兩級串聯式無油螺桿壓縮機在南海氣田群低壓火炬氣回收應用中的儀電調試淺析

摘 要：南海底下儲藏著超過2 000億m3的天然氣資源，運用無油螺桿壓縮機回收不僅環保，而且還能提高產氣效率。現介紹了用于回收天然氣的螺桿式壓縮機的設計組成，并按照工藝設計自動控制系統;同時，對調試投產過程中以工藝為導向，遇到問題后快速理清思路推導解決問題的方法這一過程進行了闡述。

關鍵詞：無油螺桿壓縮機;工藝設計;變頻器加循環回流調節自動控制

1? ? 機組工藝設計

兩臺螺桿壓縮機分別由兩臺防爆變頻電機驅動，頻率范圍5～60 Hz，壓縮機冷卻采用噴液工藝，保證壓縮機出口溫度小于85 ℃。工藝末端設置氣液分離罐，配置排液系統。閃蒸罐壓力約100 kPa（G），溫度20 ℃左右的混合烴類天然氣，安裝有自動調節的放空閥，設定壓力為100 kPa（G），超過100 kPa（G）時會自動響應進行放空。經一級壓縮后的氣體壓力為460 kPa（G），經過極間冷卻，到二級入口再次壓縮，排氣壓力為1 750 kPa（G），過二級冷卻器冷卻后經氣液分離罐進行氣液分離，最后外輸至后續工藝管道，外輸管道上設有循環回流閥和卸荷閥。

2? ? 控制系統設計

一級入口設定需要比閃蒸罐的放空閥壓力低，閃蒸罐放空壓力設定為100 kPa（G），那么一級入口壓力設定范圍就在100 kPa（G）以下的區間。一級壓縮機入口的壓力控制根據兩個條件，一是根據一級主電機轉速調節，二是循環回流閥調節。根據以上工藝條件，分別設置兩個設定壓力值。在啟動初級階段，將循環回流閥的壓力設定值維持在85～90 kPa（G），此時循環回流閥由原來的全開狀態開始緩慢關閉，出口壓力開始上升。機組穩定外輸后，出口壓力維持在1 700 kPa（G）以上，此時循環回流閥已全部關閉，入口壓力持續上升，這時需要一級變頻電機的控制參與，將變頻電機的壓力設定為95 kPa（G），當壓力超過這個值后，變頻器開始加速，保證閃蒸罐內部的壓力始終維持在100 kPa（G）以下。

3? ? 調試

機組在調試運行階段多次出現聯鎖跳機，后總結出分析問題的方法和思路如下：

描述：二級出口壓力低低聯鎖停機。

設定：一級電機限制頻率18～24 Hz，二級電機限制頻率18～49.5 Hz。入口壓力控制設定為100 kPa（G）左右，二級入口壓力控制設定為450 kPa（G）。一級電機定頻18 Hz啟機，循環回流閥手動，一級入口壓力控制設定緩慢降至95～97 kPa（G），穩定外輸后全部切換自動控制。

機組進行正常的工藝氣外輸運行一段時間后，一級入口持續升壓，最高可到190 kPa，現象為：入口壓力波動，一級電機加速，壓力先上升后下降，二級入口壓力始終小于450 kPa（G），二級電機頻率持續下降，二級電機出口壓力持續下降直至“二級出口壓力低低”聯鎖停機。

處理：調整一級、二級電機的PID參數，但此現象依然出現。啟機過程中，二級出口壓力達1 300 kPa后，一級出口壓力始終比二級進口壓力顯示小，相差50～100 kPa。在穩定外輸后，二級電機基本上在高頻率運轉。調小二級循環噴液閥后開度，差值有所減小，但依然相差約50 kPa。

分析：按照正常思路考慮，二級入口壓力和一級出口壓力應保持大致一致，中間只經過冷卻罐。檢查發現二級入口壓力取樣點正對二級循環噴液管線噴口，從而影響了二級進口壓力反饋正確性。

處理：（1）將二級電機的控制壓力設定由二級進口壓力變為一級出口壓力，測試對比發現，調整后二者壓力值幾乎相同（這也可說明二級變頻電機電流始終居高不下，始終輸出高轉矩的一個誘因）;（2）重新調整二級入口壓力取壓點，調整后運行效果好轉，可持續正常運轉時間更長，但還是會出現聯鎖停機。

進一步現象：調看數據曲線發現，出現聯鎖停機時，閃蒸罐壓力并沒有一級入口壓力曲線中壓力報警時那么大，確認問題出現在一級循環噴液閥管線（一級循環噴液閥補液管線可能會串氣導致入口壓力波動，里面的凝析油變氣體導致壓力增高）。觀察運行過程中一級入口溫度始終處于低溫狀態，為0～5 ℃。

進一步處理措施：

（1）將一級入口壓力取樣點轉移至入口切斷閥后的旁通管線預留口;

（2）手動打開循環回流閥開度，嘗試讓一級入口溫度持續維持在10 ℃以上運行。

這一次嘗試未能成功解決問題，機組依然出現聯鎖停機。

深度分析：

（1）確認為一級循環噴液閥補液管線問題，應該是凝析油氣化所致。前端閃蒸罐氣源溫度為13 ℃左右，但一級入口溫度會降低到0 ℃左右甚至更低，究其原因一級循環噴液閥補液管線至一級入口過程中，凝析油氣化過程吸熱，導致周圍溫度持續下降，這就解釋了為什么一級入口溫度會緩慢降低。撬體末端的氣液分離罐從罐底排液，水比凝析油重，會沉在罐底，多次排液后，分離罐中的水逐漸減少直到排空，剩下的全部是凝析油，并通過循環噴液管線，帶壓的油從分離罐底部壓入到常壓的壓縮機入口處，壓力急劇下降（由1 700 kPa（G）下降至100 kPa（G））后氣化，導致壓縮機入口天然氣產生紊流，造成一級壓縮機入口吸不到來自前段緩沖罐的來氣，入口溫度的降低將導致壓縮機容積效率降低（設計入口氣體溫度為19～35.5 ℃），一級壓縮機排氣流量能力降低，導致級間壓力低，觸發二級電機降頻減速，最終二級出口壓力持續下降，聯鎖停機。

（2）分析調取一級壓縮機入口壓力曲線，壓力大于前端閃蒸罐壓力。原因：一級壓縮機入口循環噴液中凝析油持續不斷氣化，并不斷累積產生氣阻，導致噴液處和入口管線壓力持續上漲，甚至高于閃蒸罐壓力。

分離罐改造：如圖1所示，隨著上層凝析油的不斷增加，到一定液位時會從增高的引流管內排出，這樣始終保留底部的水來進行循環噴液，以保障機組整體運行的穩定。

4? ? 結語

通過這次機組投用，總結出了大量寶貴的工程經驗，為后續螺桿壓縮機在以天然氣為主的工藝氣生產中應用奠定了基礎。

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收稿日期：2020-03-30

作者簡介：金其龍（1989—），男，上海人，維修電工技師，研究方向：螺桿機械電氣儀表自動化設計調試。