陳逢剛　吳笑菊

中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計分公司

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天然氣壓氣站設(shè)計及運行研究①

陳逢剛吳笑菊

中國石油工程建設(shè)公司北京設(shè)計分公司

以具體天然氣壓氣站為設(shè)計實例，介紹了天然氣輸送壓氣站項目設(shè)計過程，在理論設(shè)計、自動化設(shè)計、安全設(shè)計、設(shè)備選型、開車運行等各個環(huán)節(jié)中，提出了合理的設(shè)計、選型及優(yōu)化方案，使壓氣站設(shè)計達到環(huán)保、安全的要求。并通過分析實際運行的數(shù)據(jù)，為天然氣壓氣站的設(shè)計提出了合理的設(shè)計運行方案，可供相關(guān)天然氣壓氣站設(shè)計作參考。

天然氣天然氣輸送壓氣站壓縮機設(shè)計運行

隨著天然氣開發(fā)規(guī)模和使用規(guī)模的不斷增大，建設(shè)長距離輸氣管道成為最主要的選擇，天然氣輸氣管線作為連接氣源和城市配氣系統(tǒng)的紐帶，具有輸送距離長、管道管徑大、輸氣量大、輸送壓力高、管線系統(tǒng)投資高等特點。天然氣壓氣站作為天然氣輸氣管線系統(tǒng)上的“動力心臟”有著重要的核心地位。其中,壓氣機投資占據(jù)很大一部分，壓氣站壓縮機所消耗的天然氣占管道所輸氣體的3%～5%，耗能較大[1]。國外T. F. Edgar等人以壓縮機能耗最小為目標對天然氣輸氣管線系統(tǒng)進行了最優(yōu)化設(shè)計研究，M. Pappas對輸氣管線系統(tǒng)的直徑和壓縮機功率進行了優(yōu)化[2-3]。

對于單個天然氣壓氣站而言，從細節(jié)處進行優(yōu)化設(shè)計和運行研究是很有必要的。保證每一個天然氣壓氣站的優(yōu)化運營和安全運行，對于穩(wěn)定輸氣管道系統(tǒng)、提高整個天然氣管線系統(tǒng)的經(jīng)濟效益具有重要意義。為此，本文通過對實際壓氣站項目的工藝流程設(shè)計、設(shè)備選型和實際運行的數(shù)據(jù)分析，對天然氣壓氣站設(shè)計中可能出現(xiàn)的一些問題作了初步探討，可供相關(guān)壓氣站設(shè)計作參考。

1　天然氣輸氣相關(guān)參數(shù)

1.1天然氣的基本物性

天然氣是由互不發(fā)生化學反應的多種單一組分氣體組成的混合氣體，它們在管道及其他系統(tǒng)中的流動特性不僅僅取決于氣體中每一組分的密度和黏度，還取決于它們的界面張力、分散狀態(tài)和相對數(shù)量。為了對天然氣流動時所表現(xiàn)出的宏觀特性進行定量描述，根據(jù)問題的需要，分析天然氣相對分子質(zhì)量、密度及相對密度等參數(shù)。

1.1.1天然氣相對分子質(zhì)量

工程上將標準狀態(tài)下，1 kmol 天然氣的質(zhì)量定義為天然氣的平均分子質(zhì)量，簡稱分子質(zhì)量，其計算公式為[4]：

M=ΣyiMi

(1)

1.1.2天然氣的密度和相對密度

(1) 天然氣的密度[4]?；旌蠚怏w密度指單位體積混合氣體的質(zhì)量，天然氣的密度不僅取決于天然氣的組成，還取決于所處的壓力和溫度狀態(tài)。在標準狀態(tài)下，天然氣的密度可由式(2)確定：

(2)

(2) 天然氣的相對密度[4]。在標準狀態(tài)下，氣體的密度與干空氣的密度之比稱為相對密度。對于混合氣體：

Δ=ΣyiΔi

(3)

1.2輸氣管道穩(wěn)定流動流量計算

輸氣管道穩(wěn)態(tài)工況的模擬計算有較大的局限性[5]，在探討輸氣管的流量與壓力之間的關(guān)系時，假設(shè)：

(1) 氣體在管道中的流動過程為等溫過程，即溫度不變，t=常數(shù)；

(2) 氣體在管道中作穩(wěn)定流動，即氣體的質(zhì)量流量在管道的任一截面上為一常數(shù)，氣體的質(zhì)量流量既不隨時間也不隨距離而改變；

(3) 輸氣管道是水平的，即管道高程差假設(shè)為0。

工程設(shè)計中計算水平輸氣管道的流量基本公式，常使用潘漢德爾 B 式[6-7]：

(4)

1.3壓縮機軸功率計算

壓縮機是天然氣壓氣站的關(guān)鍵設(shè)備，大型的壓氣站常選用離心式壓縮機，其軸功率按式(5)計算[8]：

(5)

2　天然氣壓氣站工藝設(shè)計

中亞中烏天然氣管道工程天然氣壓氣站的上游天然氣設(shè)計流量為(60～100)×108m3/a，壓氣站天然氣輸入壓力為6.83～6.93 MPa，壓氣站天然氣輸入溫度為43.56～47.45 ℃，壓氣站天然氣排出壓力為8.85～9.48 MPa，壓氣站天然氣排出溫度為50 ℃，生產(chǎn)工藝流程見圖1。上游來的天然氣經(jīng)過旋風分離器和過濾分離器分離，進入壓縮機增壓后，再經(jīng)過空冷器冷卻后送往下游。

2.1工藝流程計算模擬

ASPEN HYSYS，Stoner Pipeline Simulato(SPS)兩個軟件對天然氣管道輸送模擬在國際上得到了廣泛的應用[9]。本文依據(jù)進站天然氣的流量、壓力、溫度，使用ASPEN HYSYS對壓氣站的工藝流程做了模擬，年輸氣量一期60×108m3和二期100×108m3工藝計算模擬結(jié)果見表1和表2。

表1　年輸氣量60×108m3工藝計算模擬結(jié)果Table1　Processsimulationresultsofgastransmittingvolumeof60×108m3/a進站壓縮機入口壓縮機出口出站流量/(106m3·d-1)17.7717.7717.7717.77表壓/MPa6.936.729.008.87溫度/℃45.2345.2371.0750.00

表2　年輸氣量100×108m3工藝計算模擬結(jié)果Table2　Processsimulationresultsofgastransmittingvolumeof100×108m3/a進站壓縮機入口壓縮機出口出站流量/(106m3·d-1)29.6229.6229.4929.49表壓/MPa6.836.629.619.48溫度/℃47.1947.4582.2650.00

2.2重要工藝系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1放空系統(tǒng)設(shè)計

放空系統(tǒng)是壓氣站保證安全運行的重要輔助系統(tǒng)，對壓縮機出口的高壓緊急放空尤為重要。一些壓氣站項目設(shè)計過去多是在幾臺壓縮機緊急放空時公用一個放空管系統(tǒng)。由此，當出現(xiàn)停電等緊急放空情況時，就會造成壓力不均，甚至導致某臺壓縮機不能及時泄放壓力的安全隱患。本項目對于每一臺壓縮機設(shè)置了獨立的放空系統(tǒng)，互不干擾，消除了緊急放空時不能及時泄放壓力的安全隱患。

2.2.2壓縮機組安全控制設(shè)計

項目所選壓縮機組為燃氣輪機驅(qū)動的離心式壓縮機組, 可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制輸出壓力, 機組自帶壓力報警和超壓緊急停車系統(tǒng), 每臺壓縮機組排氣端設(shè)有緊急放空閥，ESD 停車時自動打開。保證壓縮機的最大出口壓力均不超過管道系統(tǒng)的設(shè)計壓力，多重保障了壓縮機出口管道系統(tǒng)的安全。

2.2.3壓力檢測與監(jiān)控設(shè)計

壓氣站出站緊急截斷閥前設(shè)壓力報警和壓力開關(guān)，壓氣站出口設(shè)緊急截斷閥, 在壓縮機出口至出站截斷閥之間設(shè)自動放空閥，與出站ESD緊急截斷閥聯(lián)鎖。當出站壓力達到設(shè)定值時，站控系統(tǒng)自動報警或緊急停車，并緊急放空，全方位保證了壓氣站的安全運營。

3　設(shè)備選型設(shè)計

3.1旋風除塵器和過濾分離器選型

上游來氣經(jīng)過旋風除塵10 μm及以上的固體顆粒，再經(jīng)過濾分離5 μm及以下固體顆粒和液滴，使干凈的天然氣進入下游壓縮機，以保證下游壓縮機正常運轉(zhuǎn)。本項目的旋風除塵和過濾分離參數(shù)見表3。

3.2壓縮機設(shè)備選型

由工藝計算模擬結(jié)果可知，有兩種工況:一是在輸送量為60×108m3/a時，要求壓氣站壓縮機將天然氣壓力從6.72 MPa提升到9.00 MPa；二是在輸送量為100×108m3/a時，要求壓氣站壓縮機將天然氣壓力從6.62 MPa提升到9.61 MPa。按式(2)計算得，工況一的軸功率為8 080 kW，工況二的軸功率為14 599 kW。以往的壓縮機選型追求設(shè)計點的高效率，能耗最小，天然氣管道壓縮機能適應較寬的流量范圍和壓力波動范圍[10-11]。對該項目的壓縮機而言，需要適應全年輸氣量的較大變化，還要應對不同的輸氣工況，如果堅持以高效率、能耗最小為設(shè)備選型的原則，為應付不同的工況，就需要不同型號的壓縮機或更換壓縮機的內(nèi)件，這無疑給項目增加很大的投資。經(jīng)過與供應商的溝通交流，開發(fā)出能適應寬廣操作范圍、且保持在高效區(qū)運行的離心壓縮機組，從而大大降低了壓縮機設(shè)備投資。該壓縮機的模擬計算結(jié)果見表4。

表3　旋風除塵和過濾分離器工藝參數(shù)Table3　Processdataofcycloneandfilterseparator旋風除塵器過濾分離器最大操作壓力/MPa9.819.81操作壓力/MPa6.83～6.936.83～6.93操作溫度/℃43.56～47.4543.56～47.45流量/(104m3·d-1)1280～14101280～1410分離顆粒粒徑/μm≥10≤5過濾效率(額定工況下)/%9999

表4　壓縮機模擬計算結(jié)果Table4　Compressorsimulationresults流量/(104m3·h-1)ps/MPapd/MPats/℃td/℃壓縮機功率/kW富余量/kW轉(zhuǎn)速/(r·min-1)效率/%74.046.729.0145.2371.0710172105786205.0055.40123.426.629.6147.4571.07148671154628210.0084.10

3.3壓縮機驅(qū)動機選型

壓氣站壓縮機動力來源可來自燃氣輪機驅(qū)動和電機驅(qū)動，本文所選壓縮機組為燃氣輪機驅(qū)動或變頻調(diào)速電機驅(qū)動，都可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制輸出壓力。

4　天然氣壓氣站運行研究

4.1測壓點設(shè)計值與運行值對比

圖2是天然氣管道測壓點的壓力設(shè)計值與運行值的對比圖。從圖2可以看出，天然氣壓力沿著輸送管道壓力逐漸降低，經(jīng)過壓縮機壓縮后，二者曲線相互吻合，保證了出口壓力，從而保證了天然氣向下游輸送的穩(wěn)定性。

4.2現(xiàn)場壓縮機運行工作點測量

圖3是天然氣壓縮機工作點示意圖。供貨廠家給出的壓縮機工作范圍為5 700～8 856 r/min，現(xiàn)場實際運行過程中，天然氣輸送量約為60×108m3/a，現(xiàn)場實測壓縮機轉(zhuǎn)速約為6 200 r/min，出口壓力約為9.0 MPa。從圖3可以看出，該工況點落在工作區(qū)內(nèi)，表明在該工況下，壓縮機運行穩(wěn)定。

5　結(jié) 論

通過對單個天然氣壓氣站的設(shè)計分析和運行研究，對于提高整個天然氣管線系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，保證管線系統(tǒng)的安全運行有著重要意義。其結(jié)論如下：

(1) 通過對進站天然氣的穩(wěn)態(tài)流程模擬，為壓氣站的工藝設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)；通過ASPEN HYSISI軟件模擬，能直觀清楚地了解壓氣站工藝設(shè)計流程，且比較接近壓氣站的實際運行過程。

(2) 對每一臺壓縮機設(shè)置了獨立的放空系統(tǒng)，消除了緊急放空時可能存在相互干擾而不能及時泄放壓力的安全隱患。

(3) 加強壓力檢測與監(jiān)控設(shè)計，增加站控系統(tǒng)自動報警或緊急停車，并緊急放空，全方位保證了壓氣站的安全運行。

(4) 選擇適應性能較寬的天然氣操作范圍的壓縮機，大大降低了壓縮機設(shè)備投資，提高了經(jīng)濟效益，在實際運行中，壓縮機運行良好。

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Design and operation investigation of natural gas compressor station

Chen Fenggang，Wu Xiaoju

(ChinaPetroleumEngineering&ConstructionCorp.BeijingEngineeringBranchPipingDept.,Beijing100101,China)

In this paper, the design process of natural gas compressor station project was introduced by the specific design example. From all aspects of theoretical design, automatic design, safety design, equipment selection, commissioning, etc., the reasonable design, selection and prioritization scheme were proposed to bring the design to meet the requirements of environmental protection and safety. And by the actual operation data analysis, the reasonable design and operation scheme were proposed to provide the necessary reference for the design of natural gas compressor station.

natural gas, natural gas transportation, gas compressor station, compressor, design, operation

陳逢剛(1980-)，男，碩士，專業(yè)方向為工藝配管。E-mail：fg_chen_liyu@sina.com

TE642

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.008

2016-05-06；編輯：康莉