况数据的计算准确性。为此，本文提出一种迭代方法计算低排压工况下的级间压力损失，并据此计算级间压力和流量。具体做法是：在工况性能计算程序中，参照正常工况经验数据估计级间压力损失，计算得到各级间压力和流量;再在脉动分析软件中，输入、使用计算得到的工况数据，进行脉动控制设计，并同时得到各级间压力损失;然后，比较脉动分析软件中计算得到的和工况性能计算程序中估计的级间压力损失值。如相差较大，则用前者替代后者，进行新一轮级间压力和流量计算，脉动控制设计计算，以及级间压力损失计算;如此反复，直到脉动分析软件中计算得到的级间压力损失，与本轮工况性能计算程序中所使用的级间压力损失输入值接近为止。应用这种方法，使用压缩机工况性能计算程序和Bentley Puls脉动分析软件，我们成功设计了国内某注气项目压缩机脉动控制方案。该项目压缩机组总体布置如图1所示，三级压缩。本文以第3级排气缓冲罐设计为例，通过使用一个正常工况和一个低排压工况为例，说明所提方法的应用过程，以及对注气往复式压缩机脉动控制设计结果的影响。2 、压缩机组及运行工况2.1 压缩机的主要技术参数型式：卧式双列三级双作用功率：1800kW排量：35-40万方/天(天然气)进气压力：1.45MPa排气压力：28MPa(正常工况)气缸直径：一级245mm;二级180mm;三级135mm活塞行程：139.7mm压缩机转速：990转/分2.2 运行工况机组共有120个运行工况，其中40个为正常运行工况，80个为低排压工况。本文选取工况1(为正常工况：进压1.45MPa，排压28.0MPa，流量35.1万方/天)和工况85(为低排压工况：进压1.45MPa，排压8.0MPa，流量37.2万方/天)进行示例计算。按一般经验数据，估计一、二、三级级间压力损失分别为管线压力的2%，1%和1%，使用工况性能计算程序，计算得到工况1和工况85的级间工况数据分别如表1和表2所示。注意，低排压工况下的三级气缸处于吹过(非工作)状态。3、使用目前经验方法的脉动控制设计使用Puls脉动分析软件，对第3级排气系统建立脉动分析模型如图2所示。按API 618(第五版)标准方法3，使用表1所示的正常工况数据进行分析，得到脉动控制设计方案为：缓冲罐尺寸如图3所示，罐中加NPS 2英寸长1080mm的滤波管，并在气缸和缓冲罐出口加内径45mm的孔板。此时，计算得到系统最大压力脉动、缓冲罐上的不平衡力、以及脉动控制引起的压降分别为允许值的92%，20%和15%。脉动控制设计满足API 618标准要求。使用表2所示的低排压工况数据对此脉动控制设计进行检查计算，结果发现系统中的最大压力脉动是允许值的117%(见图4)，脉动控制引起的压降是允许值的119%。说明由正常工况计算得到的该脉动控制设计，在低排压工况条件下，不满足API 618标准要求，需要进行调整。 依据低排压工况数据，调整脉动控制设计如下：增加缓冲罐内的滤波管尺寸到2.5英寸，以及去掉气缸出口处的孔板。在此新的脉动控制设计条件下，低排压工况下的最大压力脉动、缓冲罐上的不平衡力、以及脉动控制引起的压降分别为允许值的99%，16%和57%，满足API618脉动控制设计标准要求。使用正常运行工况数据检查该调整后的脉动控制设计，发现系统最大压力脉动、缓冲罐上的不平衡力、以及脉动控制引起的压降分别为允许值的160%，30%和5.5%。虽然脉动不平衡力和压降满足标准要求，但系统脉动值超标严重。这就说明，调整前的脉动控制设计满足正常工况运行要求，但不满足低排压工况要求。调整后的脉动控制设计满足低排压工况要求，但不满足正常工况运行要求。因此，脉动控制设计需要进行进一步调整，例如加大缓冲罐尺寸等。但是，如前面所叙，加大缓冲罐尺寸会增加制造成本，以及有可能引起新的机械振动方面的问题。4、修正低排压工况数据进行脉动控制设计上面过程说明了因考虑低排压工况所导致的脉动控制设计修改。但查看表3第3、4行可以发现，对应低排压工况，通过Puls脉动分析软件计算得到的级间压力损失与工况性能计算程序所使用的输入估计值差别很大。这就说明，目前所使用的低排压工况数据是不准确的，需要进行修正，并用修正后的工况数据检查由正常工况计算得到的脉动控制设计结果。为此，把Puls脉动分析软件计算得到的级间压力损失，作为工况性能计算程序中的级间压力损失输入，重新计算低排压工况数据。经2次迭代，一、二、三级级间压力损失分别由最初的估计值(即管线压力的2%，1%和1%)，调整为管线压力的2.5%、3.2%和8%。此时，由Puls脉动分析软件计算得到的级间压力损失与工况性能计算程序所用的输入值非常接近(见表3第5、6行数据)。按此级间压力损失，经工况性能计算程序得到的级间工况数据如表4所示。从表4可以看到，经压力损失调整后，各级间进、出口压力也进行了重新分配，其中三级缸由以前的不作用状态变为作用状态，同时流量也有所降低。此工况数据与表2所示的数据相比，因是通过迭代过程得到，更加接近低排压工况的实际情况。使用调整后的低排压工况数据，重新复核由正常工况得到的脉动控制设计，结果表明计算的最大压力脉动(图5)、缓冲罐上的不平衡力、以及脉动控制引起的压降分别为允许值的95%，10%和70%，满足API 618标准要求，无需作进一步调整。 作为参考信息，表3中第1、2行还分别列出了在正常工况下，通过Puls脉动分析软件计算得到的级间压力损失与工况性能计算程序中所输入的压力损失估计值。两者非常接近。说明在正常工况下，使用管线压力的2%，1%和1%作为一、二、三级级间压力损失估计值是准确的。5、结论分析结果表明：(1)本文提出的通过迭代调整级间压力损失，提高低排压工况数据计算准确性的方法，可有效缓解注气往复式压缩机低排压和正常工况下脉动控制设计之间的矛盾，避免不必要的脉动控制设计修改。同时，设计的脉动控制方案因工况输入数据准确更加符合实际情况。(2)本文提出的迭代调整级间压力损失的方法，也可推广应用到大功率机组正常工况下的级间压力损失确定，以及其它缺乏级间压力损失估计。经验数据的机组。以提高进行脉动控制设计时输入工况数据的准确性，和脉动控制设计结果的有效性。(3)本文仅以一个正常工况和一个低排压工况进行示例计算，主要用来说明所提迭代方法的应用过程，以及对脉动控制设计结果的影响。对脉动控制设计结果的接受或否认，按是否全部满足压力脉动、不平衡力和压降3个指标的要求来确定，以形成一个统一的比较基准。在实际项目工作过程中，某些脉动、不平衡力和压降等指标，在满足指定条件下是可以不满足的。