王磊,岳三琪,夏敏,趙志超,陳福林
(中石化重慶天然氣管道有限責(zé)任公司,重慶 408001)
某天然氣長(zhǎng)輸管道增壓站新建三套離心式壓縮機(jī)組,主機(jī)機(jī)型PCL355,設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。進(jìn)行防喘振測(cè)試過(guò)程中,當(dāng)機(jī)組在防喘振管線內(nèi)打小循環(huán)時(shí),壓縮機(jī)入口孔板流量計(jì)測(cè)得流量值存在較大范圍波動(dòng),且流量值比正常情況偏小22%左右,偏小約33000~35000Nm3/h,防喘振測(cè)試時(shí)天然氣流向圖和入口壓力波動(dòng)曲線如圖1、2所示。防喘振流量波動(dòng)造成無(wú)法精確測(cè)試壓縮機(jī)的工況點(diǎn)、準(zhǔn)確繪制防喘振曲線,影響壓縮機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行。
從儀表、自控系統(tǒng)、防喘閥、孔板、天然氣流態(tài)等方面逐項(xiàng)排查誘導(dǎo)因素,找出入口流量波動(dòng)的根本原因。
表1 PCL355型離心式壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)表
通過(guò)孔板流量計(jì)變送器閥組排污,清理出少量污物,清理后問(wèn)題未解決。
隨后,數(shù)次更換標(biāo)定的差壓變送器,并吹掃引壓管、取壓閥等組件,問(wèn)題未解決,排除儀表本質(zhì)故障的可能性
圖1 防喘振測(cè)試天然氣流向圖
圖2 壓縮機(jī)入口流量曲線
本機(jī)組采集的流量計(jì)差壓值傳輸至試車(chē)合格機(jī)組的自控系統(tǒng)后,依然存在流量波動(dòng)現(xiàn)象,且經(jīng)專(zhuān)業(yè)工程師診斷自控系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)異常,因此,排除自控系統(tǒng)硬件和程序可能存在的問(wèn)題。
防喘閥內(nèi)部堵塞引起流通面積縮小可能導(dǎo)致流量波動(dòng)且偏小,拆卸并檢查防喘振閥,內(nèi)部存在少量雜質(zhì)但閥門(mén)動(dòng)作正常,專(zhuān)業(yè)工程師分析判斷后,認(rèn)為少量雜質(zhì)不會(huì)影響閥門(mén)性能。
拆卸并查看孔板流量計(jì)表面清潔度,表面附著少量黏稠雜質(zhì),但不會(huì)引起流量波動(dòng);隨后,依據(jù)圖紙核對(duì)流量計(jì)安裝方向是否正確,經(jīng)檢查安裝無(wú)誤;最后,核驗(yàn)孔板流量計(jì)規(guī)格型號(hào)、內(nèi)徑尺寸等參數(shù)是否與設(shè)計(jì)圖紙相符,經(jīng)查驗(yàn)各參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。
將現(xiàn)用的進(jìn)口孔板流量計(jì)替換為某國(guó)產(chǎn)孔板流量計(jì),并縮小孔板內(nèi)徑尺寸,孔板的β值(孔板內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑D的比值)由原來(lái)的0.7縮小至0.6,更換后啟機(jī)測(cè)試,流量波動(dòng)現(xiàn)象依然存在。
經(jīng)上述診斷后,未排查出流量波動(dòng)的誘導(dǎo)因素,決定從壓縮機(jī)工藝管線天然氣流態(tài)的角度出發(fā),分析查找問(wèn)題根源。
根據(jù)伯努利方程和流體流動(dòng)連續(xù)性方程可得到孔板流量計(jì)前后差壓Δp與流經(jīng)孔板的體積流量QV關(guān)系為:
式中,C為流出系數(shù);ρ為流體密度,kg/m3;β為孔板內(nèi)徑d與管道內(nèi)徑D的比值。
由式1可知,通過(guò)測(cè)量孔板兩側(cè)壓力差,可計(jì)算流經(jīng)孔板的體積流量值,這是孔板流量計(jì)的基本工作原理。
管道中體積流量QV與流體流速v有如下函數(shù)關(guān)系:
聯(lián)立式(1)和式(2)可得,孔板流量計(jì)兩端差壓與流速的關(guān)系表達(dá)式為:
根據(jù)式(3),流體處于非穩(wěn)定流態(tài)時(shí),孔板流量計(jì)兩端差壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),且孔板兩端差壓變化幅值隨流速振幅增強(qiáng)而變大,導(dǎo)致測(cè)量的流量出現(xiàn)波動(dòng)。
通過(guò)孔板前后壓力測(cè)試,驗(yàn)證流量波動(dòng)是否由壓力波動(dòng)引發(fā)。拆除流量計(jì)的差壓變送器,在孔板前后取壓口安裝2個(gè)壓力變送器,重新編程后監(jiān)測(cè)孔板前后壓力和差壓值。按照表2列出的三種工況進(jìn)行壓力測(cè)試。
表2 壓力測(cè)試的三種工況
圖3 工況一條件下孔板前后壓力曲線
圖4 工況二條件下孔板前后壓力曲線
經(jīng)測(cè)試,孔板前壓力波動(dòng)范圍1.257~1.942kPa,孔板后壓力波動(dòng)范圍4.6~5.108kPa,差壓波動(dòng)最大值略大于5kPa,證明流經(jīng)孔板前后的流體存在波動(dòng),差壓波動(dòng)是導(dǎo)致流量波動(dòng)的根源。
圖5 工況三條件下孔板前后壓力曲線
表3 壓力測(cè)試參數(shù)表
經(jīng)專(zhuān)家組研討決定,用多孔孔板流量計(jì)替換標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)以消減差壓波動(dòng)。更換前對(duì)比2種流量計(jì)的流態(tài)特征,分析多孔孔板流量計(jì)對(duì)流體流態(tài)的影響,提高解決問(wèn)題的概率,減少因重復(fù)更換流量計(jì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間消耗。
對(duì)比圖6、7,與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)相比,多孔孔板流量計(jì)產(chǎn)生的渦流尺寸更小,且流經(jīng)上下游的流體能夠更快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖6 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)上下游流態(tài)圖
圖7 多孔孔板流量計(jì)上下游流態(tài)圖
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)僅有一個(gè)流通孔徑,節(jié)流后會(huì)破壞流體層流狀態(tài);多孔孔板流量計(jì)具有多個(gè)函數(shù)孔徑,其對(duì)稱(chēng)多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),能最大程度將流場(chǎng)平衡整流,降低渦流,流場(chǎng)穩(wěn)定性大大提高。
多孔孔板流量計(jì)由于流場(chǎng)更加穩(wěn)定,且有較強(qiáng)的壓力恢復(fù)能力,大大縮短對(duì)壓縮機(jī)入口直管段的要求,直管段最小可短至孔板前0.5D、后0.5D(D為管道內(nèi)徑),多孔孔板流量計(jì)能夠獲得更加平穩(wěn)的差壓信號(hào),測(cè)量的體積流量更穩(wěn)定、精確。
更換前進(jìn)行孔板流量計(jì)的應(yīng)力應(yīng)變分析和水壓試驗(yàn),驗(yàn)證其可靠性。
使用有限元分析軟件對(duì)孔板流量計(jì)做應(yīng)力應(yīng)變分析。經(jīng)模擬分析得出正常工況下孔板的等效應(yīng)力分布云圖和總變形圖,其最大等效應(yīng)力為54.4MPa,遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度310MPa;其最大變形為0.06mm,滿足設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證,多空孔板流量計(jì)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)高壓工況。
更換多孔孔板流量計(jì)后啟機(jī)測(cè)試,未出現(xiàn)流量波動(dòng)現(xiàn)象。
現(xiàn)場(chǎng)安裝的軸流式防喘閥選型過(guò)大,調(diào)節(jié)回流流量時(shí)開(kāi)度變化靈敏。通過(guò)進(jìn)一步分析和行業(yè)內(nèi)調(diào)研,防喘振測(cè)試時(shí)出現(xiàn)流量波動(dòng),是由于防喘閥選型時(shí)尺寸過(guò)大(DN250),與壓縮機(jī)入口管徑(DN500)不匹配造成防喘閥回流氣量過(guò)大,沖擊入口天然氣,導(dǎo)致流體出現(xiàn)紊流,紊流流體通過(guò)孔板流量計(jì)測(cè)量,出現(xiàn)大幅度流量波動(dòng)。
由于壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)選型階段未充分考慮防喘振閥與工藝管線的匹配性,導(dǎo)致防喘振小循環(huán)回流的氣流過(guò)大,造成壓縮機(jī)入口流體的紊流狀態(tài),標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量真實(shí)流量。多孔孔板流量計(jì)具備良好的整流作用,能夠提高抗干擾能力,流量更穩(wěn)定,測(cè)量值更符合實(shí)際。建議依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)特性,全面充分考慮壓縮機(jī)與工藝管線、配套設(shè)備的匹配度,輔助管線離心壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)選型;設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)防喘振閥、孔板流量計(jì)等設(shè)備與工藝系統(tǒng)做流體力學(xué)計(jì)算分析和流態(tài)模擬,以滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行需要。