管線離心壓縮機(jī)入口流量波動診斷及對策研究

王磊，岳三琪，夏敏，趙志超，陳福林

（中石化重慶天然氣管道有限責(zé)任公司，重慶 408001）

1 故障描述

某天然氣長輸管道增壓站新建三套離心式壓縮機(jī)組，主機(jī)機(jī)型PCL355，設(shè)計參數(shù)見表1。進(jìn)行防喘振測試過程中，當(dāng)機(jī)組在防喘振管線內(nèi)打小循環(huán)時，壓縮機(jī)入口孔板流量計測得流量值存在較大范圍波動，且流量值比正常情況偏小22%左右，偏小約33000～35000Nm3/h，防喘振測試時天然氣流向圖和入口壓力波動曲線如圖1、2所示。防喘振流量波動造成無法精確測試壓縮機(jī)的工況點(diǎn)、準(zhǔn)確繪制防喘振曲線，影響壓縮機(jī)的長期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2 流量波動誘導(dǎo)因素排查

從儀表、自控系統(tǒng)、防喘閥、孔板、天然氣流態(tài)等方面逐項(xiàng)排查誘導(dǎo)因素，找出入口流量波動的根本原因。

表1 PCL355型離心式壓縮機(jī)組設(shè)計參數(shù)表

2.1 儀表

通過孔板流量計變送器閥組排污，清理出少量污物，清理后問題未解決。

隨后，數(shù)次更換標(biāo)定的差壓變送器，并吹掃引壓管、取壓閥等組件，問題未解決，排除儀表本質(zhì)故障的可能性

2.2 自控系統(tǒng)

圖1 防喘振測試天然氣流向圖

圖2 壓縮機(jī)入口流量曲線

本機(jī)組采集的流量計差壓值傳輸至試車合格機(jī)組的自控系統(tǒng)后，依然存在流量波動現(xiàn)象，且經(jīng)專業(yè)工程師診斷自控系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)異常，因此，排除自控系統(tǒng)硬件和程序可能存在的問題。

2.3 防喘閥

防喘閥內(nèi)部堵塞引起流通面積縮小可能導(dǎo)致流量波動且偏小，拆卸并檢查防喘振閥，內(nèi)部存在少量雜質(zhì)但閥門動作正常，專業(yè)工程師分析判斷后，認(rèn)為少量雜質(zhì)不會影響閥門性能。

2.4 孔板

拆卸并查看孔板流量計表面清潔度，表面附著少量黏稠雜質(zhì)，但不會引起流量波動；隨后，依據(jù)圖紙核對流量計安裝方向是否正確，經(jīng)檢查安裝無誤；最后，核驗(yàn)孔板流量計規(guī)格型號、內(nèi)徑尺寸等參數(shù)是否與設(shè)計圖紙相符，經(jīng)查驗(yàn)各參數(shù)符合設(shè)計要求。

將現(xiàn)用的進(jìn)口孔板流量計替換為某國產(chǎn)孔板流量計，并縮小孔板內(nèi)徑尺寸，孔板的β值（孔板內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑D的比值）由原來的0．7縮小至0．6，更換后啟機(jī)測試，流量波動現(xiàn)象依然存在。

3 基于流態(tài)分析的診斷

經(jīng)上述診斷后，未排查出流量波動的誘導(dǎo)因素，決定從壓縮機(jī)工藝管線天然氣流態(tài)的角度出發(fā)，分析查找問題根源。

3.1 流體力學(xué)分析

根據(jù)伯努利方程和流體流動連續(xù)性方程可得到孔板流量計前后差壓Δp與流經(jīng)孔板的體積流量QV關(guān)系為：

式中，C為流出系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；β為孔板內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑D的比值。

由式1可知，通過測量孔板兩側(cè)壓力差，可計算流經(jīng)孔板的體積流量值，這是孔板流量計的基本工作原理。

管道中體積流量QV與流體流速v有如下函數(shù)關(guān)系：

聯(lián)立式（1）和式（2）可得，孔板流量計兩端差壓與流速的關(guān)系表達(dá)式為：

根據(jù)式（3），流體處于非穩(wěn)定流態(tài)時，孔板流量計兩端差壓會出現(xiàn)波動，且孔板兩端差壓變化幅值隨流速振幅增強(qiáng)而變大，導(dǎo)致測量的流量出現(xiàn)波動。

3.2 孔板前后壓力測試

通過孔板前后壓力測試，驗(yàn)證流量波動是否由壓力波動引發(fā)。拆除流量計的差壓變送器，在孔板前后取壓口安裝2個壓力變送器，重新編程后監(jiān)測孔板前后壓力和差壓值。按照表2列出的三種工況進(jìn)行壓力測試。

表2 壓力測試的三種工況

圖3 工況一條件下孔板前后壓力曲線

圖4 工況二條件下孔板前后壓力曲線

經(jīng)測試，孔板前壓力波動范圍1．257～1．942kPa，孔板后壓力波動范圍4．6～5．108kPa，差壓波動最大值略大于5kPa，證明流經(jīng)孔板前后的流體存在波動，差壓波動是導(dǎo)致流量波動的根源。

圖5 工況三條件下孔板前后壓力曲線

表3 壓力測試參數(shù)表

3.3 流量計對比分析

經(jīng)專家組研討決定，用多孔孔板流量計替換標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計以消減差壓波動。更換前對比2種流量計的流態(tài)特征，分析多孔孔板流量計對流體流態(tài)的影響，提高解決問題的概率，減少因重復(fù)更換流量計帶來的經(jīng)濟(jì)損失和時間消耗。

對比圖6、7，與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計相比，多孔孔板流量計產(chǎn)生的渦流尺寸更小，且流經(jīng)上下游的流體能夠更快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計上下游流態(tài)圖

圖7 多孔孔板流量計上下游流態(tài)圖

標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計僅有一個流通孔徑，節(jié)流后會破壞流體層流狀態(tài)；多孔孔板流量計具有多個函數(shù)孔徑，其對稱多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能最大程度將流場平衡整流，降低渦流，流場穩(wěn)定性大大提高。

多孔孔板流量計由于流場更加穩(wěn)定，且有較強(qiáng)的壓力恢復(fù)能力，大大縮短對壓縮機(jī)入口直管段的要求，直管段最小可短至孔板前0．5D、后0．5D（D為管道內(nèi)徑），多孔孔板流量計能夠獲得更加平穩(wěn)的差壓信號，測量的體積流量更穩(wěn)定、精確。

4 多孔孔板力學(xué)分析與驗(yàn)證測試

更換前進(jìn)行孔板流量計的應(yīng)力應(yīng)變分析和水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性。

使用有限元分析軟件對孔板流量計做應(yīng)力應(yīng)變分析。經(jīng)模擬分析得出正常工況下孔板的等效應(yīng)力分布云圖和總變形圖，其最大等效應(yīng)力為54．4MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度310MPa；其最大變形為0．06mm，滿足設(shè)計要求。

經(jīng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證，多空孔板流量計能夠滿足現(xiàn)場高壓工況。

更換多孔孔板流量計后啟機(jī)測試，未出現(xiàn)流量波動現(xiàn)象。

現(xiàn)場安裝的軸流式防喘閥選型過大，調(diào)節(jié)回流流量時開度變化靈敏。通過進(jìn)一步分析和行業(yè)內(nèi)調(diào)研，防喘振測試時出現(xiàn)流量波動，是由于防喘閥選型時尺寸過大(DN250)，與壓縮機(jī)入口管徑(DN500)不匹配造成防喘閥回流氣量過大，沖擊入口天然氣，導(dǎo)致流體出現(xiàn)紊流，紊流流體通過孔板流量計測量，出現(xiàn)大幅度流量波動。

5 結(jié)語及建議

由于壓縮機(jī)組設(shè)計選型階段未充分考慮防喘振閥與工藝管線的匹配性，導(dǎo)致防喘振小循環(huán)回流的氣流過大，造成壓縮機(jī)入口流體的紊流狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計無法準(zhǔn)確測量真實(shí)流量。多孔孔板流量計具備良好的整流作用，能夠提高抗干擾能力，流量更穩(wěn)定，測量值更符合實(shí)際。建議依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)特性，全面充分考慮壓縮機(jī)與工藝管線、配套設(shè)備的匹配度，輔助管線離心壓縮機(jī)組的設(shè)計選型；設(shè)計階段應(yīng)對防喘振閥、孔板流量計等設(shè)備與工藝系統(tǒng)做流體力學(xué)計算分析和流態(tài)模擬，以滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行需要。