“雙碳”背景下天然氣管道離心壓縮機(jī)性能預(yù)測(cè)分析

李 旺，陳小華，楊鵬博，吳蘭英，雷 云

（1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610041；2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保政策的實(shí)施，國(guó)內(nèi)外對(duì)石油天然氣類能源需求越來(lái)越大。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的化石能源，在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的時(shí)代背景下備受青睞，其消費(fèi)量逐年保持大幅增長(zhǎng)。從全球范圍來(lái)看，天然氣的生產(chǎn)與消費(fèi)區(qū)域不平衡現(xiàn)象特別突出，管道是天然氣大規(guī)模輸送的唯一選擇。離心壓縮機(jī)作為天然氣長(zhǎng)輸管道的重要設(shè)備，截至2015 年我國(guó)安裝天然氣管道壓縮機(jī)組超過(guò)350 臺(tái)，總裝機(jī)功率超過(guò)7000 MW，而離心壓縮機(jī)組占大部分[1]。因此，離心壓縮機(jī)的高效運(yùn)行對(duì)于天然氣長(zhǎng)輸管道系統(tǒng)工程而言至關(guān)重要，也是保證天然氣供給需求的關(guān)鍵所在。

1 西南管道公司天然氣管道運(yùn)行現(xiàn)狀

西南管道公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）作為我國(guó)西南能源大動(dòng)脈，其所轄天然氣管道的安全穩(wěn)定高效是保障我國(guó)能源安全的關(guān)鍵所在。公司所轄天然氣管道多處于山地，經(jīng)過(guò)地區(qū)地形起伏大、外界地質(zhì)條件變化大，以及管道實(shí)際運(yùn)行工況的復(fù)雜性，使得離心壓縮機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)運(yùn)行工況（入口壓力、入口溫度、入口流量等）不在設(shè)計(jì)工況下的情況，再加之管道內(nèi)實(shí)際輸送氣體的組分與設(shè)計(jì)也存在一定的偏差，用離心壓縮機(jī)出廠性能曲線來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際工況下的運(yùn)行性能存在較大偏差。因此，公司天然氣管道在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，往往出現(xiàn)能耗較高的不利情況，在流程切換、啟停輸?shù)炔僮飨?，容易出現(xiàn)壓縮機(jī)工作效率偏低、喘振等現(xiàn)象，甚至引發(fā)管道破裂、天然氣泄漏等事故，嚴(yán)重威脅天然氣管道的安全運(yùn)行。

針對(duì)上述天然氣管道面臨的問(wèn)題，公司現(xiàn)有的運(yùn)行管控手段主要是依靠SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)），但是SCADA 系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)沿線站場(chǎng)等部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行工藝參數(shù)，這就使得調(diào)度運(yùn)行人員難以獲得管道全線運(yùn)行參數(shù)和準(zhǔn)確掌握、預(yù)測(cè)天然氣管道的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行調(diào)度主要依靠調(diào)度運(yùn)行人員的多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，難以保證天然氣管道的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。因此，為了提高天然氣管道的運(yùn)行效率和安全性，實(shí)時(shí)掌握離心壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)得到管輸實(shí)際氣體組分在實(shí)際工況下的性能曲線，對(duì)離心壓縮機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)制定天然氣管線優(yōu)化調(diào)度方案具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 天然氣管道離心壓縮機(jī)性能分析

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在天然氣管道離心壓縮機(jī)性能的研究方面，主要圍繞兩個(gè)方面展開工作：一是運(yùn)行工況屬于穩(wěn)態(tài)時(shí)，離心壓縮機(jī)的性能換算研究；二是考慮瞬態(tài)運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)對(duì)離心壓縮機(jī)的性能特性進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下離心壓縮機(jī)性能換算研究

天然氣管道處于穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，此時(shí)管道流量、壓力等都處于恒定的狀態(tài)。對(duì)于離心壓縮機(jī)而言，此時(shí)其性能特性一般根據(jù)性能曲線圖即可得到，能夠獲得此穩(wěn)態(tài)工況條件下的最佳工作點(diǎn)。但是，離心壓縮機(jī)出廠時(shí)提供的性能曲線圖，往往是在一定的特定工況條件下試驗(yàn)得到的，如特定的氣體和進(jìn)氣狀態(tài)。而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，離心壓縮機(jī)工況條件是多種多樣的，并不能保證與廠家進(jìn)行性能試驗(yàn)的條件完全一致。為了適應(yīng)新工況情況，往往需要將廠家給的性能曲線圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作條件下的性能曲線圖。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面展開了一系列研究，并取得了很多成果。

在國(guó)外學(xué)者方面，Connor 等人[2]根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對(duì)壓縮比較高情況下的離心壓縮機(jī)，分別就設(shè)計(jì)工況及非設(shè)計(jì)工況下的性能曲線進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。Magdy 等人[3]根據(jù)離心壓縮機(jī)的幾何形狀和理論設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)天然氣的擴(kuò)散因子和相關(guān)損失的計(jì)算方法，能夠預(yù)測(cè)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況下的離心壓縮機(jī)性能曲線，并且準(zhǔn)確度較高。Herbert 等人[4]結(jié)合離心壓縮機(jī)的整體幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)離心壓縮機(jī)的進(jìn)口流量、壓縮比及假定的工作效率等，計(jì)算了離心壓縮機(jī)各部位工況參數(shù)，預(yù)測(cè)了離心壓縮機(jī)的性能特性。Coppinger等人[5]對(duì)進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣條件（如壓力、流量等）進(jìn)行調(diào)整，對(duì)相應(yīng)工況下的離心壓縮機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)。

在國(guó)內(nèi)學(xué)者方面，研究的起步要晚于國(guó)外，主要采用模擬計(jì)算等開展離心壓縮機(jī)性能的研究。謝朝泉等人[6]通過(guò)分析離心壓縮機(jī)與離心泵的工作原理，采用類比的方法將離心泵的性能換算方法運(yùn)用到離心壓縮機(jī)的性能換算分析中。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮比小于2.5的離心壓縮機(jī)，采用類比方法是適用的，能夠滿足工程要求。

劉瑞蹈等人[7]針對(duì)含分流葉片離心式壓縮機(jī)，采用Fine/Turbo程序?qū)﹄x心壓縮機(jī)內(nèi)部的三維黏性流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬得到的離心壓縮機(jī)性能曲線與實(shí)驗(yàn)條件下得到的結(jié)果基本吻合，并且不同的進(jìn)口流量工況條件下，離心壓縮機(jī)葉輪葉片的進(jìn)口位置都會(huì)產(chǎn)生局部區(qū)域的逆向壓力梯度。

張冬陽(yáng)等人[8]提出了一種兩步擬合來(lái)求解離心壓縮機(jī)性能特性的方法。首先，利用正交多項(xiàng)式的形式擬合得到離心壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)速工況條件下的性能曲線；然后，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，針對(duì)第一步得到的擬合關(guān)系式中的相關(guān)系數(shù)，分析其與離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并建立關(guān)系式，最后得到離心壓縮機(jī)關(guān)于進(jìn)口流量和轉(zhuǎn)速的性能參數(shù)多項(xiàng)式。作者認(rèn)為，該擬合方法在實(shí)際實(shí)施的過(guò)程中較為簡(jiǎn)便，且得到的離心壓縮機(jī)性能曲線能夠滿足一般工程的要求。

張楚華等人[9]針對(duì)離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了預(yù)處理，利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積法研究了離心壓縮機(jī)內(nèi)部葉頂間隙對(duì)壓縮機(jī)氣動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明，葉輪內(nèi)部的流動(dòng)情況（包括流速、流場(chǎng)等）會(huì)隨著葉頂間隙増大而不斷發(fā)生惡化，并且葉輪的氣動(dòng)效率、轉(zhuǎn)矩和壓縮比均會(huì)下降。

目前針對(duì)穩(wěn)態(tài)工況條件下，天然氣管道離心壓縮機(jī)性能曲線的換算主要是采用3 種相似換算方法，即完全相似、第一類近似相似、第二類近似相似。在實(shí)際換算時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件與性能試驗(yàn)條件的差異，選擇最適合的換算方法。

2.2 瞬態(tài)工況下離心壓縮機(jī)性能特性仿真研究

針對(duì)離心壓縮機(jī)的瞬態(tài)運(yùn)行特性仿真研究，國(guó)外學(xué)者研究起步較早，研究也取得了比較豐碩的成果。

Whitfield 等人[10]對(duì)以往學(xué)者的離心壓縮機(jī)性能預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)離心壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況屬于三維非定常流動(dòng)，天然氣流動(dòng)過(guò)程中存在的邊界層分離現(xiàn)象，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地模擬離心壓縮機(jī)的性能特性。Greitzer 和Moore 等人[11]從無(wú)量綱角度對(duì)離心壓縮機(jī)的質(zhì)量流量和壓力兩個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行了無(wú)量綱化，據(jù)此來(lái)建立離心壓縮機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，采用三階函數(shù)曲線對(duì)所建立的離心壓縮機(jī)瞬態(tài)模型的性能曲線進(jìn)分析。此外，Botros 等人[12]基于三大守恒定律，即能量守恒、質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒，建立了一種瞬態(tài)離心壓縮機(jī)模型，該模型能夠描述氣體在壓縮機(jī)內(nèi)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程。

在國(guó)內(nèi)學(xué)者研究方面，整體上起步要晚于國(guó)外，但取得的成果較為豐富。張春梅等人[13]對(duì)Moore 和Greitzer 所提出的離心壓縮機(jī)瞬態(tài)模型進(jìn)行了改進(jìn)，并就改進(jìn)后的瞬態(tài)模型穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得到了該離心壓縮機(jī)模型非正常工況下運(yùn)行條件，如旋轉(zhuǎn)失速和喘振等工況條件，并進(jìn)一步對(duì)離心壓縮機(jī)從穩(wěn)定工況狀態(tài)到喘振工況狀態(tài)的變化過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬。慈蕾等人[14]采用數(shù)值模擬軟件NUMECA 模擬分析了等內(nèi)徑不對(duì)稱圓形蝸殼的三維黏性特征，研究發(fā)現(xiàn)圓形蝸殼內(nèi)部的氣體流動(dòng)屬于復(fù)雜的三維不規(guī)則旋轉(zhuǎn)向前流動(dòng)，蝸舌附近的氣流扭曲程度要顯著大于蝸殼其他部位的分析情況。此外，厲勇等人[15]在離心壓縮機(jī)性能分析中引入了模糊控制理論，并在建立離心壓縮機(jī)性能模型過(guò)程中利用了Elman 動(dòng)態(tài)遞歸人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。孫培艷等人[16]在模糊控制理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)離心壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象設(shè)計(jì)了相應(yīng)的防喘振控制系統(tǒng)，對(duì)離心壓縮機(jī)的防喘振具有較好的效果。

針對(duì)天然氣管道離心壓縮機(jī)性能進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)精確預(yù)測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)天然氣壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行性能，對(duì)各種工況下的離心壓縮機(jī)性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，這對(duì)于天然氣管道的安全高效運(yùn)行是非常必要的。

3 展望

本文以西南管道公司天然氣管道離心壓縮機(jī)性能特性為切入點(diǎn)，系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在上述方面的研究現(xiàn)狀。雖然目前在離心壓縮機(jī)性能分析方面取得了較多成果，但在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下要求對(duì)離心壓縮機(jī)的性能更加精確地控制，仍需在以下兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行深入探索：

（1）加大對(duì)離心壓縮機(jī)性能預(yù)測(cè)模型的研究，建立適合多工況條件下的性能預(yù)測(cè)模型，及時(shí)掌握離心壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行性能。

（2）深入研究瞬態(tài)工況下的離心壓縮機(jī)性能特征，掌握瞬態(tài)工況下的氣體流動(dòng)規(guī)律，開發(fā)瞬態(tài)工況下離心壓縮機(jī)性能預(yù)測(cè)軟件。