“雙碳”背景下天然氣管道離心壓縮機性能預(yù)測分析

“雙碳”背景下天然氣管道離心壓縮機性

能預(yù)測分析李旺，陳小華，楊鵬博，吳蘭英，雷云（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團西南管道有限責(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）。引言隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)保政策的實施，國內(nèi)外對石油天然氣類能源需求越來越大。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)濟的時代背景下備受青睞，其消費量逐年保持大幅增長。從全球范圍來看，天然氣的生產(chǎn)與消費區(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。離心壓縮機作為天然氣長輸管道的重要設(shè)備，截至2022年我國安裝天然氣管道壓縮機組超過350臺,總裝機功率超過7000MW,而離心壓縮機組占大部分［1］。因此，離心壓縮機的高效運行對于天然氣長輸管道系統(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行現(xiàn)狀西南管道公司（以下簡稱“公司”）作為我國西南能源大動脈，其所轄天然氣管道的安全穩(wěn)定高效是保障我國能源安全的關(guān)鍵所在。公司所轄天然氣管道多處于山地，經(jīng)過地區(qū)地形起伏大、外界地質(zhì)條件變化大，以及管道實際運行工況的復(fù)雜性，使得離心壓縮機經(jīng)常出現(xiàn)運行工況（入口壓力、入口溫度、入口流量等）不在設(shè)計工況下的情況，再加之管道內(nèi)實際輸送氣體的組分與設(shè)計也存在一定的偏差，用離心壓縮機出廠性能曲線來預(yù)測實際工況下的運行性能存在較大偏差。因此，公司天然氣管道在實際運行過程中，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，嚴重威脅天然氣管道的安全運行。針對上述天然氣管道面臨的問題，公司現(xiàn)有的運行管控手段主要是依靠SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition,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)測沿線站場等部分監(jiān)測點的運行工藝參數(shù)，這就使得調(diào)度運行人員難以獲得管道全線運行參數(shù)和準確掌握、預(yù)測天然氣管道的運行狀態(tài)，運行調(diào)度主要依靠調(diào)度運行人員的多年運行經(jīng)驗進行，難以保證天然氣管道的最優(yōu)運行狀態(tài)。因此，為了提高天然氣管道的運行效率和安全性，實時掌握離心壓縮機的運行狀態(tài)，及時得到管輸實際氣體組分在實際工況下的性能曲線,對離心壓縮機運行性能進行準確預(yù)測，對制定天然氣管線優(yōu)化調(diào)度方案具有重要的現(xiàn)實意義。2天然氣管道離心壓縮機性能分析目前，國內(nèi)外學(xué)者在天然氣管道離心壓縮機性能的研究方面，主要圍繞兩個方面展開工作：一是運行工況屬于穩(wěn)態(tài)時，離心壓縮機的性能換算研究；二是考慮瞬態(tài)運行工況，實時對離心壓縮機的性能特性進行仿真預(yù)測。穩(wěn)態(tài)工況下離心壓縮機性能換算研究天然氣管道處于穩(wěn)態(tài)工況時，此時管道流量、壓力等都處于恒定的狀態(tài)。對于離心壓縮機而言，此時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。但是，離心壓縮機出廠時提供的性能曲線圖，往往是在一定的特定工況條件下試驗得到的，如特定的氣體和進氣狀態(tài)。而實際現(xiàn)場運行時，離心壓縮機工況條件是多種多樣的，并不能保證與廠家進行性能試驗的條件完全一致。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)化為實際工作條件下的性能曲線圖。許多國內(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。在國外學(xué)者方面，Connor等人［2］根據(jù)實驗得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對壓縮比較高情況下的離心壓縮機，分別就設(shè)計工況及非設(shè)計工況下的性能曲線進行了預(yù)測研究。Magdy等人［3］根據(jù)離心壓縮機的幾何形狀和理論設(shè)計工況點，通過改進天然氣的擴散因子和相關(guān)損失的計算方法，能夠預(yù)測遠離設(shè)計工況下的離心壓縮機性能曲線，并且準確度較高。Herbert等人［4］結(jié)合離心壓縮機的整體幾何結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)離心壓縮機的進口流量、壓縮比及假定的工作效率等，計算了離心壓縮機各部位工況參數(shù)，預(yù)測了離心壓縮機的性能特性。Coppinger等人［5］對進入壓縮機的天然氣條件（如壓力、流量等）進行調(diào)整，對相應(yīng)工況下的離心壓縮機性能參數(shù)進行了分析與預(yù)測。在國內(nèi)學(xué)者方面，研究的起步要晚于國外，主要采用模擬計算等開展離心壓縮機性能的研究。謝朝泉等人［6］通過分析離心壓縮機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用到離心壓縮機的性能換算分析中。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮比小于2.5的離心壓縮機,采用類比方法是適用的，能夠滿足工程要求。劉瑞蹈等人［7］針對含分流葉片離心式壓縮機，采用Fine/Turbo程序?qū)﹄x心壓縮機內(nèi)部的三維黏性流場進行了數(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性能曲線與實驗條件下得到的結(jié)果基本吻合，并且不同的進口流量工況條件下，離心壓縮機葉輪葉片的進口位置都會產(chǎn)生局部區(qū)域的逆向壓力梯度。張冬陽等人［8］提出了一種兩步擬合來求解離心壓縮機性能特性的方法。首先，利用正交多項式的形式擬合得到離心壓縮機等轉(zhuǎn)速工況條件下的性能曲線；然后，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，針對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轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并建立關(guān)系式，最后得到離心壓縮機關(guān)于進口流量和轉(zhuǎn)速的性能參數(shù)多項式。作者認為，該擬合方法在實際實施的過程中較為簡便，且得到的離心壓縮機性能曲線能夠滿足一般工程的要求。張楚華等人［9］針對離心壓縮機的結(jié)構(gòu)進行了預(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內(nèi)部葉頂間隙對壓縮機氣動性能的影響。結(jié)果表明，葉輪內(nèi)部的流動情況（包括流速、流場等）會隨著葉頂間隙增大而不斷發(fā)生惡化，并且葉輪的氣動效率、轉(zhuǎn)矩和壓縮比均會下降。目前針對穩(wěn)態(tài)工況條件下，天然氣管道離心壓縮機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。在實際換算時，要根據(jù)現(xiàn)場實際條件與性能試驗條件的差異，選擇最適合的換算方法。瞬態(tài)工況下離心壓縮機性能特性仿真研究針對離心壓縮機的瞬態(tài)運行特性仿真研究，國外學(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］對以往學(xué)者的離心壓縮機性能預(yù)測方法進行了系統(tǒng)的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)離心壓縮機內(nèi)部流動情況屬于三維非定常流動,天然氣流動過程中存在的邊界層分離現(xiàn)象，導(dǎo)致不能準確地模擬離心壓縮機的性能特性。Greitzer和Moore等人［11］從無量綱角度對離心壓縮機的質(zhì)量流量和壓力兩個狀態(tài)變量進行了無量綱化，據(jù)此來建立離心壓縮機的瞬時動態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，采用三階函數(shù)曲線對所建立的離心壓縮機瞬態(tài)模型的性能曲線進分析。此外，Botros等人［12］基于三大守恒定律，即能量守恒、質(zhì)量守恒和動量守恒，建立了一種瞬態(tài)離心壓縮機模型，該模型能夠描述氣體在壓縮機內(nèi)的準穩(wěn)態(tài)流動過程。在國內(nèi)學(xué)者研究方面，整體上起步要晚于國外，但取得的成果較為豐富。張春梅等人［13］對Moore和Greitzer所提出的離心壓縮機瞬態(tài)模型進行了改進，并就改進后的瞬態(tài)模型穩(wěn)定性進行了分析，得到了該離心壓縮機模型非正常工況下運行條件，如旋轉(zhuǎn)失速和喘振等工況條件，并進一步對離心壓縮機從穩(wěn)定工況狀態(tài)到喘振工況狀態(tài)的變化過程進行了仿真模擬。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)部的氣體流動屬于復(fù)雜的三維不規(guī)則旋轉(zhuǎn)向前流動，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]在離心壓縮機性能分析中引入了模糊控制理論，并在建立離心壓縮機性能模型過程中利用了Elman動態(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，針對離心壓縮機的喘振現(xiàn)象設(shè)計了相應(yīng)的防喘振控制系統(tǒng)，對離心壓縮機的防喘振具有較好的效果。針對天然氣管道離心壓縮機性能進行分析，實時精確預(yù)測生產(chǎn)現(xiàn)場天然氣壓縮機實際運行性能，對各種工況下的離心壓縮機性能進行準確預(yù)測，這對于天然氣管道的安全高效運行是非常必要的。3展望本文以西南管道公司天然氣管道離心壓縮機性能特性為切入點，系統(tǒng)分析了國內(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性能分