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摘 要:本文叙述了膨胀压缩机进气组分(或平均分子量)的变化对防喘振控制的影响,推导出了减少和消除其影响的算法,并给出了工艺调节、改进措施。
关键词:组分变化影响控制对策
中图分类号:TH45 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0074-02
1 组分(或平均分子量)变化对喘振极限的影响
随着海洋石油、天然气开采进度或井位调整,天然气的组分会经常发生变化,这将引起平均分子量的改变,而且不可能人工长期跟踪调节,需要分析出膨胀压缩机发生喘振的原因,找出规律,实现自动调节。因此,分析它对喘振极限的影响是很重要的。
从目前运行温度记录看,我厂的天然气温度随季节变化不太大,可采用温度补偿的办法解决,因此可视温度为恒定,从而从理论上进行推导:
对于防振基本算法:△P=CH(1)
因为能量头公式为:Hp=1545ZaTs(Rcσ-1)/Mwσ(2)
式中:Za—平均压缩系数(Zs+Zd)/2
Ts—进口温度(绝对温度)
—平均分子量
Rc—压比(Pd/Ps)
σ—多变指数(k+1)/k
ΔP—压缩机出进气差压(Pd-Ps)
C—常数
H—压缩机进口节流装置差压
Pd—压缩机出口压力
Ps—压缩机进口压力
对于式(2),当Hp、Ts、Za为某一给定值时等式化简为
Rc=(1+ Mwσ)1/σ(3)
从等式中可以看出:分子量Mw和压差ΔP之间也有一个非线性关系,由于分子量的改变将引起比热比的改变,所以,σ也将改变,这样问题更复杂了。由于分子量和比热比k之间在许多情况下没有固定关系,因此Rc和ΔP的每一个值都必须单独计算,以确定变化的方向和大小。
下面,再来看一下分子量Mw变化对H值的影响:因为当分子量变化时,
Q=C(HTs/PsMw)1/2(4)
所以 H=C(PsMw/Ts) (5)
那么对于给定的Q,Ps,Ts
H=CMw(6)
将式(3)和式(6)比较,显然,对于平均分子量的改变系统不能准确地自动补偿,对于轻烃,由于分子量Mw和比热比有一个比较准确的关系,因此,分子量Mw的改变使ΔP和H的改变在方向上相同,但在数值上不同,所以,如果分子量变化时,应调整控制曲线才能避免喘振。
2 克服膨胀压缩机进气气体组分变化对喘振极限影响的对策
从以上讨论可以看出,进气分子量改变,将引起喘振极限的改变,从而可能导致喘振的发生。而对分子量改变,则对每一种情况,要分别计算喘振曲线的斜率,而头绪太多时只好采用手动方法去调节振极限的斜率。采用以上方法,无疑加很大操作风险和成本,如要引进温度信号增加仪表,或要增加回流量造成很大损失,或修改参数,可能造成系统不稳,方法并不科学。
经过对防喘振基本公式的推导,可以得到:
因为Q=CN(7)
Hp=CN2(8)
所以Hp=CQ2 (9)
在此,N为压缩机转速,r/min
又因为Q2=HZsTs/MwPs (10)
然后,引入S0—进口状态气体的声速:
S02=1545kZsTsG/Mw (11)
那么,将式(9)两边同除S0,得到
Hp/S02=CQ2/ S02
代入以上各式,约简后得
(Rc(k-1)/k-1)/【(k-1)/η】=H/Psk1545
(12)
因为比热比相对Rc的影响是次要的,在大部分场合其影响可以忽略不计,可认为是常数,所以,公式可以改写成
-1=CH/Ps (13)
即H/Ps=C(Pd-Ps)/Ps(14)
式(14)就是目前最为流行的防喘振算式,由推导过程看到:由于用了因子S0,所以,进口温度Ts和分子量都被约掉,在(Pd-Ps)/Ps,H/Ps坐标系内,Ts、Mw对曲线的影响几乎没有了,从而,达到克服进口温度和分子量变化影响喘振极限值的改变而引起喘振的现象。防喘振控制方程式(14),这就是克服进气分子量变化的防振依据图1。
经过多方考察、论证,加拿大PROPAK公司和中石化中原油田设计院优化设计优化,可以在原建设基础上增加在线色谱仪、温度变送器、质量流量计(计算机利用原外输单元的),联网组成IMP分布式性能监测系统,便于随时自动监测膨胀压缩机进气天然气温度和组分变化,完善差压—流量可变极限量防喘振控制模式,使喘振极限流量随着转速变化而变化,并留有适当的安全裕度(比喘振流量大5%～10%),实现膨胀压缩机全自动采集数据、快速判定、自动调节,有效防止膨胀压缩机机组的“喘振”发生,也可以避免人为频繁“过速”调节带来的不稳定运行。当然,对于控制器的控制执行时间对压缩机的喘振也有牵连:如控制功能是否完善、执行机构的动作时间以及执行质量等,一般可采用0.25级、過载能力150%、响应时间短的传感器,消除设备“硬伤”。
我们理论推导出防喘振控制算法,可有效克服温度和组分变化对防喘振控制的影响,这仅仅是进行防喘振控制的关键一步。我们应当结合生产实践,掌握喘振的主要影响因素,采取有效的防喘振控制措施,提高膨胀压缩机抗喘振性能和运行可靠性,尽可能消除喘振带来的巨大危害,实现装置安全、平稳、连续生产,创造良好经济效益。
参考文献
[1] 钱锡俊,陈弘.泵和压缩机.石油大学出版社.
[2] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制手册(第三版).
[3] 戴洪球.离心压缩机的喘振及其对策[J].石油化工设备,1990(2):42～441.
关键词:组分变化影响控制对策
中图分类号:TH45 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0074-02
1 组分(或平均分子量)变化对喘振极限的影响
随着海洋石油、天然气开采进度或井位调整,天然气的组分会经常发生变化,这将引起平均分子量的改变,而且不可能人工长期跟踪调节,需要分析出膨胀压缩机发生喘振的原因,找出规律,实现自动调节。因此,分析它对喘振极限的影响是很重要的。
从目前运行温度记录看,我厂的天然气温度随季节变化不太大,可采用温度补偿的办法解决,因此可视温度为恒定,从而从理论上进行推导:
对于防振基本算法:△P=CH(1)
因为能量头公式为:Hp=1545ZaTs(Rcσ-1)/Mwσ(2)
式中:Za—平均压缩系数(Zs+Zd)/2
Ts—进口温度(绝对温度)
—平均分子量
Rc—压比(Pd/Ps)
σ—多变指数(k+1)/k
ΔP—压缩机出进气差压(Pd-Ps)
C—常数
H—压缩机进口节流装置差压
Pd—压缩机出口压力
Ps—压缩机进口压力
对于式(2),当Hp、Ts、Za为某一给定值时等式化简为
Rc=(1+ Mwσ)1/σ(3)
从等式中可以看出:分子量Mw和压差ΔP之间也有一个非线性关系,由于分子量的改变将引起比热比的改变,所以,σ也将改变,这样问题更复杂了。由于分子量和比热比k之间在许多情况下没有固定关系,因此Rc和ΔP的每一个值都必须单独计算,以确定变化的方向和大小。
下面,再来看一下分子量Mw变化对H值的影响:因为当分子量变化时,
Q=C(HTs/PsMw)1/2(4)
所以 H=C(PsMw/Ts) (5)
那么对于给定的Q,Ps,Ts
H=CMw(6)
将式(3)和式(6)比较,显然,对于平均分子量的改变系统不能准确地自动补偿,对于轻烃,由于分子量Mw和比热比有一个比较准确的关系,因此,分子量Mw的改变使ΔP和H的改变在方向上相同,但在数值上不同,所以,如果分子量变化时,应调整控制曲线才能避免喘振。
2 克服膨胀压缩机进气气体组分变化对喘振极限影响的对策
从以上讨论可以看出,进气分子量改变,将引起喘振极限的改变,从而可能导致喘振的发生。而对分子量改变,则对每一种情况,要分别计算喘振曲线的斜率,而头绪太多时只好采用手动方法去调节振极限的斜率。采用以上方法,无疑加很大操作风险和成本,如要引进温度信号增加仪表,或要增加回流量造成很大损失,或修改参数,可能造成系统不稳,方法并不科学。
经过对防喘振基本公式的推导,可以得到:
因为Q=CN(7)
Hp=CN2(8)
所以Hp=CQ2 (9)
在此,N为压缩机转速,r/min
又因为Q2=HZsTs/MwPs (10)
然后,引入S0—进口状态气体的声速:
S02=1545kZsTsG/Mw (11)
那么,将式(9)两边同除S0,得到
Hp/S02=CQ2/ S02
代入以上各式,约简后得
(Rc(k-1)/k-1)/【(k-1)/η】=H/Psk1545
(12)
因为比热比相对Rc的影响是次要的,在大部分场合其影响可以忽略不计,可认为是常数,所以,公式可以改写成
-1=CH/Ps (13)
即H/Ps=C(Pd-Ps)/Ps(14)
式(14)就是目前最为流行的防喘振算式,由推导过程看到:由于用了因子S0,所以,进口温度Ts和分子量都被约掉,在(Pd-Ps)/Ps,H/Ps坐标系内,Ts、Mw对曲线的影响几乎没有了,从而,达到克服进口温度和分子量变化影响喘振极限值的改变而引起喘振的现象。防喘振控制方程式(14),这就是克服进气分子量变化的防振依据图1。
经过多方考察、论证,加拿大PROPAK公司和中石化中原油田设计院优化设计优化,可以在原建设基础上增加在线色谱仪、温度变送器、质量流量计(计算机利用原外输单元的),联网组成IMP分布式性能监测系统,便于随时自动监测膨胀压缩机进气天然气温度和组分变化,完善差压—流量可变极限量防喘振控制模式,使喘振极限流量随着转速变化而变化,并留有适当的安全裕度(比喘振流量大5%～10%),实现膨胀压缩机全自动采集数据、快速判定、自动调节,有效防止膨胀压缩机机组的“喘振”发生,也可以避免人为频繁“过速”调节带来的不稳定运行。当然,对于控制器的控制执行时间对压缩机的喘振也有牵连:如控制功能是否完善、执行机构的动作时间以及执行质量等,一般可采用0.25级、過载能力150%、响应时间短的传感器,消除设备“硬伤”。
我们理论推导出防喘振控制算法,可有效克服温度和组分变化对防喘振控制的影响,这仅仅是进行防喘振控制的关键一步。我们应当结合生产实践,掌握喘振的主要影响因素,采取有效的防喘振控制措施,提高膨胀压缩机抗喘振性能和运行可靠性,尽可能消除喘振带来的巨大危害,实现装置安全、平稳、连续生产,创造良好经济效益。
参考文献
[1] 钱锡俊,陈弘.泵和压缩机.石油大学出版社.
[2] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制手册(第三版).
[3] 戴洪球.离心压缩机的喘振及其对策[J].石油化工设备,1990(2):42～441.