天然气管道离心压缩机的运行特性研究

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压缩机是输气管道能耗的关键设备，准确掌握其运行特性，对保障管道安全运行和实现节能降耗有着重要的意义。因气体具有可压缩性，离心压缩机的运行特性受进气条件的影响很大。厂商提供的压缩机特性曲线 (基于性能试验工况)收稿日期 ：2012-12-12基金项目：国家重大专项(2011ZX05039-002)；国家重大专项(2011ZX05039-OO4-OO6)。

-2013年03期(总第239期)是现臣术人员指导压缩机运行的重要依据，但这种特性曲线不能准确反映进气条件变化时的压缩机性能，难以准确指导生产。

某输气管线压缩机站装有 3套 GE离心压缩机组，机组运行方式为两开-备。目前其中-台压缩机人口防喘阀开启，机组回流运行；另-台压缩机人 口防喘阀关闭，机组正常运行。回流运行虽能有效防止压缩机发生喘振，但却造成驱动设备功率的巨大浪费。因此，很有必要对该站压缩j懿 机的运行特性进行研究，以准确掌握其运行特性，实现压缩机组的优化运行与节能降耗。

2 压缩机当前运行状态评估统计分析该站连续半年的压缩机生产运行数据，对压缩机当前运行状态进行评估。这些数据由现场SCADA系统自动采集记录，必须对其进行分析筛选才能使用，要求参数准确可靠，尽量接近稳态，波动校此外，回流运行是-种不正常工况，回流压缩机的部分运行数据亦不可靠。

2.1 进气条件的分析 厂商提供的压缩机特性曲线是在设计条件下进行性能试验获得，而实际工况的进气条件 (进气温度、进气压力、气体分子量)会对压缩机的运行特性产生-定影响1]♂合现场实际情况，对实际工况的进气温度和进气压力进行分析。

p赠图 1 压缩机进气条件的分析量冀图 1显示，1月至6月该站压缩机的实际进气温度均低于 16(2，最低进气温度达零下2℃，进气温度长期远低于设计条件下的进气温度-45 oC；而进气压力基本在设计进气压力 4.0 MPa附近波动，波动范围不超过正负0.2 MPa∩知，该站压缩机的运行工况已长时间远远偏离 (主要是进气温度偏离)其设计条件。

2.2 回流流量的计算压缩机入口流量、回流流量都是反映压缩机运行特性的重要参数，依据行业标准 SY/T6143-2004 标准孔板流量计测量天然气流量》，基于压缩机人口孔板差压计算人口流量。

该站目前-台压缩机正常运行，-台压缩机回流运行，但分析历史运行数据可知 2台压缩机墨饕日期图2 机组回流流量的计算与分析的工作点基本-致，则 2台压缩机单机入口流量基本-样 ，由该站总输量可知 ，则可确定回流流量及回流百分比 (回流流量与总输量之比)。

图2显示，该站目前总输量为610x 104～680x104 Nm3/d，而回流流量达 120xl04～280104 Nm3/d，回流比达 17%～46%。由此可见，压缩机人 口流量中回流流量所占比例很大，驱动功率存在大量浪费。

3 压缩机特性分析预测模型的建立3.1 理论基础(1)压缩机的性能换算分析现场实际情况，选用近似相似换算中的第-种换算方法，即气体绝热指数相等、特征马赫数不等的换算法，其中压比的换算采用多变换算法31。换算公式如下[1( )： 式中 、 --实际工况、试验工况的压比Q 、Q --实际工况、试验工况的人口流量，m3/hD 、D厂～ 实际工况、试验工况的叶轮直径，mmn 、n--实际工况、试验工况的转速，r/minz 、z--实际工况、试验工况的人口气体压缩因子R 、尺 -实际工况、试验工况的气体常数，J/( ·K)7” 、 - 实际工况、试验工况的进气温度，K2013年03期(总第239期)-应用与测Applica6on andP 、p -实际工况、试验工况的进气压力，MPam 、m--实际工况、试验工况的压缩机多变过程指数(2)气体物性参数及多变过程指数计算压缩机性能换算的过程中涉及相关气体物性参数 (天然气密度、压缩因子、质量热容比等)的计算，可应用 BWRS气体状态方程，采用抛物线法迭代求解之。BWRS方程如下p (B o--鲁 Do- Eo l2bRT-口-号)p 十等 exp(- (2)式中 p--系统的压力，kPa 系统的温度，KJp--气相或液相的密度，kmol/m- - 通用气体常数，8.3143 kJ/(kmol·K)A 0，B0，Co，Do，Eo，口，b，C，d， ， -- BWRS方程的 11个参数对于高压气体，其绝热指数与质量热容比并不相等，此时需要计算温度绝热指数 (或容积绝热指数)，才能实现多变过程指数的准确计算，计算式如下p(挈1后 --- 塑 (3)考) p(等)mr- (4) -- ---- 斗，仰p0I式中 广 温度绝热指数m广 温度多变过程指数c 质量定压热容，kJ/(kmol·K)叼 --压缩机多变效率，%(3)压缩机特性曲线拟合使用最小二乘法将换算后的性能参数拟合成各特性曲线方程。对于压比-流量曲线，采用变转速二次拟合法[4，拟合成如下方程形式占(cz0n 01na2)Q3s(bon。61nb2)Q2.(con clnC2)Q。c dlnd2 (5)对于喘振流量线和阻塞流量线，拟合成如下方程形式 (6)J Q-D0D1nD2n Dan-2013年03期(总第239期)式中 Q 、Q 入口状态下的喘振流量和阻塞流量，m3/h对于多变效率-流量曲线，拟合成如下方程形式：阱 Q n 90 毗 贼 。 (7)式中 n旷- 压缩机额定转速，r/min2·32.11.91.71·5出 1.31.1O.9O.7- 压比实侧值 压比预测值1A 压比预测误差1◆ 压比预测值2◆ 压比预测误差20.5 - ----J-------L-1/1 1/31 3/1302010藕0靛- 1O- 20.正--二L---J--- -303/31 4/30 5/30 6/29日期图3 压比查询结果及其误差分析3.2 历史运行数据验证筛选该站压缩机的历史运行数据，验证压缩机性特分析预测模型的准确性。

图3中黑色实线是生产报表提供的压缩机实测：1攫日捌图4 转速查询结果及其误差分析r压比，黑色表示用换算后特性曲线预测的压比，可见二者吻合程度较高，灰色显示了二者的相对误差，可见均在5%以内；图中黑色◆表示用试验工况特性曲线(不做换算)预测的压比，其与实测压比偏差较大，灰色◆显示其相对误差均高达20%以上。

图4中黑色实线是生产报表提供的压缩机实测转速，黑色表示用换算后特性曲线预测的转速，可见二者吻合程度较高，灰色显示了二者的相对误差，可见均在5%以内；图中黑色◆表示用试验工况特性曲线(不做换算)预测的转速，其与实测转速偏差较大，灰色◆显示其相对误差均高达15%以上。

走测试andTest4 压缩机站运行方案制定软件的开发及应用 ，4.1 软件概况 。

基于压缩机特性分析预测模型，以Visual Studio6.0为开发平台，结合Microsoft Excel，采用Visual Basic语言开发了压缩机站运行方案制定软件”。

软件的主要功能是对输气管道离心压缩机进行性能换算、特性分析，使压缩机的管理者准确掌握其运行特性，为输气管道压缩机站制定压缩机组运行方案，为压缩机的优化运行提供指导。具体功能：(1)准确计算气体物性参数及压缩机热力过程指数；(2)基于孔板压差计算压缩机的入口流量；(3)对不同进气条件下的压缩机特性曲线进行换算，并拟合各种压缩机特性曲线；(4)为输气管道压缩机站制定详细的压缩机组运行方案；(5)对输气管道进行简单的全线稳态工艺计算(辅助功能)。

4.2 软件应用软件换算出的特性曲线显示喘振流量线向左上方偏移，即压缩机的喘振流量界限将减校但实际运行方案以试验工况特性曲线为依据，故其最小流量设定值是偏大的。这导致实际运行中压缩机人口防喘阀打开，产生回流，造成大量能量损失。以软件换算出的特性曲线(包括喘振流量线和阻塞流量线)为指导依据，现选取6个不同日期的实际工况(见表1)，应用软件重新为该站制定压缩机组运行方案(见表2)。

由表1、表2可知：软件制定的压缩机运行方案比当日实际的压缩机运行方案省功省钱。软件制定的方案的耗电量为13.9～18.3万(kW·h)/d，能耗费为9.8-l2.8万元/d；而当日实际的耗电量和能耗费都远大于此，实际耗电量为l8.8～21.4万(kW·h)/d，实际能耗费为13.1～14.9万元/d。软件制定的压缩机运行方案比当日实际的压缩机运行方案更加节能，原因在于软件制定的方案不用开启压缩机防喘阀，不存在回流现象；而实际的方案因没有准确掌握压缩机运行特性，压缩机防喘阀开启，存在较大回流。

表1 实际的压缩机组运行方案标况输量 运行 人 口压力 出口压力 人 口温度 出口温度 转速 电机功率 总驱动功率 耗电量(104 能耗费(万 工况 压比(104Nm3/d) 机组 (MPa) (MPa) (℃) (℃) (r/min) (kW) (kW/d) (kW h)/d) 元 ，d)657.70 B(C) 4.022 8.oo6 1.99 2.7 62.0 9474 3907 7814 18.754 13.1366o.62 B(A) 3.988 7.981 2.oo O.8 6l3 9673 4164 8328 19.987 13.99668.O3 B(C) 3.936 7.981 2.O3 0.5 62.1 9667 4173 8346 20.030 14.02四 610.49 C(B) 4.118 8.235 2.oo 2.1 62.6 9548 4070 814O 19.536 13.67五 625.42 C(A) 3.952 8.O78 2.04 6.1 69.6 992l 4448 8896 21.35O 14.94/、 6l3.40 a(c) 4.t44 8-344 2.O1 l33 78.1 9820 4174 8348 20.035 14.02注：表中运行机组”-栏，括号中的机组代表回流运行的机组，不带括号的机组是正常工作的机组。

表 2 软件制定的压缩机组运行方案开机 出口压力 压比 转速 单机流量 喘振流量 阻塞流量 出口温度 多变效率 驱动功率 耗电量(10' 能耗费(万 工况(台) (MPa) (r/min) (m ) (m3/h) (m3/h) (m3/h) (℃) (%) (kW/d) (kW·h)/d) 元 ，d)l 8.472 2.10 11584 58468 3590.8 5842.2 68.13 77.69 6985.91 16.766 11.742 8.0o6 1.99 9159 2923.4 2655.4 4192.2 62.66 80.75 6158.40 14.780 10.35l 8.664 2.17 11639 5882.0 3618.3 5881.9 68.79 77.60 7299.57 17.5l9 12.262 7.981 2.o0 92345 2941.0 2676.7 4241.1 60.86 80.72 6198-33 14.876 10.411 8.719 2.21 l1833 6026.6 3716.6 6o21.9 70.69 77.01 7645.26 18.349 12.842 7.981 2.O2 9352.3. 3013.3 2710.6 4317.O 62.11 80.89 6385.7O 15.326 10.73四 1 8.235 2.0o 10831 5281.4 3243.9 5309.9 61.88 79.83 58o4.1O 13.930 9.751五 l 8.183 2.O7 l1418 573O.9 3510.1 5723.4 70.7O 78.08 6525.72 15.662 10.9632 8.078 2.04 9456 2865.5 2741.6 4384.3 69.43 80.05 6240.25 14.977 10.484/、 1 8.38l 2.O3 1O973 5308.7 3305.3 5408.6 63.88 80.23 5965.17 14.3l7 10.02236 l 2013年03期(总第239期)-应用与测ppficaon and5 结论(1)离心压缩机的运行特性受进气条件(尤其是进气温度)的影响很大，基于试验工况的特性曲线不能准确反映进气条件变化时的压缩机性能，不能准确指导生产实践。当进气条件改变时，必须对特性曲线进行换算。 。

(2)本文所建立的压缩机特性分析预测数学模型，经历史运行数据验证是准确可靠的，满足工程精度要求；所开发的 压缩机站运行方案制定软件”，能方便快捷地为输气管道压缩机站制定详细的压缩机组运行方案。软件制定的新方案消除了该站压缩机人口回流，实现了节能降耗。

(3)当进气温度降低时，压缩机特性曲线(压比曲线、功率曲线)整体向左上方偏移，喘振线亦向左上方偏移，即压缩机的最小流量将减小，建议关闭或关小压缩机防喘阀，以减胸流流量，降低能耗。