第八章：压缩机的操作与控制2

压缩机的操作与控制第一节 压缩机的作用崖城13-1平台安有两台干气压缩机和两台湿气压缩机是由燃气透平机(Solar)驱动的离心式 压缩机(Dresser Rand Compressor),干气压缩机的目的是向香港海底管线压送合格的天然气.从两 条生产线的低温分离器出来的合格干气汇合在一起作为干气压缩机的进口. 干气经过压缩和冷却 后被送往香港海底管线.干气压缩机可以保证平台端的香港管线输出压力在1850到2100PSI (实 际工作能力与压缩比有关)之间. 这样可以保证香港终端的气入口压力能满足客户的要求, 而且也 能在香港海底管线里储存一定量的天然气, 即使平台停产, 也不会影响香港用户的用气, 这样一 来, 给平台生产一定的可支配空间. 而湿气压缩机的目的则是在气田压力下降的今天，降低生产分 离器的压力，保证井的流动性；同时将下游生产系统的压力保持在1250Psig以上。对于干气压缩机，由于两台压缩机共用进口和出口, 所以正常生产时, 只需要一台压缩机(设 计压缩量是 353MM), 另一台可以作为 100%的备用. 如果两台压缩机都不能使用, 向香港的输气 将会中止，向海南的输气不会受影响.如果两台压缩机都有关停警报，FPS将会PSD平台。对 于湿气压缩机来说，两台压缩机也是共用进口和出口，但也可以通过一条管线将两台压缩机串联 起来( 2701 为第一级)。第二节 压缩机的控制在介绍压缩机的操作之前， 我们先来看看压缩机是如何控制的， 这样有助于我们更深的理解 压缩机的操作.首先我们介绍几个非常重要的概念:1. 喘震(Surge).喘震是所有离心式压缩机都要面临的问题，这是由离心式压缩机的工作特 性来决定的. 离心式压缩机是通过转动部件来加速气体 ， 并在静止部件使气体的速度转 化为压力从而达到压缩机增压的目的 . 当压缩机的压缩比增大时， 如果压缩机的流量减 少， 就很容易发生气体流动不稳定， 甚至完全回流的现象， 这就是我们所说的喘震. 喘震 对压缩机能产生很大的破坏， 我们的防喘震控制的目的就是为了让我们的压缩机在远离 喘震点工作， 避免喘震发生.2. 喘震极限(Surge Margin).不同运行状态下的压缩机需要不同的最小流量以防止喘震.压 缩比越大， 所需要的最小流量就大. 比如在入口压力都是 1015Psi 时， 压缩机出口压力为 1800Psi所需要的最小流量是200MM,但当出口压力上升到2000Psi时，所需要的最小流 量为 230MM. 为了避免发生喘震， 我们必须保证压缩机的气体流量大于它所需要的最小 流量， 我们用喘震极限来表示:喘震极限=(实际流量-最小流量)/最小流量*100%3. 压缩机设定负载 (Load set). 压缩机的设定负载表示的是在某一个压缩比下有多少天然 气需要被压缩(压缩机流量和压缩比的变化都会造成负载的改变)。 它是压缩机进口压 力控制器的(Pressure Controller) 个4到20mA的输出.是压缩机和RS3(PCS)之间关于控 制的唯一的联系.由于两台压缩机共用一个进口， 所以两台压缩机共用一个 Load Set. 如 果增加系统流量，压缩机的入口压力在一定时间内不断上涨， 那么压力控制器的输出也会 增大， RS3 就会控制压缩机加速， 让压缩机压缩更多的气体.。同样，在系统流量不发生变 化时，改变进口压力设定点也会使Load Set发生变化。(下面会详细说明)4. NGP(Gas Producer) 和 NPT(Power Turbine). 这是 Solar 透平机的两个轴的速度表示. 和 发电机的透平机不同，Solar是两条轴的.NGP指的是透平机压缩空气端的速度(也就是压 缩， 燃烧和压气机透平端). NPT 指的是动力透平一端的速度(也就是驱动压缩机一端的). 所以正常的时候,NGP会比NPT大.5. NGP设定点(Remote NGP).当压缩机在自动(Remote)运行状态时，压缩机防喘震控制根 据压缩机的设定负载(Load set)和防喘震控制的需要(Surge Margin)通过计算得出的一个 NGP设定点.压缩机会相应调节燃料气的大小，加速或减速使NGP达到Remote NGP的 要求.关于Remote NGP会在后面作更详细的说明.6. 回流阀(Recycle Valve)和喘震阀(Surge Valve).回流阀是用来控制压缩机的流量，同时保证 压缩机在喘震极限外运行. 当 Loadset 等于或小于 10.4mA， 也就是说当进口压力控制器 输出小于 40%时， 回流阀就会参与控制， 通过控制通过压缩机的流量来满足喘震极限的 要求.在流程上，喘震阀是和回流阀平行的， 但它开关的动作比回流阀快. 只有当喘震极限 降低到一定值时(10%)， 喘震阀就会动作来保证压缩机足够的流量以避免真正的喘震发生. 正常生产时， 我们应尽量避免喘震阀动作的情况出现 ， 因为喘震阀的开闭对系统压力的 影响很大， 很有可能造成设备的损坏和生产的关停.7. 透平机的几种控制模式. 压缩机在启动， 正常运转和停机时有可能有几种控制模式控制 其运行. 现简单介绍如下: T5模式.T5是一个温度计算值，来自透平机燃烧室内16对热电偶的平均值.当T5达 到一定值时(1360F),透平机就会自动进入T5控制，燃料阀就会限制更多的燃料供应 以保护透平机.这时即使NGP设定点高于实际NGP,透平机也不会加速.只有当T5 下降， 可以提供更多的燃料后， NGP 才会上升. 在透平机启动和负载过大时， 都有可 能出现 T5 模式. T1模式.T1是透平机空气进口的温度，也可以理解成环境大气的温度.T1控制模式是 最大燃料控制， T1 越高， 燃料阀的最大开度就越大. 在特定的环境下， T1 变化不大， 所以燃料阀的最大开度都是预先设定好的 . 在透平机启动加速和运行状态下的瞬时 改变时都有可能发生 T1 控制. 最小燃料控制(Mini Fuel).根据NGP和火焰熄灭的特性，最小燃料控制可以限制燃料 阀的最大关度， 以防止火焰熄灭. 主要发生在停机时. NGP 控制. NGP 是透平机速度， 是透平机正常运行时的最常见的控制模式. 透平机 根据NGP设定点(Remote NGP Set point)来调节燃料阀的开度，从而改变透平机的速 度.NGP有最高限定，是103.6%. NPT控制.NPT是动力透平端的速度表示.正常运行时,NPT总会比NGP低 当透平 机突然卸载，比如压缩机喘震时,NPT可能比NGP还高，这时，透平机就会进入NPT 控制以限制其速度.NPT的最大设定点是100%.在了解了上面几个经常接触的概念后， 我们再来看看压缩机的具体控制逻辑. 应该说，压缩机 的控制主要包括两个部分， 即透平机的控制和压缩机的控制.透平机的控制主要是透平机的启动和 关停控制， 运行模式对燃料阀的控制. 压缩机的控制包括压缩机的流量控制和防喘震控制. 启动 和关停控制将会在压缩机的操作里介绍， 运行模式对燃料阀的控制在上面已经简单的介绍过. 我 们将把重点放在压缩机的流量控制和防喘震控制上.压缩机的流量和防喘震控制是互相联系在一起的. 具体来说有几个 PID 控制器在起作用. 在 压缩机的防喘震控制中(Petrotech)有三个PID控制器.1. 通过调节NGP设定点,Petrotech可以控制20%的喘震极限.2. 通过控制回流阀的开度， 也就是控制流过压缩机的流量来防止喘震， 以提供最小 15%喘 震极限.3. 通过控制防喘震阀的开度， 也就是控制流过压缩机的流量来防止喘震， 以提供最小 10% 的喘震极限.在RS系统中，还存在一个PID控制器，就是前面所说的压缩机进口压力控制器，它的输出信号通过变换后就成为压缩机的设定负载(Load set).同时还有两个PID控制器，分别在回流阀和防喘震阀的位置调节器上(Positioner).防 喘震控制器输出阀的位置信号作为智能的位置调节器设定点,通过一个 PID 控制器来调节阀 的开度以满足设定点的需要.同时通过一个磁力位置探测器来反馈阀的实际开度.下图是压缩机流量和防喘震控制的组件结构图:打SUCTION VALVESUCTION VALVELOAD VALVEVENT VALVESUCTION SCRUBBERSTATION SUCTIONRCLAY DRIVERS AVAILABLE fOR CUSTOMER USC RELAYS A NOT PROVIDED BY petrotechRELAY DRIVERS available 5 CUSTOMER USE. RELAYS NOT PROVIDED BY petrotecht f 1I?(E)/iTX1r QsiJ1STOUT 1 140PlT1P2 SWJOUT Alanti-$urgSW2OUT B2controllerLOADSETPOWERk!our di out aOUT Bl 2fault RECYCLESURGE EXCESSIVESlGE SHUTDQVNN-LINE PURGEDISCHARGEVALVE/-FV3606/dSUCTIONSCRUBBEROUT 1 比PIT1陀SV1OUT A!ANTl-SURGtSV2OUT S2controllerLOADSETKSPOWERout m out ciOUTBl 2VENTVALVEDN-LIK PURGEFAULTRECYCLESURGE ExcessiveSURGE SHUTDOWN4-20nc TO SOLAR PLCdischargeVALVE面是压缩机流量和防喘震控制图:PIC1outputcsmQMEA!9029|UValveCloseRampVLVCMA920RTCSMRTC SET .PIC3WMEAS-jyJFROM PCS_LOADSETPIC -351710MIN. SURGEMARGIN xSETPOINTA/M370372ANTI-SURGE VALVE I/P 1900 (OUT A)PIC3 OUT AMSIFLGTIME SHUT C1R892919031-943SRA OUTHS1SPLIT RANGEREVERSERR/LOAD41HISELECTCLSC19SURGE MARGINX16/10)%OUTPUT ROUTINEpic -8RAM541946RECYCLE VALVE I/P1901 (OUT B)9441 REMOTE GOV pSETPOINT1902(OUT C)532TIMERAMP3REGISTERS丨 946 ICALCULATED REGISTERSLOSHMEASNOTE:1, CLSB=100 / MAX SURGE MARGIN=22. CLSC = ( MIN. SURGE MARGIN SETPOINT / MAX SURGE MARGIN)*16)+ 4 = 10.4MA3. MIN SURGE MARGIN SETPOINT = 20%4. MAX SURGE MARGIN SETPOINT = 50%上面的控制逻辑可以简单的理解为: 来自 PCS 的压缩机进口压力控制器的输出信号(百分比, 也就是RS上看到的SS信号)被调制成4到20mA的电流信号作为压缩机的设定负载(Load set).而 设定的最小喘震极限也被调制成电流信号(CLSC),设定的最小喘震极限是20% ,可以用10.4mA 来表示.两路电流信号通过一个高选择电路，大电流信号就成了 PIC8的设定值(Set), PIC8是一个 PID控制器，通过调节压缩机的NGP设定点来改变负载以让它最大限度的达到20%的最小喘震极 限的负载要求. 根据控制逻辑, 有下面几种情况:1.当压缩机负载(Load set)小于最小喘震极限，也就是Load set小于10.4mA时，10.4mA就 是PIC8的设定端.而Load set就会参与压缩机回流阀的控制，表明生产系统不能提供足 够的气体， 流过压缩机的流量不能满足最小喘震极限的需要 ， 必须通过调节回流阀的开 度来增大压缩机的流量 . 这就是为什么当干气压缩机进口压力控制器输出小于 40%时， 回流阀就开始打开. 在这种情况下， 一方面防喘震控制器通过调节回流阀， 增大压缩机的 流量来保证压缩机的进口压力的稳定，另一方面，防喘震控制器还可以通过调整NGP的 设定点来满足最小喘震极限.。在实际操作中我们可以这样说，当上游系统流量低于压缩机（在当前压缩比下）的最小 喘震极限气量时，通过回流阀将通过压缩机的气量保持在最小喘震极限气量上（一直在 20%左右上下波动）。在这种情况下，回流阀只控制通过压缩机的流量;NGP的作用是在 当前压缩比下，刚好能压出满足最小喘震极限的气量，及我们说的控制进口压力。当我 们调节系统流量时，回流阀的开度发生变化，调整回流量， NGP 不变（压缩比不变）， Load Set随流量（负载）变化。当我们调节压缩机进口压力设定点时，（系统流量和出口 压力不发生变化），则NGP/Load set和压缩比变化成正比。2.当压缩机负载（Load set）大于最小喘震极限，也就是Load set大于10.4mA时,Load Set就 是PIC8的设定端.回流阀会完全关闭，通过调节压缩机的NGP来满足进口压力设定的 要求. 这就是为什么当进口压力控制器输出大于40%, 回流阀会完全关闭。在实际操作中我们可以这样说，当上游的气流量已经大于最小喘震极限所需气量的要求 了时，压缩机的控制就只考虑进口压力。在这种情况下，回流阀会完全关闭,NGP控制 进口压力。在这种情况下，我们会进行调节系统流量和进口压力设定点的工作，对压缩机的影响如 下：当我们调节系统流量时，压缩机进口压力发生变化，NGP根据负载调节，控制进口压力 稳定。（压缩比不变，Load Set随流量变化） 当进口压力设定点和系统流量不变时，出口压力的变化会造成压缩机的压缩比和最小喘 震极限所需的气量发生变化。这时，10.4mA所代表的负载发生变化，那么实际负载相应 的电流信号也发生变化。如果出口压力上升，压缩比加大，最小喘震极限所需的负载加 大，10.4mA所代表的负载加大，实际负载虽然随着压缩比的加大也在增加，但与10.4mA 所代表的负载变化相比较小，则实际负载相应的电流信号降低，Load Set降低。当出口压力不变，我们调节进口压力设定点时，压缩机的压缩比和最小喘震极限所需的 气量发生变化，10.4mA所代表的气量发生变化。1）：上升压力设定点（系统实际气量无变化）压缩机的压缩比降低，需做的功下降，NGP降低以控制进口压力；随着进口压力的上升， 压缩机压缩比的下降，最小喘震极限所需的负载和实际负载都会下降;在此情况下，最 小喘震极限所需的负载和实际负载进行比较，Load set视差值变化。2）：上升压力设定点（系统实际气量降低）压缩机的压缩比降低，需做的功下降，NGP降低以控制进口压力；随着进口压力的上升， 压缩机压缩比的下降，最小喘震极限所需的负载和实际负载都会下降，在此情况下，系 统实际负载和最小喘震极限所需的负载进行对比，差值加大，Load set上升，差值减小， Load Set 下降。3）；上升压力设定点（系统实际气量增加）压缩机的压缩比降低，但需做的功受系统气量增加的影响，不一定降低，NGP随压缩机 需做的功发生变化。随着进口压力的上升，压缩机压缩比的下降，最小喘震极限所需的 负载会下降，实际负载视流量增加情况决定。在此情况下系统实际负载和最小喘震极限 所需的负载进行对比，差值加大，Load set上升，差值减小，Load Set下降。4）：降低压力设定点（系统实际气量无变化）压缩机的压缩比增加，需做的功加大，NGP增加以控制进口压力。随着进口压力的下降， 压缩机压缩比的增加，最小喘震极限所需的负载和实际负载都会上升，最小喘震极限所 需的负载和实际负载进行比较，Load set视差值变化。5）：降低压力设定点（系统实际气量降低）压缩机的压缩比增加，但需做的功受系统气量降低的影响，不一定降低，NGP随需做的 功发生变化。随着进口压力的下降，压缩机压缩比的增加，最小喘震极限所需的负载会 上升，实际负载视气量变化，Load set视差值变化。6）：降低压力设定点（系统实际气量增加），压缩机的压缩比增加，流量也增加，压缩机 所需做的功增加， NGP 加大。随着进口压力的下降，压缩机压缩比的增加，最小喘震极 限所需的负载和实际负载都会上升，在此情况下，系统实际负载和最小喘震极限所需的 负载进行对比，差值加大， Load set 上升，差值减小， Load Set 下降。以上介绍了在Load set大于104mA时,流量和压力设定点的变化对NGP和Load Set的 影响。可以看出Load Set的数据大小并不代表压缩机所需做功的大小，（NGP/PCD才 代表压缩机的做功情况）。由于最小喘震极限是指在某一个压缩比下压缩机所需的最低 负载，那么Load Set越大，同样意味着系统的实际负载和最小喘震极限所需的负载的差 值越大。3.如果发生流量突然减少的情况，压缩机的喘震极限降低到20%时，回流阀在PIC3的控制 下会打开以补充损失的流量.如果压缩机的喘震极限降低到10%时，防喘震阀在PIC1的 控制下快速打开防止真正的喘震发生.在正常生产情况下， 我们应该尽量避免这种情况的 发生. 防喘震阀是一种快速反应阀， 它的动作会对生产产生很大的影响， 很可能影响气体 的质量， 甚至可能引起关停.了解了压缩机的控制后， 我们来对压缩机的几种常见运行状态进行分析 . 首先我们必须 明白压缩机流量和压缩机进出口压差比以及压缩机速度的关系. 流过压缩机的流量起决于压 缩机的速度和它的压差比， 压差大， 流量就小. 速度高， 流量就大. 在压差不变的情况下， 最 大流量发生在最大速度下 . 在速度不变的情况下 ， 随着压差增大， 压缩机的流量减小甚至有 可能达到最小流量的限制（压缩机的总功不变 . 所以， 在压差大的情况下， 最小流量的限制 较大，压缩机只能运转在一个很高的速度下以避免喘振的发生.。这就意味着压缩机的速度控 制范围随着压差的增大而减小. 在低压差下， 压缩机的速度可以在90 . 1 % 到103.6%之间变动， 在高压差下， 压缩机的速度可能只能在100%到103.6%之间变动， 在出口压力很高时， 压缩机 就只能运行在 103.6%的最大速度下.一般来说， 压缩机主要有两种运行状态.1. 调节透平机的速度来控制压缩机进口压力和喘震极限.由上面的介绍我们知道，在RS3系统中的压缩机进口压力控制器给压缩机一个设定负载 （Load set）的信号，也就是告诉压缩机有多少气体需要被压缩才能保证进口压力的稳定如果 生产的流量大于或等于120%的压缩机最小流量， 也就是说设定负载大于压缩机喘震极限的设 定值（20%）， 在这种情况下， 压缩机的回流阀会完全关闭。如果生产上继续增大流量，引起压缩机进口压力升高，那么设定负载（Load set）就随着升高， 防喘震控制器就会提高透平机的速度（Remote NGP Set point）来压缩更多的气体以保证进口压 力的稳定. 随着生产流量的继续上升， 透平机最后会达到最大限定速度（103.6%）. 此时压缩机 已经没有能力控制进口压力， 进口压力会高于设定值， 操作员应该密切注意这种情况， 尽量控 制流量保证进口压力的稳定.在这种情况下，由于压缩机的进口压力会大于设定值，RS3的进 口压力控制器的输出就会一直升高直到100%, Load set会达到最大的20mA。 压缩机能在这种状态下（最大功率）很稳定的运行一断时间， 但是随着压缩机出口压力的升高 （生产的流量大于香港消耗的流量）， 系统会发生变化. 此时压缩机所需要的最小流量随着出口 压力的升高而增大， 从而实际流量与最小流量的比值变小， 从原来的大于 20%慢慢降到 20%. 随着出口压力的继续升高， 喘震极限会继续降低， 如果低于 20%， 回流阀就会打开参与控制， 但是压缩机已经无法加载，则进口压力上升，压缩比下降，喘震极限又会回到20%。（进口压 力无法控制）。这时回流阀一会开，一会关，系统十分不稳定。只要操作员在喘震极限降到 20%之前采取减产的措施, 完全可以避免上述情况的发生. 应该 强调的是, 此刻流量的减少应该是缓慢的, 如果流量减少过快, 同样能引起上面所说的情况发 生. 只有当出口压力降下来了, 压缩机的速度不是最大了, 或者回流阀慢慢打开了, 压缩机才 能通过控制来保证喘震极限的稳定.2. 利用回流阀来控制压缩机的进口压力, 利用透平机的速度来控制喘震极限.还有一种经常出现的运行状态 , 有可能是最常见的运行状态, 这时候压缩机的回流阀不 会完全关闭.上面我们已经知道，只有当Loadset的信号小于10.4MA时（也就是压缩机进口压 力控制器的输出小于 40%时）, 或者压缩机的喘震极限达到 15%时, 回流阀才会打开. 后一种 情况在上面已经描述， 这里我们来看看前一种情况出现时的压缩机运行状态.如果生产的流量小于压缩机所需要的最小流量的 120%， 压缩机会打开回流阀来补充流 量以保证流过压缩机的流量满足其所需要的最小流量的120%. 同时打开回流阀还能保证压缩 机进口压力的稳定. 事实上， 回流阀的开度是由压缩机进口压力控制器的输出来决定的 ， 0% 到40%的控制器输出对应回流阀的20MA到4MA的控制信号.我们可以简单的理解为，当进 口压力低于设定值时， 控制器的输出会减小， 回流阀会开大，进口压力就会恢复， 如果进口压 力升高大于设定值， 控制器的输出增加， 回流阀会关小， 进口压力会下降. 在回流阀开关， 控 制进口压力的过程中， 压缩机的喘震极限会在 18%到 21%之间变动， 这时防喘震控制器会调 节透平机的速度尽量使喘震极限在最小设定点附近摆动. 也就是说， 当喘震极限小于 20%时， 透平机会加速， 当大于 20%时， 透平机就会降速. 所以说速度也在一个动态范围内变动.由于回流阀是打开的， 有一部分流过压缩机的流量会回流到压缩机的入口 ， 所以压缩机 在这种运行状态下是不经济的， 效率低的， 但它却是最安全的. 即使压缩机的流量突然变少， 在一定范围内， 压缩机还有足够的调节空间（回流阀的开度和透平机的速度）来保证不会出现 真正的喘震.第三节 压缩机操作经验总结1： ON Load时初始NGP的设定：（干气90.1,湿气93.5）我们知道当压缩机刚刚到On Load时，有时压缩机的回流阀和防喘振阀已完成了切换，流量 能够被压到下游,有时却不行。下面介绍一下原因。压缩机 On Load 时初始 NGP 的设定是由厂家根据用户的使用工况和设备的性能所设定，当 压缩机在初始 NGP 的情况下能把在当前压缩比下大于/等于压缩机最小流量 120%的气体压 出去时，压缩机的回流阀打开，防喘振阀关闭，压缩机进入正常操作状态。如果压缩机在初始NGP的情况下不能把在当前压缩比下等于压缩机最小流量120%的气体压 出去，则防喘振阀不能完全关闭，需手动增加NGP。2：两台压缩机并联下的操作：1）：对于干气压缩机而言，由于两台机都能在自动状态下运行，操作较简单。2）：对于湿气压缩机来说，在低流量，低压缩比的情况下，由于它的初始 NGP 较高，在自 动模式下，一台压缩机总是很轻易的将全部流量压出去，容易造成另一台机因流量低而卸载。 所以一般我们将其中一台压缩机设置在手动模式。现在两台压缩机的工况特征是高压缩比，是可以将两台都放到自动模式的，但由于 2701 的 Guide Vane有问题，所以其一直在手动。而且在实际操作中，一般将2701的NGP加大，使 回流阀关死，保证其控制稳定。