天然氣壓縮機(jī)啟動(dòng)氣工藝流程優(yōu)化探索

郭軒志

摘要：天然氣作為當(dāng)前世界范圍內(nèi)的一種綠色清潔能源，其應(yīng)用已經(jīng)覆蓋到工業(yè)和民用多個(gè)領(lǐng)域。文中結(jié)合某天然氣加氣站工藝流程進(jìn)行優(yōu)化探索，討論天然氣壓縮機(jī)啟動(dòng)燃?xì)庀到y(tǒng)的工藝流程及優(yōu)化改造，提出了三種可供升級(jí)處理工藝的方案進(jìn)行比選，結(jié)合改造成本及效能選擇第二種處理改造優(yōu)化方案，以期達(dá)到更強(qiáng)的壓縮機(jī)穩(wěn)定性，為客戶提供安全的供氣應(yīng)用體驗(yàn)。

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(guān)鍵詞：天然氣壓縮機(jī);啟動(dòng)氣系統(tǒng);渦輪啟動(dòng)機(jī);流程改造優(yōu)化

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.141 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0045-03

0 ?引言

燃?xì)鈮嚎s機(jī)啟動(dòng)氣的關(guān)鍵功能分為兩部分： ①根據(jù)啟動(dòng)氣，預(yù)潤(rùn)滑油泵用于燃?xì)鈮嚎s機(jī)啟動(dòng)前的潤(rùn)滑和停機(jī)后的潤(rùn)滑;②啟動(dòng)電機(jī)按啟動(dòng)電機(jī)推進(jìn)推動(dòng)牙箱，然后推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比≥300r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后開(kāi)始工作。神木處理站氣體壓縮機(jī)的啟動(dòng)氣壓規(guī)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(jī)（以下簡(jiǎn)稱壓縮機(jī)）啟動(dòng)產(chǎn)氣工藝改造方案。

1 ?發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)氣系統(tǒng)及流程概述

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖1所示）啟動(dòng)氣的關(guān)鍵作用有兩個(gè)方面：

1.1 提供渦輪啟動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力

啟動(dòng)氣體截止閥打開(kāi)后，啟動(dòng)氣體根據(jù)操縱的氣體真空電磁閥從渦輪增壓器推進(jìn)室后端形成的進(jìn)氣口進(jìn)入推進(jìn)室，推動(dòng)活塞桿扭簧使渦輪增壓器啟動(dòng)器傳動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)輪齒輪嚙合，同時(shí)中間傳動(dòng)齒輪室中的渦輪增壓器啟動(dòng)器傳動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)端傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪嚙合，推動(dòng)室的前入口和出口打開(kāi)以允許工作空氣進(jìn)入制動(dòng)閥，推動(dòng)制動(dòng)閥打開(kāi)。

1.2 提供渦輪起動(dòng)機(jī)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形齒輪嚙合的動(dòng)力（如圖 2）

某氣站配備有兩臺(tái)16-1275GL發(fā)動(dòng)機(jī)，分別布置在發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)。這類(lèi)起動(dòng)機(jī)采用天然氣或燃?xì)庾鳛槠饎?dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。渦輪增壓起動(dòng)機(jī)在我國(guó)是指渦輪增壓起動(dòng)機(jī)室、傳動(dòng)齒輪室、推進(jìn)室和發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)的工業(yè)廢氣彎管。制動(dòng)閥打開(kāi)后，啟動(dòng)氣體進(jìn)入增壓器啟動(dòng)室，在增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)的推動(dòng)下，帶動(dòng)前傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)齒輪推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的圓形傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)圓形傳動(dòng)齒輪的速比達(dá)到設(shè)定的速比時(shí)，PLC向工作空氣真空電磁閥發(fā)出信號(hào)，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(dòng)齒輪和圓形傳動(dòng)齒輪擺脫，同時(shí)制動(dòng)閥關(guān)閉。 16V-275GL發(fā)動(dòng)機(jī)配備渦輪增壓?jiǎn)?dòng)器，啟動(dòng)耗氣量為2400Ls，燃?xì)鈮毫?～10bar。一切正常啟動(dòng)，渦輪增壓器啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)15s。

天然氣機(jī)組熱值高，排氣管環(huán)境污染小。這是清潔燃料的全球發(fā)展前景。具有不可替代的優(yōu)勢(shì)：高品質(zhì)、超低溫溶液，幾乎無(wú)硫等殘留物;環(huán)保、清潔燃燒廢氣排放的關(guān)鍵是CO2和H2O;安全，比氣體輕，極易擴(kuò)散，泄漏后不易積聚。

2 ?存在問(wèn)題及出現(xiàn)成因分析

2.1 存在問(wèn)題

壓縮機(jī)啟動(dòng)氣體設(shè)計(jì)方案。氣動(dòng)閥來(lái)自某加氣站外的輻射加熱區(qū)。通過(guò)自力式調(diào)節(jié)閥將壓力從 5.4MPa 降低到 1.0MPa。同時(shí)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(shè)計(jì)方案的正常總流量為5100m3/h（標(biāo)準(zhǔn)工況），氣體密度約為0.73kg/m3（標(biāo)準(zhǔn)工況）。在具體應(yīng)用的整個(gè)過(guò)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(jī)在運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)氣體的總流量和壓力略低。停止了，一切都無(wú)法正常啟動(dòng)和停止;當(dāng)壓縮機(jī)不再需要啟動(dòng)氣時(shí)，啟動(dòng)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(jī)的正常啟停，必須有相應(yīng)員工手動(dòng)控制旁通閘閥的開(kāi)啟才能完成壓縮機(jī)的啟停（見(jiàn)圖3）。

氣體壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)氣壓不穩(wěn)定的根本原因。啟動(dòng)氣根據(jù)控制氣真空電磁閥進(jìn)入推進(jìn)室，控制氣推動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)傳動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)圓齒輪嚙合，制動(dòng)閥打開(kāi)，啟動(dòng)氣進(jìn)入增壓器啟動(dòng)機(jī)室，啟動(dòng)排氣管路可接空氣。由于排氣系統(tǒng)背壓小，啟動(dòng)氣體獨(dú)立調(diào)節(jié)閥后壓力急劇下降。無(wú)法維持啟動(dòng)氣和操作氣源。推動(dòng)房間內(nèi)的扭力彈簧將活塞桿推回并啟動(dòng)機(jī)器。松開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)齒輪和圓形傳動(dòng)齒輪，關(guān)閉制動(dòng)閥。在整個(gè)過(guò)程中，獨(dú)立調(diào)節(jié)閥會(huì)在中下游壓力降低時(shí)自動(dòng)增加閘閥開(kāi)度，增加起始?xì)怏w的壓力，傳動(dòng)齒輪再進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在兩個(gè)齒輪嚙合的整個(gè)過(guò)程中，都會(huì)發(fā)生傳動(dòng)齒輪的損壞和安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。為此，在獨(dú)立調(diào)節(jié)閥后壓力波動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥后的閥門(mén)也會(huì)達(dá)到設(shè)定壓力并不斷跳動(dòng)。

2.2 出現(xiàn)問(wèn)題的成因分析

由于設(shè)計(jì)方案中采用的自力式減壓閥和安全緊急切斷閥的型號(hào)和規(guī)格已經(jīng)過(guò)時(shí)，其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的安全性、穩(wěn)定性和可執(zhí)行性較低，而且壓縮機(jī)啟動(dòng)氣只在壓縮機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)使用。自力式減壓閥和安全緊急切斷閥存在內(nèi)漏，中下游壓力可能達(dá)到壓力變化5.4MPa前的壓力，造成中下游啟動(dòng)燃?xì)夤艿莱瑝海瑥亩率钩霈F(xiàn)較大的安全隱患。

控制供氣氣動(dòng)閥源于啟動(dòng)氣路。在整個(gè)啟動(dòng)的過(guò)程中，控制氣壓波動(dòng)，無(wú)法保持啟動(dòng)傳動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)圓齒輪嚙合的驅(qū)動(dòng)力。啟動(dòng)氣系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)沒(méi)有考慮到啟動(dòng)氣系統(tǒng)軟件的具體操作，因此也無(wú)法保證啟動(dòng)時(shí)連續(xù)、順暢地給出啟動(dòng)氣。安全系統(tǒng)不能較好的完成。在發(fā)動(dòng)機(jī)圓形傳動(dòng)齒輪的整個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，不應(yīng)推動(dòng)和驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪。發(fā)動(dòng)機(jī)的圓形傳動(dòng)齒輪一起接合。啟動(dòng)氣設(shè)計(jì)方案是根據(jù)較大的啟動(dòng)氣使用量設(shè)計(jì)的，上下游管網(wǎng)瞬間達(dá)到啟動(dòng)氣入口到啟動(dòng)氣的壓力變化。為此，本次系統(tǒng)分析得出的結(jié)論是，發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)周?chē)枰S修和保養(yǎng)的設(shè)備較多，儲(chǔ)罐需要占用一定的室內(nèi)空間。為此，結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)化思路及設(shè)計(jì)方案的比選是否合理，需要結(jié)合站內(nèi)原有設(shè)備的運(yùn)行實(shí)際情況展開(kāi)。如果有適合壓力等級(jí)的空氣壓縮或N2，啟動(dòng)氣必須設(shè)計(jì)合理的設(shè)計(jì)方案以滿足運(yùn)行要求，選擇還原N2作為啟動(dòng)氣更為可靠。

一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)上述工藝流程的調(diào)查，對(duì)氣站進(jìn)行改造工程的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程的具體情況實(shí)施;在綜合分析發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和啟動(dòng)氣的運(yùn)行情況時(shí)，基本上必須從控制氣和啟動(dòng)氣氣動(dòng)閥的選擇、減壓閥的設(shè)計(jì)展開(kāi)。另外，方案還必須要充分考慮到配備儲(chǔ)罐的重要性及安全管理的數(shù)字化邏輯是否可以滿足設(shè)計(jì)需求，選擇有效的改造優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，防止系統(tǒng)軟件缺陷和潛在風(fēng)險(xiǎn)。綜上，對(duì)改造優(yōu)化的新項(xiàng)目已通過(guò)基本的機(jī)械設(shè)備驗(yàn)收，一切保障了試件及改造設(shè)備優(yōu)化后的正常運(yùn)行。天然氣加氣站總體運(yùn)行良好，采集罐壓力也符合井下類(lèi)的設(shè)計(jì)方案。

3 ?幾種工藝優(yōu)化改造方案的對(duì)比

3.1 優(yōu)化改造思路

根據(jù)壓縮機(jī)啟動(dòng)氣的需要和現(xiàn)場(chǎng)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(jù)設(shè)計(jì)方案的性能參數(shù)，重新選擇特性非常可靠的閘閥，并規(guī)定壓力范圍由2.4MPa轉(zhuǎn)變?yōu)?.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(biāo)準(zhǔn)工況）。根據(jù)選型和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用調(diào)查，推薦使用性能優(yōu)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(dòng)氣步驟，將生產(chǎn)工藝由壓縮機(jī)原料氣升級(jí)為啟動(dòng)氣。壓縮機(jī)原料氣來(lái)自原料氣區(qū)高壓分配管匯，壓力可達(dá)1.0MPa氣動(dòng)閥穩(wěn)定可靠，保證壓縮機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的安全，不影響天然氣壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的要求。因此，工藝和加工工藝從壓縮機(jī)的原料氣到壓縮機(jī)的啟動(dòng)氣都得到了改進(jìn)。更新和轉(zhuǎn)換流程圖（見(jiàn)圖4）。

3.1.3 方案三

從處理站升級(jí)，增加壓力區(qū)空氣壓縮總管，啟動(dòng)產(chǎn)氣工藝。處理站從處理站的空氣氮?dú)庹镜?0立方米空氣壓縮儲(chǔ)罐增加壓力區(qū)空氣壓縮，壓力為0.8MPa，充分考慮空氣壓縮的關(guān)鍵是提供儀表板空氣和氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)軟件空氣。為保證處理站儀表板空氣和氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)軟件空氣的安全，必須選擇方案在啟動(dòng)空氣步驟增加20立方米的空氣壓縮存儲(chǔ)。罐體確保用氣安全。

3.2 方案優(yōu)選

通過(guò)針對(duì)提出以上的三種規(guī)劃方案都可以完成壓縮機(jī)啟動(dòng)氣壓和供氣規(guī)定。但針對(duì)成本及其他優(yōu)化運(yùn)行條件綜合相比之下，計(jì)劃方案1由于采用了進(jìn)口Fisher閥門(mén)。如果選用，氣站的初期運(yùn)營(yíng)成本較高，而中后期會(huì)有所降低，但總體的維護(hù)成本較高;而改造方案2中的氣動(dòng)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(duì)較小，其優(yōu)化加工后的改造工藝也容易進(jìn)行未來(lái)系統(tǒng)改造的升級(jí);而選用方案三，由于必須要增加空壓儲(chǔ)罐，這樣導(dǎo)致實(shí)際的運(yùn)行費(fèi)用較高，而工程建設(shè)人工較大，為此，經(jīng)過(guò)綜合改造成本比較和實(shí)施難易度進(jìn)行綜合比選后，選用第二種改造優(yōu)化方案實(shí)施本項(xiàng)目的優(yōu)化改造，具有較為現(xiàn)實(shí)的可行性。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，選擇優(yōu)化改造方案二，不僅簡(jiǎn)單易行，項(xiàng)目改造投資成本相對(duì)最低，可提供壓力穩(wěn)定、供氣可靠的啟動(dòng)氣系統(tǒng)。因此，建議選擇第二種應(yīng)用改造方案。

4 ?實(shí)際應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)選定第二種優(yōu)化改造方案進(jìn)行加工技術(shù)更新改造。氣體壓縮機(jī)啟動(dòng)和停止瞬間的氣體總管壓力為0.9～1.0MPa，啟動(dòng)后壓力穩(wěn)定在1.0MPa，與具體估算相符。本次針對(duì)某天然氣加氣站內(nèi)的天然氣壓縮機(jī)啟動(dòng)氣改造優(yōu)化方案設(shè)計(jì)和實(shí)施后，確保提升了天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)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(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)氣流壓力偏小和啟動(dòng)氣壓升高后出現(xiàn)的下游超壓等現(xiàn)象。本次優(yōu)化方案應(yīng)用設(shè)計(jì)確保了引至配氣區(qū)的天然氣經(jīng)節(jié)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(jī)啟動(dòng)氣使用的可靠性和穩(wěn)定性。另外，經(jīng)由本次改造優(yōu)化方案實(shí)施后也較好的滿足了業(yè)主的多種用氣需求。根據(jù)本次優(yōu)化更新設(shè)計(jì)和實(shí)施，防止了啟動(dòng)氣低壓管道超壓風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)只有一名員工根據(jù)壓縮機(jī)控制箱啟動(dòng)和停止壓縮機(jī)的總體目標(biāo)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

在仔細(xì)分析壓縮機(jī)啟動(dòng)氣體需求和某加氣站當(dāng)前生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，探索了三種類(lèi)型的氣體壓縮機(jī)啟動(dòng)氣體處理技術(shù)改造方案，并對(duì)三種規(guī)劃方案進(jìn)行了運(yùn)行分析成本、施工技術(shù)、中后期維護(hù)的比較分析。相比之下，所選擇的從氣體壓縮機(jī)氣體到啟動(dòng)氣體的處理工藝是最簡(jiǎn)單、最方便的，并且具有可靠的特性。根據(jù)更新后現(xiàn)場(chǎng)的具體應(yīng)用情況，方案二進(jìn)行應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的效果安全可靠，值得進(jìn)行推廣。

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