2008年　第4期管　道　技　术　与　设　备Pi peline Technique and Equi pment 2008　No 14　收稿日期:2007-11-26 收修改稿日期:2008-02-25天然气压缩机的控制设计刘　亮(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京　100085) 摘要:介绍了离心式压缩机的自控系统设计,及在自控设计中应注意的问题。

从离心机的负荷控制、入口压力控制、密封系统控制、润滑油系统控制、转子振动和轴位移控制、防喘振控制等方面入手,综合解决有关离心式压缩机的控制问题,从而满足现场实际情况的要求。

DCS 系统控制方案可以结合上述几个方面的因素制定,以实现整个装置的最优化配置。

关键词:离心式;压缩机;自控系统中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2008)04-0023-02D esi gn of the Con trol of Na tura l Ga s Com pressorL I U L iang(Be iji n g Branch Co m pany,Ch i n a Petroleu m Eng i n eer i n g Co .,L td .,Be iji n g 100085,Ch i n a)Abstract:I ntr oduce the contr ol system,which design on the centrifugal comp ress or thr ough the p r oject experience .And s ome p r oble m s need t o be paid attenti on .Contr ol the centrifugal comp ress or according t o the l oading,inlet p ress,sealing syste m,lubri 2cati on system,and shaft vibrati on and offset t o meet the p ractical require ment on site .DCS system contr ol phil os ophy shall f oll ow above p rinci p le t o make guarantee that whole facilities are in good conditi on .Key words:centrifugal;comp ress or;contr ol syste m 1　项目简介阿尔及利亚的OC 2T OUT 油田项目共分为5个站。

位于整个油田中心的CPF (Central Pr ocess Facilities )站,将各井来油及天然气进行油、气、水分离,将分离出的天然气经过脱烃干燥处理后送到天然气发电机,用于发电,给整个装置供电。

天然气先输送到集气器V -001内,经过压缩机SK -001的一级压缩后,将天然气从常压升高到0125MPa,然后再通过二级压缩将压力进一步压缩到0155MPa,此时的天然气品质及压力都不能满足天然气发电机的要求,需将干燥后的天然气送到压缩机SK -002内,继续增压到0175MPa,增压后的天然气再通过外输分离器V -002内,进行进一步气水分离。

分离出来的水送到轻烃分离器V -003,干燥后的天然气送到天然气发电机。

其工艺流程图如图1所示。

图1中,LC 表示液位控制,SK 表示橇装设备,V 表示容器。

2　离心式压缩机的控制离心式压缩机的基本原理是利用高速旋转的叶轮使出口的气流达到很高流速,然后在扩压室内将高速气体的动能转化为压力能,从而使压缩机出口的气体达到较高压力。

常用的离心式压缩机的吸入流量在14～5660m 3/m in 的范围内[1]。

根据同一台压缩机中经历的压缩级数,离心式压缩机分为单级和多级。

为了提高压比,可以采用多级离心式压缩机。

一台多级离心式压缩机的压缩级数最多可以达到6～8级,每级压比在111～115之间。

211　离心式压缩机负荷控制图1　工艺流程图平稳的负荷控制能使离心式压缩机随工艺生产的变化不断改变其工作点(流量、压力),以适应工况的变化。

为实现该目标,首先要确定压缩机的特性以及与压缩机相连接的系统特性。

离心式压缩机是流量可变,而压比几乎恒定的机器。

而往复式压缩机是流量恒定,而压比可变的机器。

另外,按照离心式压缩机能否调速,可分为恒速和可以调速两类。

离心式压缩机负荷(流量)控制可以避免压缩机与工艺过程出现喘振和扰动,使系统运行稳定。

对于不能调速的离心式压缩机,一般采用出口节流法,改变出口阻力,使离心式压缩机的工作点移动,以适应工艺工况的变化;对于可以调速的离心式压缩机,由于其出口压力与转速的平方成正比,因此采用改变压缩机转速的调节方法,这是一种节能的调节方法。

212　离心式压缩机入口压力控制在离心式压缩机的工艺系统运行过程中,会出现压缩机前一段工序生产负荷突然降低,而造成压缩机入口压力下降。

如果不及时调节入口压力,而造成抽空,吸入空气,会引起压缩机系统的不稳定或发生喘振,对有些压缩气体还会引起爆炸。

在实际设计过程中,往往将离心式压缩机入口的控制和防喘振控制系统一起综合考虑。

213　离心式压缩机的密封系统控制离心压缩机可以采用密封油密封,也可以采用干气密封。

如果采用密封油密封,必须设置油箱液位、油冷却器后油温、油压等检测控制系统。

天然气压缩机采用自身压缩的气体进行密封,也称为干气密封。

对于干气密封,应具备一套氮封系统,为开车时和事故状态下提供密封气体。

其中的氮气压力与停机信号联锁,氮气压力低到一定值必须低压停机。

密封气的差压与停机信号和润滑油泵启动信号联锁。

干气密封系统首先要求装置能够连续稳定提供符合要求压力等级的氮气。

214　离心式压缩机转子振动和轴位移的检测对于高速运转的离心式压缩机,一旦转子振动或轴位移超量,必须立即停车,以保护压缩机的安全。

为此,对转子的振动量和轴位移的检测配有可靠的检测探头,同时设置一整套报警联锁系统。

[2]215　离心式压缩机润滑油的控制离心式压缩机的润滑油控制系统基本由制造商随设备成套提供。

216　离心式压缩机的报警及联锁系统控制离心式压缩机的报警及联锁系统(包括蒸汽透平)是非常重要的。

以天然气压缩机为例,将参与报警/联锁的参数列出:润滑油油槽油温低;压缩机密封干气差压低;润滑油泵出口压力低;润滑油总管压力低;润滑油备用泵出口压力高;主润滑油泵出口压力高;蒸汽透平轴温高;压缩机轴温高。

217　防喘振控制喘振和滞止是离心式压缩机的两种非正常工况,在压缩机运行过程中,应该设法避免这两种工况出现。

对于一台给定的压缩机,在转速一定的条件下,存在一个稳定工作范围,此范围可用压缩机入口状态下的体积流量下限Q m in 和上限Q max 来表示,其中Q m in 称为这台压缩机在给定转速下的喘振流量,而Q max 称为滞止流量。

离心式压缩机的稳定工作要求被压缩气体流量在规定的限定值内,小于离心式压缩机限定的最小流量,就会发生喘振。

此时压缩机叶轮进、出口处的气体流量和压力会出现大幅度脉动,并导致压缩机产生强烈的振动和噪音。

喘振对压缩机十分有害,对其密封、轴承、叶轮会造成较大的损害,在严重的情况下甚至会使整台压缩机及与之相联的设备和管道遭受破坏,从而造成严重的压气站事故。

[3]在设计速度下,它通常发生在小于设计入口流量的50%时。

以恒速下操作的离心式压缩机为例,它的出口通过一个流量调节阀来调节,使系统的阻力增加,也就增加了压缩机为克服此阻力而需要的压头。

随着流量减少,为保证系统稳定,该调节阀加大节流作用,就会减少流过压缩机的气量。

节流的最大限度是压缩机的最大压头点。

当流量小于喘振极限的流量时,导致压头减少。

此时系统的背压超过压缩机输出压力,造成瞬时倒流的状况。

然而此时背压就降低了,该压缩机又有了足够的能力重新输出比刚才开始喘振时更多的流量。

如果压缩机的出口阻力仍未改变(即出口流量调节阀开度未变),就又沿压头曲线返回小流量区操作,一直到再次达到输出压头的峰点。

这种反复循环作用,工业上称为“喘振”。

为防止出现喘振工况,必须设置防喘振控制系统。

离心式压缩机防喘振控制大致分为两大类:固定极限流量的防喘振控制系统;可变极限流量防喘振控制系统。

喘振是由于气体的可压缩性而造成的离心式压缩机的固有特性。

每台离心压缩机有它一定的喘振区域。

只有采用相应的防喘振控制方案才能防止发生喘振。

图2是离心式压缩机的有效工作范围曲线。

图2中,Q 为通过压缩机的体积流量,H 为压缩机的输出压头,M ini 表示最小值,Maxi 表示最大值。

图2　压缩机有效工作范围曲线3　防喘振控制系统应用实例天然气压缩机是蒸汽透平带动的可变速压缩机,它由高压缸和低压缸构成。

两缸分别设置各自的防喘振调节系统。

在设计防喘振调节系统时,应分别考虑各自不同的操作特点。

311　低压缸的可变极限流量防喘振控制系统低压缸以流量及转速为自变量,以压缩比p 2/p 1为纵坐标绘制。

p 1为压缩机的吸入压力,p 2为压缩机的排出压力。

它的防喘振线的数学表达式可以用下式表示:h 2≥βp 1式中:h 2为压缩机出口管线流量计测得的差压值;β为可调系数,用于喘振控制线的移动(喘振控制线位置的确定)。

根据上式,可以用压缩机流量作测量值,入口压力变送器输出信号乘以比值器PY 的可调系数作给定值,构成压力-流量防喘振控制系统。

312　高压缸的固定极限流量防喘振控制系统在高压缸的喘振线上,压缩比大于115的线段近似为一条垂直线。

因而作为喘振控制线的流量参数可取一固定参数,则可满足防喘振要求。

313　DCS 控制方案通常情况下,P LC 控制器的防喘振控制比较好,只是面对突然的变化有些不及时。

可以将DCS 检测系统改进为第2套控制系统,完成特殊情况下的防喘振任务。

(下转第26页)个、分时地传送给单片机并记录管壁形变情况。

将从数控模拟开关输出的位移标准信号分别通过单片机RA1、RA2、RA3、RA5引脚传送。

压力标准信号输出引脚Y L1、Y L2与单片机引脚RE0、RE1相连,倾角传感器SC A60C 的模拟电压输出引脚接到P I C16F877A 单片机引脚RA0,分别实现芯片与单片机之间的连接。

计程轮的行程信号数据采集原理如图3所示。

计程轮干簧管分别与JC1、JC2相连,计程轮每转动半周,干簧管就使单片机发生一次外部中断,使计数器加1,由此单片机可以得到计程轮转动的圈数,由于计程轮的半径已知,就可以得到检测仪的行程。

图3　行程数据采集原理图3　检测仪的上位机软件设计采用Del phi 软件[4]对海底管道内变形检测仪的上位机进行软件设计,将检测仪采集存储的数据通过串口读取,利用上位机软件对读取的数据进行管理,以曲线的形式显示,可以在上位机上了解到管道的具体情况。