电驱往复天然气压缩机加载过程电机过载浅析

冯金强，曹 磊，张建梁

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

1 引言

往复式天然气压缩机作为海上油气田开发项目的关键设备之一，应用十分广泛，主要包括燃料气增压、伴生气增压外输、注气增压等方面[1]。与燃驱相比，电驱设备总占地面积小，后期维护工作方便，设备操作简单，生产环保性能更好[2]，电机驱动往复式天然气压缩机在海洋平台得到了广泛应用。

通过对电驱往复压缩机加载升压过程进行分析，以操作参数与设计参数存在较大偏离的数据为切入点，对电驱往复式伴生气增压外输压缩机调试过程中遇到的电机电流过载问题进行研究并提出解决措施，同时对电机的选型功率提出建议。

2 问题的提出

2.1 机组简介

压缩机通过膜片式联轴器由中压异步电动机进行直连驱动，电机采用软启动方式。压缩机为卧式水平对置四缸双作用压缩机，各缸配有可变余隙(VVCP)调节装置。工艺系统采用三级压缩，每级入口设置洗涤罐，出口设置管壳式海水冷却器。机组采用冷回流方式进行流量调节，三级出口天然气经冷却后通过回流调节阀联通至一级入口，自动加载阶段通过PLC程序控制回流调节阀开度，在压缩机上游来气量不足或压力波动的情况下对压缩机入口压力进行自动调节。机组加载升压过程中通过控制盘触摸屏手动控制回流阀开度，逐渐关闭回流调节阀来逐步提高出口压力。

2.2 故障现象

调试期间处于平台投产初期，压缩机入口来自分离器的伴生天然气来气量不稳定，压力存在波动。压缩机组在加载升压过程中手动关闭回流调节阀的过程较为缓慢，回流阀每关1%～3%开度需保持几分钟，以维持入口压力。随着回流调节阀阶段性逐渐缓慢关闭，在三级出口压力不断升高至接近操作压力时易发主电机电流过载停机。若升压过程中未触发过电机电流过载保护，达到操作压力并开始向管网外输气体后，运行电流逐渐减小并趋于稳定，运行电流小于额定电流值。机组故障停机时刻操作数据见表1。

图1 机组流程简图

表1 压缩机设计参数与故障停机时刻操作数据

3 主要影响因素分析

电机电流过载现象的本质是电机轴功率与压缩机耗功不匹配，压缩机耗功大于电机输出功率所致，在加载升压过程于接近操作压力时易发电流过载停机，正常运行后无此现象，说明是在回流调节缓慢阀关闭的过程中某些因素影响使压缩机耗功增加且超过电流综保设定值，进而导致电机过载停机。

在以往电驱往复式天然气压缩机调试中也出现加载过程中电机电流上升，正常外输后电流下降的现象，只是电流变化量未超过电机综保设定值未引起电机过载停机。因此对加载升压操作过程进行分析十分必要，同时对机组操作参数与设计参数存在较大偏差的进气温度、各级压力进行分析，根据分析结果给出问题解决的综合措施。

3.1 加载升压过程分析

机组加载升压过程即回流阀关闭过程，随着回流阀逐渐关闭，压缩机三级出口压力逐渐升高，在回流阀关闭至一定开度(一般在70%～80%)后，三级出口达到机组操作压力，出口单向阀由于压差被打开气体开始向下游管网外输，此时再减小回流阀开度，机组的外输气量将增加。

由于气量原因，回流调节阀每关1%～3%需等待几分钟，用以维持上游压力，由启动到三级出口达到操作压力时间长，此阶段回流阀开度大于70%～80%，这导致大量气体在橇内长时间回流。回流气体中的重组分在经过橇内三级压缩、冷却、洗涤罐脱液的过程中逐渐减少[3]。高压气体流经回流调节阀的过程是节流降温脱烃的过程，节流脱烃经一级洗涤罐洗涤后气体的重组分也会减少[4]。

在加载的初始阶段，因进排气压力较小，气体经加压冷却洗涤后重组分析出较少，回流调节阀上下游压差小节流作用亦不突出。随着三级出口压力接近操作压力，加压、冷却、洗涤后重组分脱液效果会加剧，同时回流阀两端压差增大，节流降温程度加剧，经回流阀脱烃亦加剧。

回流和节流这2个过程导致混合气体中轻组分相对增多，轻组分增多会导致混合气体分子量M减小，由R=R0/M可知气体常数R增大。

其中，R0为通用气体常数，对不同类型气体都适用。同时，由常见单体烃的物性参数可知，而轻组分绝热指数K较重组分绝热指数大[5]，使得长时间回流后的混合气体绝热指数k增大，多变压缩过程m值亦增大。多变压缩过程比压缩功，可以式(1)进行计算。通过分析式(1)可知，m值越大比压缩功越大，R越大，比压缩功越大。

(1)

式中hp——多变过程比压缩功

m——多变指数

R——气体常数

Tin——进气温度，ε为压缩比

接近三级出口操作压力时，回流阀开度在75%左右，回流量较大，机组尚未外输，来气补充量少，这使得混合气体中轻组分占比高，轻组分占比达到峰值，组分影响的比功率增加亦达到峰值。随着回流阀逐渐关闭回流量减小，橇外来气进入压缩机时，轻组分占比逐渐下降，因组分变轻影响的比功率变化也开始减小。

3.2 进气温度影响

加载升压过程中，回流调节阀上下游压差逐渐增大，回流调节阀因节流产生的冷效应较为突出，回流阀外部有结霜严重。故障停机前，使用红外测温仪对节流回流调节阀外部测温，测量温度约为0 ℃，外部天然气来气温度15 ℃(温度表测)，混合后进气温度约为5 ℃(温度表测)。与入口设计温度45 ℃有较大偏差。

压缩机一级吸气温度的降低，引起气体密度增大，压缩机处理量增大[6]。对同一压缩机，若原吸气温度为25 ℃，每降低1 ℃，排气量增加0.336%[7]。机组处理量增加，导致耗功增加。同时，由式(1)可知进气温度降低引起比压缩功减小。

综合考虑进气温度降低导致处理量增加和单位气量耗功减小，在不考虑因回流等因素导致组分变化，经压缩机选型软件计算由温度降低引起压缩机综合耗功变化如表2，较设计工况压缩机耗功增加31 kW，若考虑上气体组分变轻导致m值增大，R值增大的影响，功率增加会更多，超过电机功率是可能的。

3.3 各级压力偏离影响

由表1可知，一级排气压力、二级排气压力较设计参数增大。这是因为一级处理量因吸气温度降低而增大，而二级、三级进气温度和气缸容积不变，处理量相对不变，一级、二级、三级吞吐气量不平衡所导致。一二级排气压力较设计数据增大，一级入口压力三级出口压力不变，使各级压比产生变化，偏离设计的最佳压比，压缩机耗功增大。

4 技术措施及应用效果

通过分析几类影响因素后，考虑现场条件的可操作性，提出以下解决措施。

4.1 提高加载速度

通过压缩机上游流程调整，适当增加来气量，使加载速度增快，橇外来气能及时进入压缩机，减小循环回流过程引起气体组分变化产生的影响。

表2 处理量及功率随温度变化

4.2 适当调整进气温度

因外部流程原因，来气温度无法调整到设计参数。橇内通过提高回流温度即提升三级冷却后温度缓解节流产生的冷效应，使回流阀处温度上升。减小因温度降低引起机组处理量的变化，同时也降低节流过程中重烃的析出，有助于缓解因节流产生的组分变化。

4.3 调整各级压比

现场实际进气温度较设计值低，机组处理量增大，级间压力与设计相比存在较大差别。通过选型软件计算，调整各级余隙，使在实际来气温度下机组处理量保持在设计值，各级操作压力向最佳压比靠近。但应注意因压力重新分配引起各级排气温度的变化，使其控制在合理范围内。

通过上述处理措施，机组在加载升压过程和正常运行中未发生因电流过载产生的停机现象，机组运行良好，说明采取的技术措施是可行的。同时应指出的是，通过调整可变余隙的设置、气缸单双作用等方法，调节机组处理量，免大量气体长期回流，造成电能浪费。

5 结语

天然气压缩机耗功受操作条件、气体组分等多方面因素影响。其中加载升压期间回流、节流过程引起的组分、温度变化对电机的功耗影响应加以重视。同时，电机选型功率应按最大工况(包括启动、变工况、和极限载荷情况)操作功率的110%确定选型功率[8]，压缩机最大工况应将启动过程组分和温度的变化加以考虑，同时将电机与压缩机机械传动效率一并计算在内，以提高机组对现场工况的适应性。