离心压缩机启动过程的动态分析
摘 要：文章根据不同的工艺流程,从机组的工艺总成设计角度将炼化装置中常见的离心压缩机启动过程分为3类:1)在相对恒定的入口压力下启动;2)在相对恒定的出口背压下启动;3)在滞止压力下启动。通过搭建动态分析的数值模型,并结合调速启动和工频电机直接启动两种不同的启动方式,对典型的启动过程进行了分析和讨论,总结出离心压缩机启动过程的问题和设计要点,可为优化工艺设计和压缩机组选型提供参考。
关键词：离心压缩机 启动过程 动态分析
炼油化工行业中,离心压缩机的设计主要包括设备本体设计、机组总成设计、工艺总成设计等。其中,压缩机的工艺总成设计涉及到转动设备与工艺流程的结合,由工程设计单位和设备制造厂共同完成,需要充分考虑管网特性和流动部件的匹配,并且需考虑各种稳态和动态工况,包括机组的启动、停机、调速和紧急状态等。如何确保大型离心压缩机能够成功启动一直是机泵工程设计的难点之一,也是装置投用的重要节点。
近年来,已经可以通过严格的数学模型进行压缩机动态分析和模拟,在不增加建设和试验成本的基础上,对非稳态性能进行评估,解决以往靠经验无法解决的问题,使设备与工艺系统之间的关联更加紧密。本文对炼油化工装置中典型的离心压缩机启动问题进行了分析讨论。
1 离心压缩机常规启动过程
压缩机的启动是通过平衡压缩机出口与下游管道压力来实现的。随着压缩机逐渐加速到设计转速,流量和压力逐渐增加,防喘振阀逐渐关闭,直到压缩机出口压力等于系统背压、压缩机达到全速全压后,整个启机过程结束。某典型汽轮机驱动离心压缩机的启机过程如下:
1) 将防喘振阀开到某固定开度;
2) 缓慢开启汽轮机气阀,低速暖机;
3) 沿着升速曲线缓慢提高转速;
4) 压缩机在越过临界转速的过程中,升速速率会非常快,约3 000 (r/min)/min;
5) 越过临界转速后,继续沿升速曲线提速到调速的下限转速,升速速率约800 (r/min)/min;
6) 逐步调整防喘振阀,自动升速至设计工况点。
以上过程从头至尾都需要保证压缩机操作在运行区间内不发生喘振和堵转,尤其是步骤4)～步骤6)。图1是模拟的压缩机启动过程轨迹。
图1 压缩机启动过程轨迹
如图1所示,当系统阻力不变、压缩机启动升速时,操作点将沿着系统阻力曲线运动(比如从B点升速运行到A点)。系统阻力曲线即为压缩机的升速轨迹曲线,主要由系统管网和防喘振阀特性共同决定。
当然,以上只是理想情况,实际过程会更复杂,比如设想的启动过程是系统管网压力随压缩机转速和出口压力同步缓慢上升,但因为实际的升速过程并不是均匀的,期间需要快速通过临界转速区域,升速速率会有变化,这就导致系统阻力曲线并不光滑,中间会有弯折。
综上可知,压缩机的启动过程是系统管网、防喘振阀开度、机组升速逻辑、机组性能特性等共同作用的结果。
2 不同启动工况的讨论
启动过程中,随着压缩机转速的提高,压缩机前后建立了一定的差压,压缩机和防喘振阀将整个管线系统划分为高压区域和低压区域(如图2所示)。假设低压区域的入口管线系统容量为V1,高压区域的出口管线系统容量为V2。转速升高后,前后差压会增加,但这部分差压是如何分配到压缩机入口和出口的?是入口压力下降的多一点?还是出口压力提高的多一点?下面以图1所示的启动过程中相邻两点A、B为例进行说明。从B点运行到A点,低压区域压力从P1B降低到P1A,高压区域压力从P2B升高到P2A,根据质量守恒原理,忽略出口温度的影响(一般出口冷却器靠近压缩机安装),则以下等式成立。
P1B·V1+P2B·V2=P1A·V1+P2A·V2
(1)
图2 典型的离心压缩机气路流程
即
(2)
式中:P1A、P2A——分别为A点处入口压力和出口压力;
P1B、P2B——分别为B点处入口压力和出口压力;
V1、V2——分别为入口和出口管线系统容量。
根据式(1)可以发现,压缩机入口压力下降和出口压力上升的速度与压缩机前后管线系统容量成反比,这一规律同样也适用于往复式、螺杆式等其他型式压缩机的启动和变工况过程。所以,炼化装置不同的应用场合的启动过程中,压缩机前后压力变化是完全不同的。鉴于此,本文对几种启动工况进行了归纳总结。
启动工况1:在相对恒定的入口压力条件下启动。即认为入口管网容量无穷大,出口管网容量有限,且启机前将压缩机入口压力平衡到入口管网压力。此时压缩机在设计的入口压力下启动,压缩机产生的差压都给到出口管网,压缩机入口质量流量和转矩都是连续上升的。这种工况在炼化企业中出现得最多,比如催化主风机、富气压缩机、重整氢增压机、加氢循环氢压缩机(加氢装置停机后一般都需要泄放,防止飞温)等的启动过程。
启动工况2:在相对恒定的出口背压条件下启动。即认为入口管网容量有限,出口管网容量无穷大,且启机前将压缩机入口压力平衡到出口管网压力。这种启动工况主要针对制冷系统,比如丙烯制冷压缩机,如启机前不泄放,制冷系统出口压力受到冷凝器饱和蒸汽压的限制,则压缩机产生的差压都将用于降低入口压力。
启动工况3:在相对滞止压力条件下再启动。即压缩机前、后的管网容量都是有限的。该滞止压力一般应不低于按设计点进、出口压力平衡后的压力,否则启动后将无法达到设计点。启动过程中压缩机入口压力下降,出口压力上升,当出口压力达到下游背压时,出口单向阀自动打开并入下游,出口压力不再增加,此时可以认为切换到了启动工况2。由式(2)可知,启动过程中压力下降和上升的速率取决于高、低压区域的容量。如果节流阀安装位置非常靠近压缩机入口,则入口系统容量V1非常小,V2相比V1为无穷大,即压缩机出口管网容量远大于入口管网容量,这时的状态就接近于启动工况2了,这也是工程上在压缩机入口设置节流阀的目的;反之如果节流阀安装位置非常靠近压缩机出口,即压缩机入口管网容量远大于出口管网容量,那么这时的状态就接近于启动工况1了。滞止压力下启动的典型场景如乙烯装置裂解气压缩机在碱洗塔带压状态下重启、丙烷脱氢装置产品气压缩机等的再启动过程。
启动过程中,管网容量和防喘振阀开度需要较为准确地控制好,以防止压缩机建立压差过慢导致堵转超载,或压缩机压差上升过快导致喘振;另外还要核算启动转矩,防止驱动机超负荷。具体到工程设计中,对应以上特定情况,设计单位需要优化工艺流程设计,特别是控制压缩机前后的管线系统容量;制造厂需要根据管线系统核算压缩机、驱动机和防喘振阀的选型。
3 动态分析模型
结合以上对压缩机和管线系统的讨论,对压缩机启动过程建立以下数值分析模型:
1) 从0%到100%转速,在每个转速步长下进行迭代计算,直至管线系统的各部分处于各自的完全平衡状态。压力平衡公式见式(1)。
2) 考虑前后压差改变时流型变化对防喘振阀流通量的影响,根据IEC、ISA等标准,控制阀可在阻塞、非阻塞等不同的区域采用不同的计算公式。启动过程中适当调整防喘振阀开度,以尽量减小启动负荷。
3) 考虑机组的转动惯量,并结合转矩确定各转速步长条件下的升速速率。升速速率计算公式【3】见式(3)。
(3)
式中:转速为n时的升速速率;
Td(n)、Tc(n)——转速为n时驱动机和负载的转矩;
n——转速;
J——机组转动部件的转动惯量。
4) 对于快速升速过程,考虑管线系统压力响应。如图1中,转速由n1升速到相邻步长转速n2过程中,先计算从n1升速到n2所需时间和n2转速条件下的流量等参数,然后再据此计算n2转速条件下的压力。图1中B点到C点为计算的轨迹,快速启动过程的启动轨迹通常会偏离系统阻力曲线。
5) 根据压缩机性能曲线和管线阻力曲线,确定各转速步长条件下的运行点,进而确定负载端轴功率和转矩。压缩机的能头、轴功率等需要在制造厂提供的性能曲线上通过插值等方式求出。
4 案例分析
常规离心压缩机的启动过程多属于上文提到的启动工况1。该启动工况已在较多文献中有所论述【1-2】。在相对恒定的入口压力条件下启动时,需要注意的是防喘振阀开度。防喘振阀通常基于设计工况下喘振流量的2倍左右进行选型,以满足停机过程快速泄压且避免喘振的需求。启动过程的轨迹曲线一般沿图1中的系统阻力线或在其的右侧,如果防喘振阀全开,系统阻力线本身就将靠近堵转线,右侧的启动曲线很容易达到堵转区域,导致超载或堵转等问题,所以需严格控制好防喘振阀开度。本文主要分析上文提到的启动工况2 和启动工况3,并分别列举了变频启动和工频电机直启两种特定的启动方式。汽轮机驱动的启动过程与变频启动类似,都是调速启动,不再另行讨论。
4.1 离心压缩机在滞止压力下调速启动
以某丙烷脱氢装置的产品气压缩机为例,通过动态分析计算出不同转速条件下压缩机所需的转矩和功率,以判断变频器和电机的选型设计是否满足启动要求。
1) 设计工况参数见表1。
表1 某产品气压缩机设计工况参数
该压缩机为水平剖分、三段压缩的离心压缩机,每段入口均有冷却器和分离器,机组由同步电机驱动,带增速齿轮箱,采用变频方式启动。
启动过程如下:调节防喘振阀开度,通过变频器将压缩机从0转速缓慢升至最低控制转速,此后调节防喘振阀开度,继续均匀升速至设计转速(同步转速),再切换至同步电机。整个升速过程为非均匀升速,所需时间约300 s。
由于泄放会造成较大损失,因此工艺要求机组启动前不能采用放空的方式给系统降压,而压缩机入口也没有节流阀降压,所以需要在滞止压力下能够正常启动。滞止压力约为设计工况下入口压力的8.5倍。需要先分析计算出相对准确的压缩机启动功率和转矩曲线,才能进行驱动电机和变频器的选型。
2) 结果分析
根据以上要求,按照第3节建立的模型,分步计算在启动过程中0%～100%的不同转速条件下的压力、功率、转矩等参数,并绘制曲线,如图3～图5 所示。
图3 某产品气压缩机进、出口压力随时间变化曲线
图3是压缩机进、出口压力随时间变化的曲线。由图3可以发现:进、出口压力差值并不是随转速等比例升高,而是先缓慢升高;随着转速升高,压差上升的速度也加快。造成这一现象原因是压缩机在开始的低速区域效率低,能头升量小,因此差压也小。
图4是压缩机轴功率随转速变化的曲线。由图4可见,轴功率曲线会逐渐出现等转矩线之上的部分,并形成一个驼峰,驼峰的最高点出现在80%转速附近。出现这种现象的原因是,在带压启动的条件下,随着转速升高,叶轮能头逐渐升高,但是压缩机入口压力降低速度低于叶轮能头提高速度,即压缩机入口质量流量下降的速度低于叶轮能头提高的速度,导致轴功率升高,在到达某个转速时达到驼峰的最高点。此后,随着转速继续升高,叶轮的效率和做功能力大幅提高,能头的升高导致压比快速增大,使得压缩机入口压力急速下降,此时入口压力降低的速度高于叶轮能头提高的速度,总的轴功率反而开始下降。
图4 某产品气压缩机启动过程轴功率随转速变化曲线
图5是压缩机转矩随转速变化的曲线。由图5 可见,转矩曲线也会有一个驼峰,且转矩的驼峰高点比功率高点提前到达。对比等转矩线发现,带压启动过程的转矩大大提高,超过了启动终点转速条件下的转矩。
图5 某产品气压缩机启动转矩随转速变化曲线
通过对不同滞止压力条件下的启动过程进行对比可以发现,压缩机的压比和管线系统容量是对启动功率和转矩影响最大的因素。这两个因素使得带压启动的转矩和功率曲线形成了驼峰,驱动机的启动转矩和功率需要按此重新核算,或者采取入口节流等其他措施减小启动功率和转矩的峰值。
此外,通过调整启机前的防喘振阀开度,可以部分降低功率和转矩峰值,特别是大型机组带压启动过程,必须要控制防喘振阀开度,但调整阀门开度只会部分减小入口质量流量,并不会改变启动功率和转矩曲线的形状。
4.2 离心压缩机在恒定的出口背压下快速启动
该启动工况主要针对制冷压缩机的启动。以某丙烯制冷压缩机的启动为例进行说明,其设计工况参数见表2。该机组为工频电机驱动,机组选型情况和要求如下:压缩机为两段压缩,带增速齿轮箱,采用工频电机直接启动,同时压缩机入口设置节流阀,启动过程中通过节流阀控制入口节流。
表2 某丙烯制冷压缩机设计工况参数
制冷系统压缩机的启动与其他机组有以下几点不同:
1) 压缩机出口压力始终为出口冷却器的冷凝压力,出口始终维持冷凝温度对应的饱和蒸汽压力不变。
2) 压缩机在启动过程中,入口压力和温度都与设计工况偏差较大,特别是入口温度对压缩机性能影响较大,这会使得启动过程中的压缩机性能曲线失真,需要按照当前的入口温度和压力对性能曲线进行修正后,才能进一步分析出当前的运行点。
3) 快速启动条件下管线系统的压力响应需要考虑入口容量的因素。此处入口节流阀替代了防喘振阀,是主要的节流元件。在压缩机入口安装节流阀的另一个作用是尽可能降低压缩机入口的管线容量。因为电机直启的过程很快,压缩机入口流量有限,而压缩机入口缓冲罐体积过大,短时间压缩机无法带走足够多的介质使缓冲罐入口压力降下来,所以要将节流阀安装在靠近压缩机入口的管线上,以尽可能减小入口压力的响应时间。
根据以上要求和制冷系统的特点建立模型并进行分析,结果见图6和图7。
图6 某丙烯制冷压缩机启动转矩随转速变化曲线
图7 某丙烯制冷压缩机启动转速随时间变化曲线
图6为启动转矩随转速变化的曲线。从图6中不难发现,带压启动的压缩机负载转矩曲线有一个小的凸起,使得驱动转矩和负载转矩曲线在此处相交了,而在整个启动过程中,电机转矩必须始终大于负载转矩,并留有一定余量,如参照API要求,启动过程中电机转矩应不小于负载转矩的110%,从而保证压缩机在到达设计转速前有足够的加速转矩,保证启动过程中不失速。由图6可见:按常规电机的启动转矩明显不够,一般需要放大启动电流倍数或放大电机容量来提高转矩;图6 中考虑带压启动的电机转矩曲线为重新选型后的结果,显然放大后的电机能在升速区域内覆盖掉负载转矩。另外,对于工频电机直启的情况,电机在启动过程中受到供电回路和电网的限制,需要考虑启动电压压降和启动电流倍数限制,保证能够在机端电压条件下启动机组,该丙烯制冷压缩机要求供应商按照80%电压条件提供图6中的电机启动转矩曲线。
图7为启动转速随时间变化的曲线。采用工频电机直启时,电机需要在规定的启动时间内达到设计转速,以防止堵转时间过长导致线圈绕组超温。特别是对于隔爆和增安型电机,其启动时间有严格要求,若超时则会跳停。此外,冷态启动和热态启动对应的启动时间不同,通常以热态启动时间为准。图7中的启动时间经核算后,小于电机热态启动时间限值,满足要求。
5 带压启动过程影响因素讨论
通过直观经验和实例来看,压缩机在启动工况2和启动工况3条件下调速启动时,入口压力下降的速率和能头提升的速率是决定机组功率和转矩的关键。启动过程中某一点的转矩计算公式【4】见式(4)。
T=Qv·ρs·Hpol/η/n
(4)
式中:T——启动过程中某一点的转矩;
Qv——入口体积流量;
ρs——入口密度;
Hpol——压缩机能头;
η——压缩机效率。
随着转速n的提升,入口体积流量和压缩机能头是不断增大的,而入口密度是减小的,效率则是提高后保持在某个区域范围内,各参数有增有减,导致转矩随转速变化曲线可能存在驼峰。通过计算发现,影响驼峰存在的关键因素是管线系统容量和压比,且存在某个临界压比,若压缩机启动终点压比高于该临界压比,则转矩曲线将存在驼峰。临界压比的大小主要与压缩机前后的管线系统容量和滞止压力有关,转矩峰值的大小则与滞止压力、压比、系统容量、阀门开度等均有关。
6 结语
本文结合不同的启动方式,对典型的离心压缩机启动过程进行了动态分析,结果表明,动态分析能够提供有价值的信息来协助解决压缩机启动的相关问题,验证当前的管线流程设计、驱动设备和阀门等的选型是否能满足启动的要求,从而优化机组的工艺总成设计。
