天然气压缩机的控制设计.pdf

2 00 8钲 第 4期 管 技术 5般各 Pi pe l i n e Te c hn i qu e a n d Eq ui p men t 2 0 08 NO ． 4 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 ， 北京1 0 0 0 8 5 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。D C S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 T P 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 8 0 4 0 0 2 3 0 2 De s i g n o f t h e Co n t r o l o f Na t u r a l Ga s Co m p r e s s o r LI U Li a n g B e i j i n g B r a n c h C o mp a n y ， C h i n a P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 5 ， C hin a A b s t r a c t I n t r o d u c e t h e c o n t r o l s y s t e m． w h i c h d e s i g n o n t h e c e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r t h r o u g h t h e p r o j e c t e x p e r i e n c e ．A n d s o m e p r o b l e m s n e e d t o b e p a i d a t t e n t i o n ．C o n t r o l t h e c e n t ri f u g a l c o mp r e s s o r a c c o r d i n g t o t h e l o a d i n g ，i n l e t p r e s s ，s e a l i n g s y s t e m ，l u b r i c a t i o n s y s t em，a n d s h a f t v i b r at i o n a nd o f f s e t t o me e t t h e p r a c t i c a l r e qu i r e me n t o n s i t e ．DCS s y s t e m c o n t r o l p hi l o s o p hy s h a l l f o l l o w a b o v e p r i n c i pl e t o ma k e g u a r a n t e e t h a t wh o l e f a c i l i t i e s a r e i n g o o d c o n d i t i o n． Ke y wor ds c e n t r i f ug a l ； c o mp r e s s o r ； c o n t r o l s y s t e m 1 项 目简介 阿尔及利亚的 O C T O U T油 田项 目共分为 5个站 。位 于整 个油 田中心的 C P F C e n t r a l P r o c e s s F a c i l i t i e s 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一 0 0 1内， 经过压缩 机 S K一0 0 1的一 级压缩 后 ， 将 天然气从常压升高 到 0 ． 2 5 MP a ， 然后再通过 二级 压缩将 压力进一步压缩到0 ． 5 5 MP a ， 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 S K一0 0 2内， 继 续增压到 0 ． 7 5 M P a ． 增压后 的天然气再 通过外 输分离器 V一 0 0 2内， 进干 亍 进一 步气 水分离 。分离 出来 的水送 到轻烃分离器 V一 0 0 3 ， 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 ， L c表示液位控制 ， S K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 1 45 6 6 0 m ／ mi n的范围 内 。根 据同一台压缩机 中经历 的 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 68级， 每级压比在 1 ． 1～1 ． 5之问。 2 ． 1 离心式压缩机 负荷控制 收稿 日期 2 0 0 71 1 2 6 收修 改稿 日期 2 0 0 8 0 2 2 5 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 15 1 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 。 维普资讯 2 4 P i p e l i n e Te c h n i q u e a n d E q u i p me n t J u 1 ． 2 0 0 8 2 ． 2 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， 而造成压缩机人 13压力下降。如 果不及时调节入口压力， 而造成抽空， 吸人空气， 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人口的控制和防喘振控 制系统一起综合考虑。 2 ． 3 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。 2 ． 4 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 2 ． 5 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。 2 ． 6 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。 2 ． 7 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 和上限 Q 一来表 示， 其中Q 称为这台压缩机在给定转速下的喘振流量 ， 而 Q 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。 在设计速度下， 它通常发生在小于设计人 口流量的 5 0 ％ 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 ， 日为压 缩机的输出压头， Mi n i 表示最小值， M a x i 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。 3 ． 1 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 ， 为纵坐标 绘制。p 为压缩机的吸人压力， p 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 h2≥ 1 式中 h 为 压缩机出口管线流量计测得的差压值 ； 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， 人 口压力变送器 输出信号乘以比值器 P Y的可调系数作给定值， 构成压力 一流 量防喘振控制系统。 3 。 2 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 1 ． 5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。 3 ． 3 DC S控制方案 通常情况下， P L C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 D C S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2 6页 维普资讯 2 6 P i p e l i n e T e c h n i q u e a n d E q u i p me n t J u 1 ． 2 0 0 8 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 R A 1 、 R A 2 、 R A 3 、 R A 5引脚传送。压力标准信号输出引脚 Y L 1 、 Y L 2与单片机引脚 R E 0 、 R E 1 相连， 倾角传感器 S C A 6 0 C的模拟 电压输出引脚接到 P I C 1 6 F 8 7 7 A单片机引脚 R A 0 ， 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 J C 1 、 J C 2相连， 计程轮每转动半周， 干簧管就使单片机发生 _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 D e l p h i 软件 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。软件界面如图4所示。 4 结束语 海底管道内变形检测仪研制成功后， 可推广应用于水下 、 陆上各类管道的变形检测， 若与相关检测维修设备一起配合应 用 ， 可用于大多数海底管道的检测与维修， 具有广阔的推广应 用 前景 。 图 4 上位机软件界面 参考文献 [ 1 ] 王为民． 国 内外 石油管 道输送 技术 发展综 述． 管 道技术 与设 备 ， 1 9 9 7 4 4 8 ． [ 2 ] 刘笃仁． P I C软硬件 系统设 计 基于 P I C 1 6 F 8 7 X系列． 西安 电 子工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 6 4一me g a b i t 2 ． 7一v o l t O n l y D u a l i n t e r f a c e D a t a F l a s h A T 4 5 D B 6 4 2 Da t a s h e e t ． A TMEL， 2 0 0 4． [ 4 ] 耿宏远 ， 陈战林 ， 赵 宗福， 等． D e l p h i 6组 件大全 ． 北京 电子工业出 版社 ， 2 0 0 2 ． 作者简介 周 以琳 1 9 5 1 一 ， 教授 ， 主要 研究 方 向为检测 技术 、 仪 器仪 表 、 自动控制 。 下转第 2 4页 这样将普通情况下和特殊情况下的防喘振区别对待， 将特 殊情况下的防喘振任务交给 D C S和快速切断阀。具体做法是 将压缩机的出口流量和出口压力作为联锁条件控制一台快速 切断阀。通过 D C S组态做两个内部开关 F S L一 0 0 1 、 P S L一0 0 1 ， 分别代表流量太小和压力太大， 从压缩机喘振的规律 中分析 “ 喘振脉冲次数太高” 的联锁停机条件， 按经验估算， 1 0 s内当 流量变化超过4 0 ％ ， 压力变化大于 0 ． 5 MP a时， 打开快速切断 阀， 使出口流量迅速增大， 远离喘振区。 4 离心式压缩机的调节措施 4 ． 1 改变压缩机转速 这是所有调节方法中最经济的方法 ， 其基本原理是改变压 缩机的排出压力 一流量特性。由相似原理可知， 当离心式压缩 机的转速在一定范围内变化， 其在不同转速下的对应工况点具 有相似关系， 这些相似点的效率相等或近似相等。 4 ． 2 压缩机出口节流 这种方法操作简单， 它不改变压缩机本身特性， 由于这种 方法是通过增大压气站出口调节阀的局部阻力损失来降低输 气流量， 故其经济性较差。 4 ． 3 压缩机入口节流 这种方法改变了压缩机的本身特性， 而且可以使压缩机喘 振流量限变小。实践证明 这种方法简单易行。 屯4 进口导叶角度调节 在离心式压缩机进 口前设置一组可绕这些叶片自身旋转 的气流导向叶片， 当转动这些导向叶片时， 进入叶轮的气流方 向将发生变化。从而影响压缩机的排出压力 一流量特性。 4 ． 5回流调节 其基本原理是让压缩机出口的一部分气体通过循环管线 返回到压缩机进口， 从而减少压缩机的有效输气流量。这种方 法没有改变压缩机的排出压力 一流量特性， 为了控制压缩机的 出口气体温度不要太高， 要返回到进 口的那一部分气体需经过 冷却后才能返 回。这种方法常作为一种反 喘振措施来使用。 但其经济性最差 。 5 结束语 离心式压缩机 包括蒸汽透平 的自控设计有一定的难度 和很大的工作量， 作为装置的关键设备 ， 随着装置规模的大型 化以及节能角度考虑， 对离心式压缩机的控制系统设计提出了 更多的要求。因此对于装置中的重要设备， 在自控系统设计时 应给予足够的重视。 参考文献 [ 1 ] 严大凡， 张劲军． 油气储运工程． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 3 1 5 6 1 7 4 ． [ 2] 孙 国华． 离 tD 式压缩机 自控系统及设计 中应注意 的问题． 工程 自 动化设计应用手册 ， 2 0 0 4 1 9 72 0 2 ． [ 3 ] 李 富江． 离 tD 式压缩 机的防喘振控 制系统． 工程 自动化设计应用 手册 ， 2 0 0 4 2 1 1 2 1 4 ． 作者简介 刘亮 1 9 7 O 一 ， 工程师 ， 主要从事石化工程设计 。 维普资讯