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          管线离心压缩机入口流量波动诊断及对策研究

          来源: (中石化重庆天然气管道有限责任公司,重庆 作者:王磊,岳三琪,夏敏,赵志超,陈福林 发布日期:2020-07-07 10:39:10

                   摘要:天然气长输管线离心压缩机组入口安装标准孔板流量计,防喘振测试过程中多次出现流量大幅波动现象,影响测试效果和机组的平稳运行。从仪表、控制、防喘阀、孔板、流态等逐项排查流量波动的诱导因素,根据孔板前后压力测试和流态分析,诊断出流场不稳定是造成流量波动的根本原因。本文通过改用多孔孔板流量计增强整流效果,更换前模拟分析多孔孔板的应力应变特性,验证其可靠性,更换后再次测试未出现流量波动,进一步认识多孔孔板流量计的流场特性,充分发挥其在紊流场中的抗干扰能力,对离心压缩机组工艺和配套设备的设计选型具有一定的借鉴意义。

           
          1  故障描述
                  某天然气长输管道增压站新建三套离心式压缩机组,主机机型 PCL355,设计参数见表 1。进行防喘振测试过程中,当机组在防喘振管线内打小循环时,压缩机入口孔板流量计测得流量值存在较大范围波动,且流量值比正常情况偏小 22% 左右,偏小约 33000 ~35000Nm3/h,防喘振测试时天然气流向图和入口压力波动曲线如图 1、2 所示。防喘振流量波动造成无法精确测试压缩机的工况点、准确绘制防喘振曲线,影响压缩机的长期稳定安全运行。
           
          2  流量波动诱导因素排查
                  从仪表、自控系统、防喘阀、孔板、天然气流态等方面逐项排查诱导因素,找出入口流量波动的根本原因。
          PCL355 型离心式压缩机组设计参数表
          2.1  仪表
                  通过孔板流量计变送器阀组排污,清理出少量污物,清理后问题未解决。
           
                  随后,数次更换标定的差压变送器,并吹扫引压管、取压阀等组件,问题未解决,排除仪表本质故障的可能性。
           
          2.2  自控系统
                  本机组采集的流量计差压值传输至试车合格机组的自控系统后,依然存在流量波动现象,且经专业工程师诊断自控系统后未发现异常,因此,排除自控系统硬件和程序可能存在的问题。
           防喘振测试天然气流向图压缩机入口流量曲线
          2.3  防喘阀
                  防喘阀内部堵塞引起流通面积缩小可能导致流量波动且偏小,拆卸并检查防喘振阀,内部存在少量杂质但阀门动作正常,专业工程师分析判断后,认为少量杂质不会影响阀门性能。
           
          2.4  孔板
                  拆卸并查看孔板流量计表面清洁度,表面附着少量黏稠杂质,但不会引起流量波动;随后,依据图纸核对流量计安装方向是否正确,经检查安装无误;非常后,核验孔板流量计规格型号、内径尺寸等参数是否与设计图纸相符,经查验各参数符合设计要求。
           
                  将现用的进口孔板流量计替换为某国产孔板流量计,并缩小孔板内径尺寸,孔板的 β 值(孔板内径 d与管道内径 D 的比值)由原来的 0.7 缩小至 0.6,更换后启机测试,流量波动现象依然存在。
           
          3  基于流态分析的诊断
                  经上述诊断后,未排查出流量波动的诱导因素,决定从压缩机工艺管线天然气流态的角度出发,分析查找问题根源。
           
          3.1  流体力学分析
                  根据伯努利方程和流体流动连续性方程可得到孔板流量计前后差压 Δp 与流经孔板的体积流量 QV 关系为:
          压缩机入口流量公式
           
                  式中,C 为流出系数;ρ 为流体密度,kg/m3;β为孔板内径 d 与管道内径 D 的比值。
           
                  由式 1 可知,通过测量孔板两侧压力差,可计算流经孔板的体积流量值,这是孔板流量计的基本工作原理。管道中体积流量 QV 与流体流速 v 有如下函数关系:
          20200707104406.jpg
           
                  联立式(1)和式(2)可得,孔板流量计两端差压与流速的关系表达式为:
          20200707104434.jpg
           
                  根据式(3),流体处于非稳定流态时,孔板流量计两端差压会出现波动,且孔板两端差压变化幅值随流速振幅增强而变大,导致测量的流量出现波动。
           
          3.2  孔板前后压力测试
                  通过孔板前后压力测试,验证流量波动是否由压力波动引发。拆除流量计的差压变送器,在孔板前后取压口安装 2 个压力变送器,重新编程后监测孔板前后压力和差压值。按照表 2 列出的三种工况进行压力测试。
          压力测试的三种工况
          工况一条件下孔板前后压力曲线
          工况二条件下孔板前后压力曲线
                  经测试,孔板前压力波动范围 1.257 ~ 1.942kPa,孔板后压力波动范围 4.6 ~ 5.108kPa,差压波动非常大值略大于 5kPa,证明流经孔板前后的流体存在波动,差压波动是导致流量波动的根源。
          工况三条件下孔板前后压力曲线压力测试参数表
          3.3  流量计对比分析
                  经专家组研讨决定,用多孔孔板流量计替换标准孔板流量计以消减差压波动。更换前对比 2 种流量计的流态特征,分析多孔孔板流量计对流体流态的影响,提高解决问题的概率,减少因重复更换流量计带来的经济损失和时间消耗。
           
                  对比图 6、7,与标准孔板流量计相比,多孔孔板流量计产生的涡流尺寸更小,且流经上下游的流体能够更快恢复到稳定状态。
          标准孔板流量计上下游流态图 多孔孔板流量计上下游流态图
                  标准孔板流量计仅有一个流通孔径,节流后会破坏流体层流状态;多孔孔板流量计具有多个函数孔径,其对称多孔结构的特点,能非常大程度将流场平衡整流,降低涡流,流场稳定性大大提高。
           
                  多孔孔板流量计由于流场更加稳定,且有较强的压力恢复能力,大大缩短对压缩机入口直管段的要求,直管段非常小可短至孔板前 0.5D、后 0.5D(D 为管道内径),多孔孔板流量计能够获得更加平稳的差压信号,测量的体积流量更稳定、精确。
           
          4  多孔孔板力学分析与验证测试
          更换前进行孔板流量计的应力应变分析和水压试验,验证其可靠性。
           
                  使用有限元分析软件对孔板流量计做应力应变分析。经模拟分析得出正常工况下孔板的等效应力分布云图和总变形图,其非常大等效应力为 54.4MPa,远小于材料屈服强度 310MPa;其非常大变形为 0.06mm,满足设计要求。
           
                  经水压试验验证,多空孔板流量计能够满足现场高压工况。
           
                  更换多孔孔板流量计后启机测试,未出现流量波动现象。
           
                  现场安装的轴流式防喘阀选型过大,调节回流流量时开度变化灵敏。通过进一步分析和行业内调研,防喘振测试时出现流量波动,是由于防喘阀选型时尺寸过大 (DN250),与压缩机入口管径 (DN500) 不匹配,造成防喘阀回流气量过大,冲击入口天然气,导致流体出现紊流,紊流流体通过孔板流量计测量,出现大幅度流量波动。
           
          5  结语及建议
                  由于压缩机组设计选型阶段未充分考虑防喘振阀与工艺管线的匹配性,导致防喘振小循环回流的气流过大,造成压缩机入口流体的紊流状态,标准孔板流量计无法准确测量真实流量。多孔孔板流量计具备良好的整流作用,能够提高抗干扰能力,流量更稳定,测量值更符合实际。建议依据实际系统特性,全面充分考虑压缩机与工艺管线、配套设备的匹配度,辅助管线离心压缩机组的设计选型;设计阶段应对防喘振阀、孔板流量计等设备与工艺系统做流体力学计算分析和流态模拟,以满足压缩机系统的运行需要。

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