壓縮機(jī)系統(tǒng)回路中平衡壓力的計算研究

郭洲，荊瀟

(海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計公司，天津300451)

在天然氣壓縮系統(tǒng)中，當(dāng)壓縮機(jī)由于某種故障出現(xiàn)關(guān)停時，壓縮機(jī)出口的高壓氣體會通過回流管線進(jìn)入壓縮機(jī)入口，從而使壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力到達(dá)平衡。因此，在工程設(shè)計當(dāng)中，基于安全方面的考慮，在確定壓縮機(jī)入口管路或設(shè)備的設(shè)計壓力時需考慮該平衡壓力。目前，相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范并無平衡壓力的計算方法，筆者期望通過模型研究分析、找到一種用于計算平衡壓力的簡單方法，為工程設(shè)計提供參考和借鑒。

1 模型研究

一般來說，當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時，壓縮機(jī)出口與進(jìn)口壓力會達(dá)到平衡狀態(tài)，此時的壓力即為平衡壓力。對于往復(fù)式壓縮機(jī)組，系統(tǒng)組成： 系統(tǒng)進(jìn)出口關(guān)斷閥、進(jìn)口氣體洗滌罐、壓縮機(jī)出口氣體冷卻器及設(shè)備間的連接管路。當(dāng)壓縮機(jī)機(jī)組出現(xiàn)故障后，整個系統(tǒng)相應(yīng)的關(guān)斷泄壓流程： 壓縮機(jī)停機(jī)—系統(tǒng)進(jìn)出口關(guān)斷閥關(guān)閉—回流閥門打開—系統(tǒng)壓力平衡—系統(tǒng)通過泄壓閥開始泄壓。下面先以簡單的一級壓縮為例來推導(dǎo)平衡壓力計算方法。

工藝流程： 天然氣首先進(jìn)入入口洗滌罐進(jìn)行氣液分離，以分離除掉天然氣中的液體及固體顆粒等；分離出的氣體進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行增壓；壓縮后的氣體隨后經(jīng)過出口冷卻器進(jìn)行冷卻；冷卻后的氣體最終達(dá)到用戶。工藝流程如圖1所示，其中入口管系指壓縮機(jī)入口關(guān)斷閥與壓縮機(jī)入口所包括的設(shè)備及管線，出口管系指壓縮機(jī)出口關(guān)斷閥與壓縮機(jī)出口所包括的設(shè)備及管線。

圖1 單級壓縮系統(tǒng)流程示意

2 假設(shè)及計算方法

2.1 假 設(shè)

為了簡化研究模型和便于推導(dǎo)平衡壓力的計算公式，在壓縮機(jī)關(guān)停時，作如下幾點假設(shè)：

1) 入口洗滌罐內(nèi)液位處于正常液位。

2) 氣相管線內(nèi)的液體體積忽略不計。

3) 壓縮機(jī)內(nèi)氣體的體積不考慮。

4) 在進(jìn)出口管系氣體壓力達(dá)到平衡壓力這段時間內(nèi)(一般平衡時間很短)，不考慮管線和設(shè)備的氣體與外界的熱損失。

2.2 計算方法

在進(jìn)出口管系中氣體壓力到達(dá)平衡前后，氣體沒有損失，整個氣相系統(tǒng)的質(zhì)量守恒，即

(1)

式中：p1——入口壓力，MPa；V1——入口管系中氣體實際體積之和，m3；T1——入口溫度，℃；p2——出口壓力，MPa；V2——出口管系中氣體實際體積之和，m3；T2——出口溫度，℃；ps——平衡壓力，MPa；Vs——整個系統(tǒng)氣體實際體積之和(V1與V2之和)，m3；Ts——平衡溫度，℃。

對理想氣體來說，氣體的內(nèi)能與溫度成正比，即：

E=nx(i/2)RT

(2)

式中：E——?dú)怏w內(nèi)能；n——理想氣體的物質(zhì)的量；R——普適氣體常數(shù)；T——?dú)怏w溫度；i——常數(shù)，單原子分子i取3，雙原子分子i取5，三原子分子及以上(適用于天然氣)，i取6。

在壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力到達(dá)平衡這段時間內(nèi)，不考慮系統(tǒng)與外界的熱損失，平衡前后氣體能量守恒，即

n1T1+n2T2=(n1+n2)Ts

(3)

式中：n1——入口管系中氣體物質(zhì)的量之和，mol；n2——出口管系中氣體物質(zhì)的量之和，mol。

根據(jù)質(zhì)量守恒與能量守恒公式，可以得出如下平衡壓力計算公式：

(4)

2.3 多級壓縮與級間回流系統(tǒng)

針對有多級壓縮(兩級及以上)、且每級之間均設(shè)有回流管線的天然氣壓縮系統(tǒng)，當(dāng)壓縮機(jī)組關(guān)停后，壓縮機(jī)入口、出口以及級間的氣相空間會形成連通，其壓力最終會達(dá)到壓力平衡，其平衡壓力計算方法與單級壓縮系統(tǒng)類似。系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 二級壓縮系統(tǒng)工藝流程示意

結(jié)合對單級壓縮系統(tǒng)的分析結(jié)果，對多級壓縮與有級間回流的壓縮系統(tǒng)來說，平衡壓力可以通過如下公式計算得出：

(5)

式中：p3——關(guān)停前級間壓力，MPa；V3——級間氣體實際體積之和，m3。

對于多級壓縮無級間回流的壓縮系統(tǒng)，其研究模型同單級壓縮，故其平衡壓力計算方法同單級壓縮系統(tǒng)。

3 工程實例

平衡壓力會影響壓縮機(jī)入口管線及設(shè)備設(shè)計壓力的確定，如不考慮平衡壓力的影響，壓縮機(jī)入口管線和設(shè)備的設(shè)計壓力選取值有可能偏小，存在一定安全隱患。下面就分別以兩個工程設(shè)計實例來說明平衡壓力對設(shè)計壓力的影響。

3.1 東海某氣田項目(一級壓縮)

該項目為油氣田，氣源為伴生氣，初始壓力較高為4MPa(A)，需要通過一級增壓至9MPa(A)后經(jīng)天然氣脫水系統(tǒng)處理外輸。壓縮機(jī)工藝流程如圖1所示。根據(jù)管線長度、管徑、設(shè)備尺寸、廠家資料等信息，入口管系和出口管系壓力和氣體體積見表1所列。

表1 一級壓縮系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)及平衡壓力

根據(jù)一般工程設(shè)計經(jīng)驗，如不考慮平衡壓力，入口管路設(shè)計壓力約為3.35MPa(A)(設(shè)計壓力選取值高于操作壓力0.35MPa)。從表1可以看出，計算出的平衡壓力值大于壓縮機(jī)入口管路操作壓力，也大于入口管系設(shè)計壓力(不考慮平衡壓力情況下確定的)，那么入口管線設(shè)計壓力明顯偏低，對安全生產(chǎn)操作會造成不利影響。因此，在確定該項目壓縮機(jī)入口管系設(shè)計壓力時，綜合考慮了其他多種因素，最終確定入口設(shè)計壓力為4.5MPa(A)。

3.2 渤海某油田項目(二級壓縮)

該項目為油田，伴生氣初始壓力為0.6MPa(A)，氣體首先經(jīng)一級壓縮增壓至1.5MPa(A)，隨后通過二級增壓至3.85MPa(A)，增壓后的氣體為燃料氣系統(tǒng)提供燃料。根據(jù)管線長度、管徑、設(shè)備尺寸、廠家資料等信息，入口管系、出口管系以及級間壓力和氣體體積見表2所列。

如不考慮平衡壓力，入口管路設(shè)計壓力約為0.95MPa(A)(設(shè)計壓力選取值高于操作壓力0.35MPa(A))。考慮平衡壓力后，入口管系系統(tǒng)設(shè)計壓力為1.5MPa(A)。

表2 二級壓縮系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)及平衡壓力

4 結(jié)論及建議

由于壓縮機(jī)從關(guān)停到壓力達(dá)到平衡這段時間內(nèi)，管系中氣體不可避免與外界有熱交換，這部分損失的熱量難以估算，會對平衡壓力的計算帶來一定影響，因而基于保守考慮，在計算平衡壓力時，可以考慮如下建議：

1) 以系統(tǒng)壓力關(guān)斷值(PAHH)作為計算輸入數(shù)據(jù)(包括入口、級間和出口管系)，以此為條件所確定的平衡壓力為系統(tǒng)故障時的最大平衡壓力，為安全生產(chǎn)操作提供可靠保障。

2) 在評估平衡壓力對壓縮機(jī)入口系統(tǒng)設(shè)計的影響時，需要整體考慮，以便能最經(jīng)濟(jì)合理確定設(shè)計壓力。由于平衡壓力會影響入口管系系統(tǒng)的設(shè)計壓力的選擇，適當(dāng)增大入口管系系統(tǒng)氣相體積(如加大管線管徑、增大入口洗滌罐氣相空間)，能減小平衡壓力，進(jìn)而減小設(shè)計壓力，從而在一定程度上降低工程投資。

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