天然氣壓縮機啟動氣工藝流程優化探索

郭軒志

摘要：天然氣作為當前世界范圍內的一種綠色清潔能源，其應用已經覆蓋到工業和民用多個領域。文中結合某天然氣加氣站工藝流程進行優化探索，討論天然氣壓縮機啟動燃氣系統的工藝流程及優化改造，提出了三種可供升級處理工藝的方案進行比選，結合改造成本及效能選擇第二種處理改造優化方案，以期達到更強的壓縮機穩定性，為客戶提供安全的供氣應用體驗。

Abstract： As a kind of green clean energy in the world， natural gas has been applied to many fields of industry and civil use. In this paper， combined with the process of a natural gas filling station optimization exploration， discuss the natural gas compressor start gas system process and optimization and transformation， put forward three options for upgrading processing process to compare， combined with the cost of transformation and efficiency to choose the second treatment optimization program， in order to achieve stronger compressor stability， to provide customers with a safe gas supply application experience.

關鍵詞：天然氣壓縮機;啟動氣系統;渦輪啟動機;流程改造優化

Key words： natural gas compressors;start the gas system;turbine starter;process transformation optimization

中圖分類號：U464.141 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0045-03

0 ?引言

燃氣壓縮機啟動氣的關鍵功能分為兩部分： ①根據啟動氣，預潤滑油泵用于燃氣壓縮機啟動前的潤滑和停機后的潤滑;②啟動電機按啟動電機推進推動牙箱，然后推動發動機運轉。當發動機轉速比≥300r/min時，發動機點火后開始工作。神木處理站氣體壓縮機的啟動氣壓規定為0.8～1.0MPa，供氣量為3200m3/h。文章討論了某加氣站氣體壓縮機（以下簡稱壓縮機）啟動產氣工藝改造方案。

1 ?發動機啟動氣系統及流程概述

天然氣發動機（如圖1所示）啟動氣的關鍵作用有兩個方面：

1.1 提供渦輪啟動機旋轉的驅動力

啟動氣體截止閥打開后，啟動氣體根據操縱的氣體真空電磁閥從渦輪增壓器推進室后端形成的進氣口進入推進室，推動活塞桿扭簧使渦輪增壓器啟動器傳動齒輪與發動機輪齒輪嚙合，同時中間傳動齒輪室中的渦輪增壓器啟動器傳動齒輪與驅動端傳動系統齒輪嚙合，推動室的前入口和出口打開以允許工作空氣進入制動閥，推動制動閥打開。

1.2 提供渦輪起動機齒輪與發動機環形齒輪嚙合的動力（如圖 2）

某氣站配備有兩臺16-1275GL發動機，分別布置在發動機兩側。這類起動機采用天然氣或燃氣作為起動機的驅動力。渦輪增壓起動機在我國是指渦輪增壓起動機室、傳動齒輪室、推進室和發動機兩側的工業廢氣彎管。制動閥打開后，啟動氣體進入增壓器啟動室，在增壓器轉動的推動下，帶動前傳動齒輪轉動，傳動齒輪推動發動機的圓形傳動齒輪轉動。當圓形傳動齒輪的速比達到設定的速比時，PLC向工作空氣真空電磁閥發出信號，排出工作空氣，降低推料室壓力。扭力彈簧將活塞桿推回，傳動齒輪和圓形傳動齒輪擺脫，同時制動閥關閉。 16V-275GL發動機配備渦輪增壓啟動器，啟動耗氣量為2400Ls，燃氣壓力為8～10bar。一切正常啟動，渦輪增壓器啟動時間不超過15s。

天然氣機組熱值高，排氣管環境污染小。這是清潔燃料的全球發展前景。具有不可替代的優勢：高品質、超低溫溶液，幾乎無硫等殘留物;環保、清潔燃燒廢氣排放的關鍵是CO2和H2O;安全，比氣體輕，極易擴散，泄漏后不易積聚。

2 ?存在問題及出現成因分析

2.1 存在問題

壓縮機啟動氣體設計方案。氣動閥來自某加氣站外的輻射加熱區。通過自力式調節閥將壓力從 5.4MPa 降低到 1.0MPa。同時裝有自力式安全緊急切斷閥，保證壓力變化。壓力不高于1.08MPa，所有設計方案的正常總流量為5100m3/h（標準工況），氣體密度約為0.73kg/m3（標準工況）。在具體應用的整個過程中，自力式減壓閥和安全緊急切斷閥的特性不夠可靠，使壓縮機在運行時啟動氣體的總流量和壓力略低。停止了，一切都無法正常啟動和停止;當壓縮機不再需要啟動氣時，啟動氣壓力緩慢上升，造成中下游低壓管道超壓，安全隱患明顯。為保證壓縮機的正常啟停，必須有相應員工手動控制旁通閘閥的開啟才能完成壓縮機的啟停（見圖3）。

氣體壓縮機標準氣壓不穩定的根本原因。啟動氣根據控制氣真空電磁閥進入推進室，控制氣推動渦輪發動機啟動傳動齒輪與發動機圓齒輪嚙合，制動閥打開，啟動氣進入增壓器啟動機室，啟動排氣管路可接空氣。由于排氣系統背壓小，啟動氣體獨立調節閥后壓力急劇下降。無法維持啟動氣和操作氣源。推動房間內的扭力彈簧將活塞桿推回并啟動機器。松開發動機的傳動齒輪和圓形傳動齒輪，關閉制動閥。在整個過程中，獨立調節閥會在中下游壓力降低時自動增加閘閥開度，增加起始氣體的壓力，傳動齒輪再進行運轉。在兩個齒輪嚙合的整個過程中，都會發生傳動齒輪的損壞和安全事故的風險。為此，在獨立調節閥后壓力波動的整個過程中，調節閥后的閥門也會達到設定壓力并不斷跳動。

2.2 出現問題的成因分析

由于設計方案中采用的自力式減壓閥和安全緊急切斷閥的型號和規格已經過時，其實際運行過程中的安全性、穩定性和可執行性較低，而且壓縮機啟動氣只在壓縮機啟動和停止時使用。自力式減壓閥和安全緊急切斷閥存在內漏，中下游壓力可能達到壓力變化5.4MPa前的壓力，造成中下游啟動燃氣管道超壓，從而致使出現較大的安全隱患。

控制供氣氣動閥源于啟動氣路。在整個啟動的過程中，控制氣壓波動，無法保持啟動傳動齒輪與發動機圓齒輪嚙合的驅動力。啟動氣系統的開發沒有考慮到啟動氣系統軟件的具體操作，因此也無法保證啟動時連續、順暢地給出啟動氣。安全系統不能較好的完成。在發動機圓形傳動齒輪的整個旋轉過程中，不應推動和驅動起動機傳動齒輪。發動機的圓形傳動齒輪一起接合。啟動氣設計方案是根據較大的啟動氣使用量設計的，上下游管網瞬間達到啟動氣入口到啟動氣的壓力變化。為此，本次系統分析得出的結論是，發動機和壓縮機周圍需要維修和保養的設備較多，儲罐需要占用一定的室內空間。為此，結合系統優化思路及設計方案的比選是否合理，需要結合站內原有設備的運行實際情況展開。如果有適合壓力等級的空氣壓縮或N2，啟動氣必須設計合理的設計方案以滿足運行要求，選擇還原N2作為啟動氣更為可靠。

一般來說，根據上述工藝流程的調查，對氣站進行改造工程的設計應根據工程的具體情況實施;在綜合分析發電機組的運行狀態和啟動氣的運行情況時，基本上必須從控制氣和啟動氣氣動閥的選擇、減壓閥的設計展開。另外，方案還必須要充分考慮到配備儲罐的重要性及安全管理的數字化邏輯是否可以滿足設計需求，選擇有效的改造優化方案設計，防止系統軟件缺陷和潛在風險。綜上，對改造優化的新項目已通過基本的機械設備驗收，一切保障了試件及改造設備優化后的正常運行。天然氣加氣站總體運行良好，采集罐壓力也符合井下類的設計方案。

3 ?幾種工藝優化改造方案的對比

3.1 優化改造思路

根據壓縮機啟動氣的需要和現場處理站的具體情況，探討了以下三種改造方案：

3.1.1 方案一

自力式減壓閥和安全緊急切斷閥再次選型，根據設計方案的性能參數，重新選擇特性非常可靠的閘閥，并規定壓力范圍由2.4MPa轉變為5.4MPa前，并改變壓縮后的壓力范圍為0.8～1.0MPa，總物料流量為5100m3/h（標準工況）。根據選型和現場應用調查，推薦使用性能優良的DN50減壓閥和DN100安全緊急切斷閥。

3.1.2 方案二

放棄原有的啟動氣步驟，將生產工藝由壓縮機原料氣升級為啟動氣。壓縮機原料氣來自原料氣區高壓分配管匯，壓力可達1.0MPa氣動閥穩定可靠，保證壓縮機啟動和停止時的安全，不影響天然氣壓縮機在運行過程中的要求。因此，工藝和加工工藝從壓縮機的原料氣到壓縮機的啟動氣都得到了改進。更新和轉換流程圖（見圖4）。

3.1.3 方案三

從處理站升級，增加壓力區空氣壓縮總管，啟動產氣工藝。處理站從處理站的空氣氮氣站的40立方米空氣壓縮儲罐增加壓力區空氣壓縮，壓力為0.8MPa，充分考慮空氣壓縮的關鍵是提供儀表板空氣和氮氣密封系統軟件空氣。為保證處理站儀表板空氣和氮氣密封系統軟件空氣的安全，必須選擇方案在啟動空氣步驟增加20立方米的空氣壓縮存儲。罐體確保用氣安全。

3.2 方案優選

通過針對提出以上的三種規劃方案都可以完成壓縮機啟動氣壓和供氣規定。但針對成本及其他優化運行條件綜合相比之下，計劃方案1由于采用了進口Fisher閥門。如果選用，氣站的初期運營成本較高，而中后期會有所降低，但總體的維護成本較高;而改造方案2中的氣動閥由于接貫氣站的高壓氣體管匯，因此總體改造投資成本相對較小，其優化加工后的改造工藝也容易進行未來系統改造的升級;而選用方案三，由于必須要增加空壓儲罐，這樣導致實際的運行費用較高，而工程建設人工較大，為此，經過綜合改造成本比較和實施難易度進行綜合比選后，選用第二種改造優化方案實施本項目的優化改造，具有較為現實的可行性。

根據以上數據分析，選擇優化改造方案二，不僅簡單易行，項目改造投資成本相對最低，可提供壓力穩定、供氣可靠的啟動氣系統。因此，建議選擇第二種應用改造方案。

4 ?實際應用效果評價

現場選定第二種優化改造方案進行加工技術更新改造。氣體壓縮機啟動和停止瞬間的氣體總管壓力為0.9～1.0MPa，啟動后壓力穩定在1.0MPa，與具體估算相符。本次針對某天然氣加氣站內的天然氣壓縮機啟動氣改造優化方案設計和實施后，確保提升了天然氣壓縮機運行過程中的節流閥和安全切斷閥的整體安全性能，另外改造后，有效解決了天然氣壓縮機啟動時的啟動氣流壓力偏小和啟動氣壓升高后出現的下游超壓等現象。本次優化方案應用設計確保了引至配氣區的天然氣經節流后的壓力也由5.4MPa顯著降至0.8MPa，從而有效提升了氣站的天然氣壓縮機啟動氣使用的可靠性和穩定性。另外，經由本次改造優化方案實施后也較好的滿足了業主的多種用氣需求。根據本次優化更新設計和實施，防止了啟動氣低壓管道超壓風險，同時可以實現只有一名員工根據壓縮機控制箱啟動和停止壓縮機的總體目標。

5 ?結語

在仔細分析壓縮機啟動氣體需求和某加氣站當前生產工藝的基礎上，探索了三種類型的氣體壓縮機啟動氣體處理技術改造方案，并對三種規劃方案進行了運行分析成本、施工技術、中后期維護的比較分析。相比之下，所選擇的從氣體壓縮機氣體到啟動氣體的處理工藝是最簡單、最方便的，并且具有可靠的特性。根據更新后現場的具體應用情況，方案二進行應用現場的效果安全可靠，值得進行推廣。

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