大慶油田輕烴回收裝置離心式壓縮機節能措施探討

張赴先（大慶油田有限責任公司天然氣分公司規劃設計研究所）

引言

大慶油田天然氣分公司已建輕烴回收裝置共計17套，其中淺冷裝置10套，濕氣深冷裝置5套，干氣深冷裝置2套。輕烴回收裝置壓縮機高壓電動機共計41臺，總功率6.13×104kW，功率最低為450 kW，最高為7200 kW，壓縮機高壓電動機耗電量占裝置耗電量的70%～80%，節能降耗空間很大。

根據喇薩杏油田原油產量及氣油比預測數據分析。“十三五”期間，伴生氣量將呈逐年減少趨勢。天然氣分公司的輕烴回收裝置運行過程中，應以保證濕氣深冷裝置在較高負荷率下運行為原則的前提下，提高為干氣深冷裝置提供原料的淺冷裝置負荷，提高全油田天然氣深冷化率；同時要保證滿足檢修期間伴生氣的處理要求，最大限度地減少濕氣放空。在上述原則下，做好輕烴回收裝置的節能降耗工作，需根據伴生氣量逐年減少的趨勢，通過區域伴生氣管網及裝置適應性分析等手段，進行合理的氣量調配，確定每套輕烴回收裝置的處理氣量范圍；同時為是否對部分裝置壓縮機高壓電動機進行高壓變頻節能改造提供依據。

1 離心式壓縮機負荷率控制

1.1 離心式壓縮機電能消耗的影響因素分析

離心式壓縮機的電耗與濕氣處理量、環境溫度、壓力比及效率等因素有關[1]，具體情況如下：

1.1.1 環境溫度、壓縮機效率、等溫效率的影響

環境溫度及壓縮機效率受自然條件、設計等因素影響大，受人為因素影響小，基本上可以看作常數；壓縮機的等溫效率上升，則耗電量下降。等溫效率與操作條件有著非常密切的關系。所以，在操作中重點是確保氣體在各級冷卻器里得到充分冷卻，使壓縮機盡量趨近于等溫壓縮，有效提高壓縮機的等溫效率，降低壓縮機電耗。由此可以看出，輕烴回收裝置壓縮機級間空冷器的降溫效果是否良好將影響機組耗電量的大小。

1.1.2 壓縮機出入口壓力比值的影響

一般來說，壓縮機流量一定的前提下，壓力比值與耗電量成正比變化，但天然氣分公司輕烴回收裝置流量會在一定范圍內波動，流量小，壓力比值增大，耗電量降低；流量大，壓力比值降低，耗電量升高。通過對杏V-1淺冷裝置2015—2016年壓縮機出入口壓力比值與壓縮機電流的變化趨勢進行分析，可以發現壓縮機出入口壓力比值與壓縮機電動機耗電量兩者大約成反比變化，壓縮機出入口壓力比值下降，則耗電量上升。圖1是杏V-1淺冷裝置壓縮機電流（A）與壓縮機出入口壓力比值的變化關系曲線，左側縱坐標為出入口壓力比值，右側縱坐標為壓縮機電流，壓縮機電動機額定電流280 A。

圖1 2015—2016壓縮機出入口壓力比值與壓縮機電流的變化曲線

圖2 2016年全年日負荷率、日壓縮機電流變化曲線

1.1.3 壓縮機濕氣處理量的影響

通過對多套采用離心式壓縮機組的輕烴回收裝置2016年的月處理濕氣量與月裝置耗電量統計數據進行分析，可以發現濕氣處理量與耗電量成正比，壓縮機的濕氣處理量下降，則耗電量下降。圖2是杏V-1淺冷裝置壓縮機電流（A）與負荷率（%）的變化關系曲線，負荷率及壓縮機電流值均對應于左側縱坐標，壓縮機電動機額定電流280 A。

但是，當大慶油田伴生氣量下降，離心式壓縮機負荷率降低到一定程度時，被壓縮氣體將會在葉輪的非工作面形成脫流團，造成沖擊損失急劇增加。這不僅使流量損失增加，效率下降，還會導致氣流從管網倒回壓縮機，引起機身強烈振蕩并出現離心式壓縮機的"喘振"現象。在冬季裝置負荷率較低時，一般采用打回流的方法以避免機組發生喘振，這就造成了電能的巨大浪費。

為了達到節能目的，減少不必要浪費，便需要確定出喘振發生的臨界點的負荷率。

1.2 機組負荷率最優控制點的確定

1.2.1 離心式壓縮機的特性曲線

離心式壓縮機的特性曲線通常是指，出口絕對壓力p2與入口絕對壓力p1之比（或稱壓縮比）和入口體積流量Q的關系曲線（圖3）。

對離心式壓縮機，由于它的性能曲線大多呈駝峰型[2]，連接離心式壓縮機不同轉速下的特性曲線的最高點，所得曲線稱喘振極限線，其左側部分稱為喘振區，如圖3中陰影部分。喘振情況與管網特性有關。管網容量越大，喘振的振幅越大，而頻率越低；管網容量越小，則情況相反。

圖3 離心式壓縮機的特性曲線

1.2.2 壓縮機的喘振極限線

對于喘振極限線（圖4），可以通過理論推導獲得數學表達式[3]。在工程上，為了安全上的原因，在喘振極限線右邊，建立一條“安全操作線”，作為壓縮機允許工作的界限。

圖4 喘振極限線及安全操作線

這條安全操作線可與一個拋物線方向近似，其經驗公式為

式中：Q1——吸入口氣體的體積流量，m3/h；

T1——吸入口氣體的絕對溫度，K；

p1、p2——入口、出口的絕對壓力，MPa；

Κ，a——常數，一般由壓縮機制造廠家給出，a有等于0、大于0和小于0三種情況。

1.2.3 杏V-1淺冷裝置壓縮機最優負荷率的確定

以杏V-1淺冷裝置為例進行說明。杏V-1淺冷裝置于1983年投產，2008年對壓縮機進行了改造，現設計處理規模30×104m3/d，壓縮機高壓電動機功率2620 kW。查詢壓縮機資料可知，K=7.64×10-5，a=2.32，將其代入公式（1）可求得：

裝置正常運行情況下負荷率φ為

負荷率最優控制點為

杏V-1站裝置正常運行情況下，為了確保裝置不發生喘振現象，達到節能降耗的目的，可以利用出入口壓力比值（最佳出口壓力可根據壓縮機參數及裝置工藝軟件模擬得到）與入口氣體的絕對溫度值，確定出壓縮機組負荷率的最優控制點。

以2016年12月數據為例，p2/p1取全月平均值18.36，T1=2+273=275 K，將其代入公式（3）可求得：

所以，如果要保證壓縮機不打回流而造成電能的巨大浪費，杏V-1站2016年12月的入口濕氣量應控制在0.76×104m3/h以上，負荷率相應控制在60.79%以上。確定了輕烴回收裝置處理氣量的基本范圍后，結合區域伴生氣管網現狀進行合理的氣量調配，可減少壓縮機組回流量，達到節能降耗的目的；同時也為是否對天然氣分公司部分壓縮機電動機進行變頻改造提供了依據。由于各區域伴生氣管網、輕烴回收裝置的適應性、盡量減少濕氣放空等實際條件的制約，要將壓縮機組的負荷率控制在最優控制點存在一定的難度，節能效果還需要進一步驗證。

2 離心式壓縮機工藝參數調節

2.1 壓縮機電動機安裝高壓變頻器的必要性

對于輕烴回收裝置原料氣壓縮機配備的高壓電動機，在考慮了工況的變化和啟動容量的需要后，所配備容量都大于實際輸出功率，尤其是“十三五”期間，伴生氣量將呈逐年減少趨勢，壓縮機組平均負載率和平均運行功率都將較低，因此節電的潛力非常巨大。現階段對高壓電動機節能降耗最有效的方法之一就是應用高壓變頻器。變頻器能實現調速、軟啟動、工藝調節三個方面的功能，具有高效率、高功率因數等特點，能廣泛應用于壓縮機組、風機、泵類設備上，被國內外公認為最有發展前途的調速設備。

傳統的定速壓縮機僅在設計工況下有較高的能效比[4]，在其他情況下能效比就相對比較低；而壓縮機加裝高壓變頻器后可以根據不同的氣量需求來調節轉速，可以實現完全的自動控制，使變頻壓縮機提高了能效比，擴大了高能效比的范圍，改善了運行工況，也簡化了工藝操作。考慮到伴生氣處理量存在逐年減少的可能性，高壓變頻器在壓縮機組工藝調節方面的優越性會逐漸突顯。目前市面上高壓變頻器功率范圍可從200 kW直到9600 kW，天然氣分公司高壓電動機均可定制對應的變頻器。

2.2 離心式壓縮機工藝參數調節的實現

天然氣分公司已在薩南深冷裝置壓縮機上試用高壓變頻裝置，為電動機廠家配套定制，采用的是上海廣電電氣（集團）股份有限公司生產的Innovert系列高壓變頻調速系統，其壓縮機高壓電動機電壓為6 kV，功率4200 kW。深冷裝置已于2017年11月正式投產。

離心式壓縮機對天然氣的流量、壓力和溫度都有非常嚴格的要求，也就是要求壓縮機工作點的穩定[5]。影響壓縮機工作點穩定的因素主要有兩個，一是干擾，二是工作點的改變[6]。但是干擾是隨機不可預知的，而且由于控制器的存在，出現干擾時控制器會自動消除誤差，因此干擾可以看成是工作點改變的特例。

2.2.1 離心式壓縮機工作點不穩定的原因

目前對離心式壓縮機流量、出口壓力的控制大多采用兩個獨立的PID控制器，分別發出控制動作消除各自的誤差[7]，但這種控制方式沒有考慮到離心式壓縮機自身的特性以及各自執行器調節時間的不同；因此，在調節時會互相干擾，導致離心式壓縮機工作點波動，從而影響輕烴回收裝置的穩定運行。

離心式壓縮機的工作點只能位于其性能曲線上，如圖3所示。圖5畫出了新建的薩南深冷裝置壓縮機在轉速分別為n1、n2、n3時的3條性能曲線，其中n1=12 647 r/min，n2=12 045 r/min，n3=11 443 r/min。一般的離心式壓縮機組的控制分為兩部分：一是通過轉速來控制出口壓力；二是通過入口調節閥控制流量。這樣，離心式壓縮機的工藝調節就分為三種情況：

圖5 薩南深冷裝置壓縮機性能曲線和工作點

①固定流量調節出口壓力。改變離心式壓縮機的轉速就可以讓離心式壓縮機處于不同的性能曲線上運行，可以在不改變流量的前提下獲得不同的出口壓力，如圖5中A到B點。

②固定出口壓力調節流量。由于離心式壓縮機的工作點只能在其性能曲線上，因此在調節流量的同時會使出口壓力發生變化，此時出口壓力控制器也會產生作用，如圖5中A到C點。流量增大時，工作點只能夠沿著性能曲線AE移動，此時出口壓力下降，從而令出口壓力控制器提高離心壓縮機的轉速來提高出口壓力。

③出口壓力和流量同時調節。圖5中A至D點，壓力和流量控制均未達到設定值，都需要主動調節。如果流量控制器先到設定值，則問題可轉化為①；如果壓力控制器先到達設計值，問題可轉化為②。

2.2.2 離心式壓縮機流量壓力的協調控制特點

協調控制的上位級協調控制器可以使流量和出口壓力控制器協調工作，使工作點按期望的運行軌跡平穩變化，其特點主要有：

1）根據離心式壓縮機固有特性來確定參考軌跡，減小了工作點調節過程中壓力控制器被動跟蹤對工作點穩定性的影響。

2）根據執行器的調節時間來確定參考軌跡的變化速度，令流量和出口壓力在調節過程中同步變化，減小了執行器調節時間不同對工作點穩定性的影響。

3）當工作點距離喘振線過近時，減小工作點的波動可以有效防止壓縮機進入喘振區。

2.2.3 薩南深冷裝置調整改造工程中壓縮機流量壓力控制策略

薩南深冷裝置調整改造工程中原料氣壓縮機根據來氣量（16 489.7～23 471 Nm3/h）、來氣壓力（0.13～0.2 MPa）、來氣溫度（-5～30℃）共計3個參數預設了四種運行工況。壓縮機的機械設計及流量壓力控制均建立在四種運行工況之下。

控制目標：在n1、n2、n3三個轉速下，通過調節流量，確保出口壓力在壓縮機性能曲線上運行，如圖5所示。

控制參數：壓縮機轉速，入口壓力調節閥開度。

控制策略：在壓縮機控制系統中設置上位級協調控制器，根據不同的來氣壓力、溫度及流量范圍確定轉速，因來氣壓力低，造成壓縮機不能在性能曲線上運行時，適當增加入口壓力調節閥開度，增大入口管線壓差，加大流量，使壓縮機遠離喘振區運行。

2.3 壓縮機電動機安裝高壓變頻器后的節能效果

伴生氣處理量減少時，壓縮機加裝高壓變頻器后可以根據不同的氣量需求來調低轉速，如圖5的C點至A點，可以實現出口壓力的自動控制，滿足工藝參數要求，改善了運行工況，也簡化了工藝操作。同時，轉速降低后壓縮機組功率降低，電能消耗降低，如圖6所示。

圖6 薩南深冷裝置壓縮機變頻調速后的功率變化

薩南深冷裝置于2017年11月1日正式投產運行，由于裝置操作需要，高壓變頻器處于工頻運行狀態，僅承擔壓縮機電動機的軟啟動功能。壓縮機電動機高壓變頻器于2018年4月轉換為變頻運行狀態。表1為裝置投產至今共計7個月的處理量及耗電指標統計，其中2017年11月至12月、2018年4月至5月裝置負荷率在80%～90%，2018年1月至3月裝置負荷率在97%左右。從處理量及電單耗的趨勢可以看出，2017年11月至2018年3月高壓變頻器工頻運行期間，當負荷率降低時，裝置的原料氣單耗有明顯提高；這說明裝置投產初期運行調節中，由于高壓變頻器處于工頻運行狀態，在負荷降低時變頻器未發揮出節電效果。2018年4月至5月高壓變頻器處于變頻運行狀態，與2018年3月相比，在裝置負荷率降低時，原料氣單耗降低0.002 kWh/m3左右，月節電3.62×104kWh，月節約運行成本2.29萬元；與裝置投產初期的頭兩月相比，同樣在80%～90%負荷率的情況下，節能效果更加明顯。

表1 薩南深冷裝置處理量及耗電指標統計

3 結論

在“十三五”期間伴生氣量逐年減少的趨勢下，通過氣量調配等手段使壓縮機組負荷率處在最優控制點以上，使裝置負荷率較低時避免打回流造成電能的巨大浪費。壓縮機組負荷率最優控制點的確定還需要對各區域伴生氣管網及輕烴回收裝置適應性進行深入分析，確定每套輕烴回收裝置的處理氣量范圍，從而進行合理的氣量調配。

在保證濕氣深冷和為干氣深冷提供原料的淺冷裝置在較高負荷率下運行的前提下，剩余的輕烴回收裝置（如杏三、杏九、杏V-1、喇二淺冷）可考慮采用高壓變頻器對天然氣壓縮機進行節能改造，使壓縮機性能調節范圍變大；如當轉速n由100%降到70%時，喘振界限將向左移動30%左右，解決了伴生氣量逐年減少后引起不穩定工況的問題，同時也大幅節約了電能，起到了節能降耗的作用。