王同宝

中石化宁波工程有限公司 宁波 315000

离心式压缩机广泛应用于石化领域，用来输送各种工艺气体，是一种将机械能转化为压力能的增压设备，其特点是结构简单、排气量大、性能稳定，实用性较强。由于离心式压缩机性能曲线的稳定工况区较窄，当运行工况发生改变后，如果防喘振系统设计能力不够或不能正常工作，易发生喘振现象，严重的可导致压缩机运行瘫痪或发生损坏事故[1-2]。对于改造项目，由于压缩机的工作环境发生了改变，比如系统操作参数、工艺介质组成、压缩机进出口管道尺寸及布置、系统内部设备新增、删减或改造、压缩机操作方式等因素的变化，导致原压缩机的正常工作点已发生偏离。因此，需要结合改造工艺方案对原压缩机及其防喘振系统进行重新验证，以保证压缩机在正常停车及紧急停车等非正常工况下，能够安全、平稳停车，不造成喘振事故的发生。

通常压缩机在初始设计时，是以稳态工况下的工艺参数作为输入条件，并结合压缩机制造商的经验公式来对防喘振系统进行设计。当系统改造后，尤其是对于多级压缩机系统，工艺流程更加复杂，仅仅通过稳态下压缩机进出口的工艺参数来进行验证是不够的，也不能做到最优化设计，需结合具体的操作方式及可能出现的工况，对包括防喘振回路在内的整个系统进行完整的分析。动态模拟的方法是在模型求解的常(偏)微分方程中引入时间参数，其建模过程是基于管道及仪表流程图，并且加入了联锁控制系统，可以更加直观地观察压缩机工作点变化曲线、各级进出口及防喘振回路的工艺参数随时间的变化情况，因此可用于对压缩机系统改造的设计进行指导优化，确保系统操作安全稳定。

1 模型及基础数据

在某合成氨扩能改造项目中，装置氨产能由原正常工况的1575 Mt/d拟提升至1650 Mt/d。本文以该项目中一套需要改造的氨冰机系统为例，对改造方案进行动态建模分析，以达到分析工艺参数变化情况及压缩机设备运行情况、验证防喘振系统、优化设计的目的。氨冰机系统流程见图1。

图1 氨冰机系统流程简图

来自上游氨合成工段的氨，温度为78℃，压力为211 kg/cm2，经过氨冷却器初步冷却至46℃后，进入组合式换热器与来自液氨闪蒸罐的低温液氨进一步换热降温后，进入液氨一级分离罐；分离出气氨后，再进入液氨二级分离罐，压力降低至20.5 kg/cm2；再次分离出闪蒸的气氨后，液相部分进入多级氨闪蒸罐一段，闪蒸压力为常压。闪蒸出的气氨进入氨冰机经过四级压缩后，压力提高至19 kg/cm2，经过多级冷却、分离后，返回界区入口液氨管线上，形成一个压缩、冷却冷凝、节流膨胀、蒸发的循环制冷系统。氨冰机的二三四级分别有来自多级氨闪蒸罐的中间补气。产品液氨最终通过多级闪蒸罐的第一级底部产出，通过泵送出界区。流程简图中虚线框部分是产能提升后需改造的设备及管线。压缩机各级之间均设有防喘振线。

采用Aspen HYSYS V11，建模过程按照实际配管情况，结合设备尺寸、管道及换热器压降、压缩机的转动惯量、阀门形式、压缩机操作要求、联锁控制方案等因素，按照压缩机的操作手册，对正常停车和紧急停车两种工况分别进行动态模拟，为改造方案及压缩机防喘振系统的设计提供指导。

2 改造工艺路线验证

2.1 压缩机操作点验证

改造项目中，压缩机操作点的变化是管路设备配置方案中各个设备的特性对管道内气体流动影响的综合表现，因此在实际的设计、设备选型和安装过程中，需要对管道设备布置方案进行完整建模，并准确计算各部件特性。本项目中，工艺路线的改造范围有：① 氨冰机系统部分管线管径、布置变化；② 新增旁路；③ 原单台氨冰机冷凝器拆分为两台串联的换热器；④ 压缩机二段中间冷却器改造；⑤ 压缩机透平改造等方面。压缩机本体不涉及改造，因此性能曲线不变。在模型中观察1650 Mt/d(100%负荷，8600 r/min)工况下压缩机各级新的操作点位置以及流量、压头、效率数据，并与改造前的1575 Mt/d进行对比，结果见表1。

表1 改造前后压缩机正常操作点与效率对比

通过上表可以看出，在1650 Mt/d工况下，压缩机各级流量均有所提高，而压缩机I至IV级的压头分别降低了7.36%、1.75%、13.04%和8.05%，效率分别降低了0.04%、2.07%、0.02%和2.63%。压缩机性能曲线表征的是转速、流量与扬程的关系。在压缩机性能曲线中，1650 Mt/d工况下工作点的位置与初始设计工况并没有很大偏差，效率的降低也在可接受范围内，仍然处在高效区。据此判断，新工艺路线下原压缩机是可以利旧的。

2.2 系统设计参数验证

压缩机停止运转后，氨冰机系统中各部分的压力、温度等工艺参数也会随着时间发生变化，有的甚至偏离正常设计值好几倍。而这种偏离难以通过稳态模型模拟计算出。因此，在工程设计中，设备管道的设计参数往往依据经验或最极端情况来确定，会存在过度设计或考虑不足的情况。而在动态模型中，可以观察氨冰机系统中任意位置的工艺参数及介质物性在压缩机开停车过程中的变化情况，通过获取该过程中的峰值数据，对已有系统的设计参数进行校核或优化。以紧急停车工况下，压缩机I段入口及防喘振线为例，其温度、压力随时间的变化关系见图2～图5。

图2 I段入口温度随时间的变化关系

图3 I段入口压力随时间的变化关系

图4 I段入口流量随时间的变化关系

图5 I段防喘振阀流量随时间的变化关系

由上图可以看出，0～10s时刻为压缩机在1650 Mt/d工况下正常运行参数，10s后压缩机动力源失去，紧急停车程序触发。停车过程中，I段入口温度由-31.5℃上升至26.1℃，压力由1.1 kg/cm2升高至10.3 kg/cm2，流量则在约140s左右达到峰值20856 kg/h，为正常操作值的1.62倍；防喘振线的流量则在迅速升高至26676kg/h后缓慢回落。通过获取动态过程中工艺参数的最大和最小值，可以用来校核相关管道已有的设计参数，并进行优化，或采取相应措施来保证系统安全。同样以I段入口管线为例，原管线/设备的参数与模拟结果的对比见表2。

表2 原管线的参数与模拟结果的对比

通过上表的对比结果可以看出紧急停车过程中出现的最大温度远小于设计温度上限，是满足要求的；最大压力值虽然没有超过原管线设计压力，但比较接近，余量较小。因此，按照设计规定，建议调整设计压力为12.3 kg/cm2，或在设备上增加安全阀，以避免相关的管线和设备发生超压工况。同样，通过I段入口管线和防喘振线的流量，也可对原管线尺寸进行校核。

3 防喘振系统验证

对于多级压缩机而言，压缩机防喘振回路、防喘振回路与主工艺路线之间，存在强烈的耦合关系，在实际压缩机开停车操作中，为了消除回路间的这种耦合干扰，操作人员只能把阀门投到手动，并且人为开大，以便让压缩机运行点远离喘振控制线，但这样将导致能耗增加[4]。而采用动态模型，可以将开停车过程中这种复杂的变化关系通过工作点在性能曲线上的运动轨迹直观地展示出来。本文主要研究紧急停车和正常停车工况下，压缩机防喘振回路的工作情况。

按照压缩机操作手册说明，紧急停车是指压缩机在失去动力源的情况下，依靠转子自身惯性维持转动，直至最终停止，同时联锁控制系统动作氨冰机系统内相关的阀门及设备。上述过程称为摩阻衰减，其转速衰减趋势决定了气量减少量以及工作点向喘振区移动速度[5]；正常停车则是指通过程序控制，在10 min内将压缩机的转速降低至3000 r/min，然后再人工切断动力源，直至压缩机最终停止，即分为动力衰减和摩阻衰减两个阶段。在上述两种停车工况下，压缩机失去动力，叶轮转速迅速衰减，导致压头和流量迅速降低，极易发生喘振。两种工况的部分模拟结果见图6～图8。

图6 紧急停车I段工作点运行轨迹

图7 紧急停车III段工作点运行轨迹

图8 正常停车I段工作点运行轨迹

动态模拟研究防喘振系统的主要目标是保证工作点轨迹落在压缩机性能曲线的稳定工作区内。通过上图工作点运行轨迹可以看出，紧急停车工况下压缩机I段工作点快速越过了喘振控制线，流量迅速归零，说明I段防喘振阀即使在全部打开的情况下，防喘振线的通过能力在此工况下仍然严重不足；III段工作点在越过喘振控制线之后，流量降低速率快速减小，说明III段的防喘振阀能力有一定不足。正常停车下的压缩机I段工作点刚开始沿着防喘振控制线右侧边缘缓慢下降，但最终还是越过了防喘振控制线，紧接着出现了第1个拐点，说明此时防喘振阀开始工作，压缩机入口流量增加，但之后始终未能回到防喘振控制线右侧，说明防喘振阀的通过能力略有不足。综上所述，压缩机I段和III段已有的防喘振系统已无法满足改造后的工况要求，因此，需要对防喘振阀的设计参数进行调整。

防喘振阀的Cv值表征了防喘振线流量的通过能力，Cv越大，则压缩机出口回流量越多；防喘振阀的动作时间则表征了系统响应快慢，动作时间越大，意味着系统反应更为迟缓，不能及时抑制压缩机流量的减小趋势[5-6]。改变防喘振阀的Cv值、动作时间和再运行模型进行调试，直至压缩机工作点运行轨迹完全落在临界喘振线右侧。防喘振阀调整前后对比的参数见表3。

表3 改造前后防喘振阀的参数对比

压缩机的工作点随时间的变化情况，见图9～图11。

图9 紧急停车I段工作点运行轨迹

图10 紧急停车III段工作点运行轨迹

图11 正常停车I段工作点运行轨迹

从模型的运行情况来看，I段和III段在紧急停车过程中没有喘振发生，工作点的轨迹始终在喘振控制线的右侧，说明模型中选取的防喘振参数是合理的。虽然I段的Cv值从70调整为210，但III、IV段分别从210调整为95和70，降低了防喘振阀的选型要求，既避免了过度设计，又保证了氨冰机系统能够安全、稳定停车。

4 结语

本文从动态的角度对某合成氨改造项目中的多级压缩机系统的改造工艺路线、防喘振系统进行了分析，相比于稳态模拟，其具有以下特点：

(1)动态模型中的稳态流程可用于观察利旧压缩机和改造工艺路线的匹配性，分析在新的工况下压缩机是否仍然处于正常工作范围。

(2)动态模拟引入时间参数，可以观察压缩机在开停车过程中系统各个位置(设备、管线等)的温度、压力、流量等工艺参数变化情况，可指导设计，也可用以校核已有设备或管线的设计参数，保证系统在非正常工况下的运行安全，进一步提高了多级压缩机系统的工程设计和技术改造能力。

(3)此动态模拟分析已应用于某改造项目，可直观地了解压缩机各级在不同工况下防喘振回路的工作情况，优化防喘振阀及防喘振回路的设计参数，保证压缩机安全开停车。