氣田濕氣壓縮機出口管線振動問題分析及解決方法

張萬兵

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司)

氣田濕氣壓縮機出口管線振動問題分析及解決方法

張萬兵*

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司)

氣田濕氣壓縮機實施串聯運行后，當外輸氣量超過32.5萬m3/h時，機組出口管線出現較大的振動。對壓縮機出口管線振動的原因進行了分析，并通過優化機組的串聯運行參數，解決了機組出口管線振動大的問題。

濕氣壓縮機管線振動串聯運行參數

1 氣田工藝流程簡介

東方1-1氣田由一個中心平臺（CEP）和三個井口平臺（WHP E/A/B，設備流程中設備代號，下同）組成。來自CEP平臺井口采氣樹的天然氣，在經過生產管匯后進入海水冷卻器（CEP-WC-2110）冷卻至37℃左右，然后進入生產分離器（CEP-V-1410）進行氣液兩相分離。氣田井口平臺（WHP E/A/B）生產的天然氣經海水冷卻后進入設置于CEP平臺相應的段塞流捕集器(CEP-V-1510/1520/1530)，穩流除液后與中心平臺生產分離器出口的天然氣匯集于總管，然后進入壓縮機組。

濕氣壓縮機系統由3臺串聯運行的相互獨立的機組組成，包括2510（設備流程中設備代號簡稱，下同）機組、2610機組、2710機組，每臺機組又包括旋流分離器、壓縮機、海水后冷卻器三部分。

圖1為東方1-1氣田濕氣壓縮機流程圖。

2 濕氣壓縮機串聯運行存在的問題及原因分析

2.1 存在問題

在2510和2710機組串聯、2610和2710機組串聯兩種運行模式中，當外輸氣量超過32.5萬m3/h時，2710壓縮機出口管線以及中層甲板壓縮機出口管線和附屬的消防管線振動偏大。而2510和2610機組串聯時，外輸氣量達到34.5萬m3/h，壓縮機出口管線和中層甲板壓縮機出口管線以及附屬的消防管線均無振動現象。單獨啟動2610機組管線也無振動現象。從以上現象推斷，引起管線振動的原因并不是外輸氣量大。東方1-1氣田對振動原因進行了系統分析并采取了減振措施，取得了良好的效果[1]。

圖1 東方1-1氣田濕氣壓縮機流程

2.2 原因分析

2.2.1 壓縮機工藝配管設計不恰當

東方1-1氣田安裝的3臺壓縮機都為Solar C402型，機組本身的設計是完全一樣的，但2710機組的出口管線及旋流分離器的配置與另外2臺不同，其中2510和2610機組進口管線均是508 mm(20英寸)，而2710機組進口管線是406 mm(16英寸)；2510機組出口管線是508 mm(20英寸)，2610和2710機組出口管線是406 mm(16英寸)。同時，2710機組的旋流分離器較2510和2610機組也小，2510和2610機組的旋流分離器尺寸為?2 100 mm×5 500 mm，而2710機組的旋流分離器尺寸為?1 900 mm×5 500 mm。在工藝設計上，3臺壓縮機均可單獨使用而互為備用。2710壓縮機的進出口管線均為406 mm(16英寸)，同時2710機組的旋流分離器尺寸偏小，因此在相同氣量條件下，經2710機組壓縮的天然氣流速均略高于其他2臺壓縮機。

2.2.2 串聯運行工況的制約

在傳統觀念上，壓縮機組串聯時，前級機組的轉速比后級機組轉速高，其原因如下：在串聯的兩臺壓縮機轉速相同的情況下，由于流經兩臺壓縮機的氣流流量相同，而前級機組壓縮比遠大于后級機組，致使前級機組喘振邊界遠低于后級機組。通常，影響壓縮機喘振的因素為氣量與壓縮比，轉速越高壓縮比越大，氣量與喘振邊界成正比，壓縮比與喘振邊界成反比。當需要提高氣量時，同時提高前級與后級機組轉速，則前級機組較后級機組先達到喘振邊界極限，此時如想再提高產量只能提高后級機組轉速，因為只有后級機組仍有余量[2]。

在實際運行中，串聯機組的后級機組轉速均大于前級機組轉速：

(1）2510和2610機組串聯時，2510機組轉速是88%，2610機組轉速是90.5%；

(2）2510和2710機組串聯時，2510機組轉速是88%，2710機組轉速是90%；

(3）2610和2710機組串聯時，2610機組轉速是89%，2710機組轉速是91%。

不論是2510與2710機組串聯，還是2610與2710機組串聯，2710機組均作為后級機組運行，其轉速總是最高，而其進出口管線管徑卻是最小的，當2710機組提高轉速增加氣量后，相應地天然氣流速增加，外輸壓力增大，管輸條件下的天然氣密度增大，壓縮機輸出功率增大，單位體積的天然氣動能及動量均增大，其振動相應增大。

在實際運行中，當外輸氣量在32.5萬m3/h時振動明顯加強。若使用2710壓縮機，為保障安全生產只能將產量控制在32.5萬m3/h。壓縮機在NGP(norminal gas produce，名義氣體發生器)控制模式時，提高NGP轉速，NPT（norminal power turbine，名義動力透平）就相應提高，氣量也相應提高，因此要避免管線劇烈振動，壓縮機NGP轉速必須作相應調整。

3 解決措施

3.1 改造機組管線

目前的壓縮機管線的固有頻率和平臺目標產量情況下運行的壓縮機固有頻率存在著倍頻關系，即在產量為32.5萬m3/h以上時壓縮機與其配管發生了諧振。此外，2710機組管線布局還存在諸多的不合理性，配管也有設計問題。最徹底的解決辦法是通過改造相應的工藝管線來消除這些振源。然而要消除振源，意味著要重新配管，重新安裝管線，這對于氣田來說是難以實現的。其理由如下：

（1）重新配管需要投入大量資金。

（2）對于原有管線的拆除，需要動用大型船舶、吊裝設備，安排船期等要調動的資源比較多。

（3）管線改造的工作量大，改造耗時較長。以目前的自噴產能條件，不使用壓縮機產量目標不可能完成，滿足不了下游用戶的需求。

（4）海上平臺對安全要求極其高，尤其是采氣平臺，大型動火作業嚴重危及平臺安全，平臺空間狹小對人員配置也有限制。

（5）平臺生產區設備緊湊、管線密集，重新布局管線在空間上存在較大的難度，截彎取直變得困難重重。

鑒于海上平臺管線改造的上述難點，拆除原有管線重新配管安裝布置，出于經濟上和安全上的考慮，這一方案不可取。

3.2 調整壓縮機運行參數

考慮到振動的主要因素是2710壓縮機組的固有頻率與管線的固有頻率存在倍頻關系，那么可以通過調整壓縮機運行參數來減小2710壓縮機組的頻率，使其遠離壓縮機管線的固有頻率，進而減小振動。

在目前的產量目標下，壓縮機串聯運行時任何一臺壓縮機運行參數都有距喘振邊界線約10%的余量，這就使調整壓縮機參數成為可能。2011年7月，技術人員打破傳統的后級機組轉速一定比前級機組高的觀念，在NGP控制模式下對2610（一級）和2710（二級）壓縮機串聯運行工況進行了調整。對于每次工況調整，均選取振動比較明顯的8個檢測點進行對比，有關數據見表1。

表12610 與2710壓縮機串聯減振試驗記錄

由表1可見，試驗1、2、3逐次提高2610壓縮機0.5%NGP，相應地逐次降低2710壓縮機0.5%NGP，2610壓縮機進口壓力變化很小，出口壓力略有提高，壓比略微升高，2710壓縮機出口壓力基本保持不變，外輸氣量同樣基本不變。此時2710壓縮機出口管線振動逐漸變小，而2610壓縮機相連的管線振動值基本不變。試驗4提高外輸產量1萬m3/h，在試驗1的基礎上保持2710壓縮機NGP不變，在原有的基礎上提高2610壓縮機NGP 2.5%，此時連接在2610壓縮機的管線振動與試驗1比較基本不變，2710壓縮機出口管線振動值與試驗1相比卻減小。

通過以上試驗得出以下結論：

（1）提高2610機NGP轉速對自身連接管線的振動值影響甚微。

（2）降低2710機NGP轉速有利于減小振動。

（3）在保持氣量不變的條件下，2610機提高的NGP轉速和2710機降低的NGP轉速調整幅度是一致的，可以減小2710機出口管線振動。

（4）提高產量時，增加2610機轉速，保持2710機轉速，2710機出口管線振動值反而略有減小。

（5）以上試驗證實了提高氣量可以通過提高2610壓縮機NGP轉速來實現，而不會導致2710壓縮機振動的增大。

以上試驗為我們提供了新的思路，兩臺壓縮機串聯時可以通過提高首級機組的NGP轉速和保持或降低末級機組NGP轉速來達到提高產量、降低振動的目的。這一方法目前已在生產中應用，并取得了較高的經濟效益，同時也合理地控制了安全風險。

4 改造和優化效果分析

4.1 創造了可觀的經濟效益

通過優化參數，氣田解決了2710壓縮機運行時的氣量瓶頸問題，使2710壓縮機在串聯時的氣量從過去的最高32.5萬m3/h提高到了目前33.5萬m3/h，每年增加外輸氣量8640萬m3，每年可創造約4320萬元的經濟效益。

4.2 增加了生產的穩定性和可靠性

2710機組出口管線振動問題解決之后，氣田3臺壓縮機可有計劃地切換，互為備用，為壓縮機的維護和保養提供了切實的保障，延長了壓縮機的使用壽命，從而增加了生產的穩定性和可靠性。

4.3 確保氣田安全生產

若用改造2710壓縮機出口管線的方法來解決壓縮機振動大的問題，施工過程將包括大型吊裝及熱工作業等。采用優化參數的方法，不僅規避了施工作業的風險，而且減小了壓縮機出口管線振動引起的天然氣泄漏的風險。

[1] 周莘莘.工藝管線振動控制研究[J].遼寧石油化工大學學報，2007，27(3)：41－42.

[2] 高路.透平壓縮機防喘振技術改造[J].吉林化工學院學報，2006，23(4)：60－61.

Analysis and Solutions of Outlet Line Vibration of Wet Air Compressor in Gas Field

Zhang Wanbing

In gas field,series operation was implemented on wet air compressors,but when the gas send-out exceeded 325 000 m3/h,the unit outlet lines occurred large-scale vibration.The paper analyzed the causes of compressors outlet lines vibration,and solved the problems by optimizing the unit series operation parameters.

Wet air compressor；Pipeline;Vibration；Series;Operation parameter

TQ 051.21

*張萬兵，男，1973年生，碩士，工程師。湛江市，524057。

2012-01-05）