1 概述
隨著天然氣在工業(yè)上應(yīng)用逐漸普及，越來越多的工業(yè)用戶開始改用天然氣作燃料。管網(wǎng)的壓力往往一定，但工業(yè)用戶的用氣壓力卻各不相同。個別工業(yè)用戶需要的用氣壓力可能會超過管網(wǎng)的供應(yīng)壓力，這就需要進(jìn)行天然氣增壓。
天然氣增壓系統(tǒng)主要在氣田、大型氣站和電力行業(yè)忙運用較多，但在工業(yè)用戶的小用氣量增壓上目前應(yīng)用較少。因此一些用戶在有管道氣供應(yīng)的情況下不得不采用液化石油氣瓶組舊0或者液化天然氣瓶組M 0供氣來保證特殊生產(chǎn)要求，增加了運行成本和安全成本。針對這類用氣情況，需要一種合適的增壓系統(tǒng)來滿足用戶需求，同時該系統(tǒng)應(yīng)具有資金投入少、運行經(jīng)濟、使用方便安全、維護(hù)簡單等特點。
2 工程實例概況
北方地區(qū)一家工業(yè)用戶，生產(chǎn)工藝過程有一道工序需要燃?xì)鈮毫?.10～0.12 MPa，用氣量為30 m3／h，但是管網(wǎng)供應(yīng)壓力范圍為0.08～0.12 MPa，大部分時間穩(wěn)定在O.10 MPa，一旦供氣壓力低于0.10 MPa，生產(chǎn)就面臨停產(chǎn)。用戶經(jīng)過討論后對增壓系統(tǒng)提出以下要求：當(dāng)管網(wǎng)供應(yīng)的天然氣壓力在0.10 MPa以上時直接使用管網(wǎng)供氣，增壓系統(tǒng)不工作；當(dāng)管網(wǎng)供應(yīng)的天然氣壓力在0.10 MPa以下時靠增壓系統(tǒng)供氣，當(dāng)一臺壓縮機長時間工作后，出口溫度高于70℃時自動切換到另外一臺壓縮機工作。
3 工程分析
用戶提出的要求，在實際中雖然能夠?qū)崿F(xiàn)，但是實施起來會面臨兩個問題：
①用戶要求的系統(tǒng)是兩臺設(shè)備交替使用，沒有備用設(shè)備，如果一臺設(shè)備出現(xiàn)故障，不能實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)供應(yīng)。
②系統(tǒng)的布置和控制要求比較繁瑣復(fù)雜，在使用的考慮上傾向于自動，增加了不可靠度。
出于投資和運行經(jīng)濟、使用方便安全、維護(hù)簡單的考慮，我們對用戶的要求進(jìn)行了修正并且對用戶顧慮的問題進(jìn)行了考慮。壓縮機長時間運轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致運行部件的溫度升高，效率降低，因此需要間歇停機以保證壓縮機有冷卻時間。因此，可以考慮使用儲氣罐進(jìn)行氣體儲存，能夠保證臨時供氣，使壓縮機具有足夠的冷卻時間。
另外，人口氣體溫度和壓縮比的增加也會使出口氣體溫度增加，同時使設(shè)備工作部件溫度升高，因此，壓縮機的壓縮比不能過高，當(dāng)環(huán)境氣溫過高時可考慮采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。這樣就解決了單機運行溫度過高的問題，從而可以采用一開一備的運行模式，即使單臺壓縮機出現(xiàn)問題，備用壓縮機可以很快地投入工作，不至于對生產(chǎn)造成影響。同時系統(tǒng)的復(fù)雜性和組成部件數(shù)量都大大降低。
4 設(shè)計總體思路
按照GB 50028--2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》要求，增壓裝置前需有緩沖裝置。壓縮機的排氣量不能超過管網(wǎng)供氣量，實際現(xiàn)場有一段長度約100 m的DN 200 mm的管道專用于該道工序，管道的額定供氣量在200 m3／h以上，遠(yuǎn)超過實際用氣量，因此該管道可視為緩沖裝置。壓縮機設(shè)備嚴(yán)禁水、塵進(jìn)入，增壓前要具有氣液分離、氣體過濾等程序，最后氣體升壓后要進(jìn)入儲氣罐緩沖儲存，由于壓縮機停機后儲氣罐上游壓力將低于儲氣罐，因此進(jìn)人儲氣罐前應(yīng)設(shè)置止回閥。儲氣罐的高壓氣體不能直接應(yīng)用于工序，需要經(jīng)過調(diào)壓裝置調(diào)壓后方能使用。由于旁通路連接上游，必然導(dǎo)致儲氣罐調(diào)壓后壓力高于旁通路的上游壓力，因此旁通路也要設(shè)置止回閥。
5 方案設(shè)計
5．1 壓縮機出口溫度的計算
壓縮機出口溫度是整個方案設(shè)計考慮的核心因素，因此首先要計算在不同壓縮比下的壓縮機出口溫度，以選擇合適的壓縮比。壓縮機出口溫度的近似計算公式為：
式中T2——壓縮機出口溫度，K
T1——壓縮機入口溫度，K
P2——壓縮機出口壓力，MPa
P1——壓縮機入口壓力，MPa
K——等熵指數(shù)，天然氣等熵指數(shù)取1.27
管網(wǎng)出現(xiàn)最不利壓力為0.08 MPa，夏天天然氣人口溫度為303 K，冬天天然氣人口溫度為273 K，計算結(jié)果見表1、2。
表1夏天壓縮機出口溫度
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入口絕對壓力/MPa
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出口絕對壓力/MPa
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壓縮比
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出口溫度/℃
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0.18
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0.20
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1.11
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36.86
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0.18
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0.30
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1.67
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64.76
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0.18
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0.40
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2.22
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86.06
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0.18
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0.50
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2.78
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103.51
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0.18
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0.60
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3.33
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118.39
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表2冬天壓縮機出口溫度
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入口絕對壓力/MPa
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出口絕對壓力/MPa
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壓縮比
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出口溫度/℃
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0.18
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0.20
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1.11
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6.18
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0.18
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0.30
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1.67
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31.32
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0.18
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0.40
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2.22
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50.51
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0.18
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0.50
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2.78
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66.23
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0.18
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0.60
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3.33
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79.64
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根據(jù)以上計算結(jié)果，夏季壓縮機壓縮比達(dá)到2.22時，壓縮機出口絕對壓力為0.4 MPa，此時溫度達(dá)到了86.06℃，已經(jīng)超過了用戶所要求的70℃，因此需要采取水冷降溫。另外，隨著溫度的升高，氣體體積膨脹，可壓縮性降低，壓縮機的工作效率也會降低。冬季出于設(shè)備安全考慮，停用水冷系統(tǒng)，則壓縮比為2.78比較合適，此時的出口絕對壓力為0.5 MPa，出口溫度為66.23℃，滿足用戶的要求。因此確定設(shè)計壓縮比為2.78，春季和秋季在該壓縮比下根據(jù)平均進(jìn)氣溫度計算也需采用水冷系統(tǒng)降溫。按照確定的壓縮比，出口絕對壓力為O.5 MPa，儲罐增壓到該壓力時，壓縮機就停機冷卻。這樣，在冬季僅靠風(fēng)冷就能滿足使用要求，春夏秋季都需要開啟水冷系統(tǒng)降溫。
5．2儲氣罐的選擇
由于儲氣罐后有調(diào)壓設(shè)備，因此儲氣罐內(nèi)要保證0.2 MPa以上的壓力，后續(xù)的調(diào)壓設(shè)備才有足夠的人口壓力進(jìn)行調(diào)壓。而壓縮機冷卻時間以10 min左右為合適，因此儲氣罐的儲存量要保證10 min用氣量。按照30 m3／h的用氣量，10 min用氣量約5 m3。儲氣罐從O.4 MPa降壓到0.2 MPa要保證氣量為5 m3，換算成工況體積為2.5 m3，考慮安全余量，按計算結(jié)果的1.2倍選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格儲罐為3 m3。
5．3壓縮機的選擇
壓縮機工作時間為每1 h工作50 min，要同時供應(yīng)生產(chǎn)用氣和儲罐儲存用氣，合計為35 m。。這里采用保守計算，近似地按照標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣量來確定活塞的排氣量，計算出壓縮機排氣量需滿足42
m3／h。
由于用氣量小，可以選擇小型活塞式壓縮機。壓縮的介質(zhì)為可燃?xì)怏w，對密封要求較高，可采用雙密封無油潤滑結(jié)構(gòu)來保證密封效果。要保證壓縮機在夏天出口溫度不要過高，壓縮機上還需帶有水循環(huán)系統(tǒng)，保證壓縮機正常使用和效率。電機及其他檢測設(shè)備均要采用隔爆產(chǎn)品，適用于現(xiàn)場環(huán)境。
5．4調(diào)壓設(shè)備的選擇
調(diào)壓設(shè)備也采取一開一備形式，壓力從0.2～0.4 MPa調(diào)到O.12 MPa后供生產(chǎn)使用。調(diào)壓設(shè)備流量要滿足最小壓差下30 m3／h即可。
6方案確定
6．1 方案簡介
采用活塞式壓縮機，當(dāng)儲氣罐內(nèi)壓力下降到O.2作壓力，因此設(shè)置調(diào)壓器出口壓力為0．12 MPa，比管網(wǎng)的壓力要高，故旁通路生產(chǎn)工藝要設(shè)置止回閥。
6．3控制系統(tǒng)
增壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)見圖3。
由于兩臺壓縮機為一開一備，控制操作相同，為方便圖示，圖3中以單臺壓縮機的控制為例。該套系統(tǒng)需設(shè)置弱電K1控制箱和強電K2控制箱，K1控制箱用于接收檢測儀器的信號來控制電磁閥的關(guān)開，同時發(fā)信號給K2控制箱以啟動和關(guān)閉電機。
該套控制系統(tǒng)分為供氣選擇控制、儲氣罐增壓控制和保護(hù)控制3部分。
供氣選擇控制：入口P—l號壓力變送器檢測到管網(wǎng)壓力高于0．11 MPa時，調(diào)壓設(shè)備出口的s一3號電磁閥關(guān)閉，此時旁通路s一2號電磁閥打開，由管網(wǎng)直接供氣。當(dāng)人口檢測出來的壓力低于0.105 MPa時，旁通路s一2號電磁閥關(guān)閉，s一3號電磁閥打開，開始使用儲氣罐中的氣體。
儲氣罐增壓控制：在使用儲氣罐內(nèi)氣體時，當(dāng)儲氣罐的出口P一2號壓力變送器檢測的壓力低To.2 MPa時，壓縮機啟動；當(dāng)儲氣罐中的壓力增到0.4 MPa時，壓縮機停機。
保護(hù)控制：當(dāng)壓縮機出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時，壓縮機停機，并進(jìn)行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。
當(dāng)泄漏報警探頭檢測到現(xiàn)場出現(xiàn)泄漏，人口處 s一1號電磁閥關(guān)閉，壓縮機停機，并進(jìn)行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。7項目建設(shè)及運行情況
該套系統(tǒng)于2011年8月上旬開始壓縮機系統(tǒng)
整體成橇和控制系統(tǒng)制作，8月下旬橇體運到現(xiàn)場后進(jìn)行管道連接、棚架安裝、電氣安裝，9月初運行調(diào)試。經(jīng)過一段時間的使用，工作情況保持穩(wěn)定。增壓系統(tǒng)現(xiàn)場見圖4。
該增壓系統(tǒng)試運行時噪聲較大，主要出現(xiàn)在儲氣罐處。由于現(xiàn)場壓縮機進(jìn)出口都采用軟管連接，并且噪聲是在增壓的高壓階段出現(xiàn)，因此不是振動引起。我們對此進(jìn)行了分析，噪聲可能是由以下原因造成：進(jìn)入儲氣罐的氣流速度過快，產(chǎn)生了噪聲(聽起來類似口哨聲)，同時儲氣罐的體積較大且罐壁薄，對噪聲進(jìn)行了放大d如果能夠分散進(jìn)入儲氣罐的氣流，噪聲可能會相應(yīng)降低。于是制作了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擋板(見圖5)裝于儲氣罐內(nèi)部進(jìn)氣口處。安裝完成后，經(jīng)過實際使用驗證，整體噪聲大大降低。
MPa時候，壓縮機工作，將壓力提升到0.4 MPa。由于場地大小限制，整體進(jìn)行橇裝，以節(jié)省現(xiàn)場空間，與人口緩沖管道及儲氣罐的連接到現(xiàn)場后再進(jìn)行。控制系統(tǒng)及其附件也集成到橇體。當(dāng)采取壓縮機路供氣的時候，旁通路處于自動關(guān)閉狀態(tài)。由于管道和閥門管路存在壓力損失，因此實際設(shè)置管網(wǎng)壓力要高于0.11 MPa時才使用旁通路，以保證進(jìn)人生產(chǎn)環(huán)節(jié)的壓力能達(dá)到最低要求(0.1 MPa)。
6．2工藝流程
增壓系統(tǒng)工藝流程見圖2。
增壓前天然氣經(jīng)過緩沖管道，這樣能夠讓氣體有一定的緩沖，避免壓縮機啟動時上游管道壓力下降；人口處設(shè)置有P一1號壓力變送器，用于檢測管網(wǎng)壓力是否滿足使用要求，以便決定是采用增壓系統(tǒng)供氣還是采用管網(wǎng)供氣；入口處的s—l號電磁閥主要是用于出現(xiàn)緊急情況時切斷。
壓縮機采用一開一備形式，工作壓縮機出現(xiàn)故障停機報警后，值班人員可關(guān)閉故障壓縮機進(jìn)出閥門，等待維修，同時打開備用壓縮機進(jìn)出口閥門進(jìn)行控制操作后接替運行，以滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要。壓縮機進(jìn)出口都采用金屬軟管連接，防止機械振動順管道傳遞；壓縮機入口設(shè)置有帶過濾的氣液分離器，防止管壁內(nèi)銹蝕物和水分進(jìn)入壓縮機；壓縮機出口設(shè)置有溫度變送器，用于檢測壓縮機出口的排氣溫度，進(jìn)行連鎖保護(hù)。
進(jìn)入儲氣罐前設(shè)置止回閥，防止壓縮機停機后儲罐內(nèi)氣體倒流。儲氣罐能夠儲存一定量的氣體供生產(chǎn)工序使用，從而保證壓縮機有間歇的冷卻時間。儲氣罐出口設(shè)置有P一2號壓力變送器，用于檢測儲氣罐的壓力，對壓縮機進(jìn)行連鎖控制，以保證儲氣罐壓力保持在設(shè)定范圍內(nèi)。
由于儲氣罐內(nèi)的壓力高于生產(chǎn)工序需要的壓力，因此需要對儲氣罐內(nèi)氣體經(jīng)過調(diào)壓后再進(jìn)行使用。調(diào)壓后設(shè)置有s一3號電磁閥，當(dāng)使用增壓系統(tǒng)時s一3號電磁閥打開，s一2號電磁閥關(guān)閉；當(dāng)使用旁通路時，s一2號電磁閥打開，s一3號電磁閥關(guān)閉。由于采用增壓路時一般要取生產(chǎn)工藝要求的最優(yōu)工作壓力，因此設(shè)置調(diào)壓器出口壓力為O．12 MPa，比管網(wǎng)的壓力要高，故旁通路生產(chǎn)工藝要設(shè)置止回閥。
6．3控制系統(tǒng)
增壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)見圖3。
由于兩臺壓縮機為一開一備，控制操作相同，為方便圖示，圖3中以單臺壓縮機的控制為例。該套系統(tǒng)需設(shè)置弱電Kl控制箱和強電l(2控制箱，K1控制箱用于接收檢測儀器的信號來控制電磁閥的關(guān)開，同時發(fā)信號給K2控制箱以啟動和關(guān)閉電機。
該套控制系統(tǒng)分為供氣選擇控制、儲氣罐增壓控制和保護(hù)控制3部分。
供氣選擇控制：入口P一1號壓力變送器檢測到管網(wǎng)壓力高于0.11 MPa時，調(diào)壓設(shè)備出口的s一3號電磁閥關(guān)閉，此時旁通路s一2號電磁閥打開，由管網(wǎng)直接供氣。當(dāng)入口檢測出來的壓力低于O.105
MPa時，旁通路s一2號電磁閥關(guān)閉，s一3號電磁閥打開，開始使用儲氣罐中的氣體。
儲氣罐增壓控制：在使用儲氣罐內(nèi)氣體時，當(dāng)儲氣罐的出口P一2號壓力變送器檢測的壓力低于O.2 MPa時，壓縮機啟動；當(dāng)儲氣罐中的壓力增到O.4 MPa時，壓縮機停機。
保護(hù)控制：當(dāng)壓縮機出口溫度變送器檢測到溫度超過70℃時，壓縮機停機，并進(jìn)行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。
當(dāng)泄漏報警探頭檢測到現(xiàn)場出現(xiàn)泄漏，人口處 s一1號電磁閥關(guān)閉，壓縮機停機，并進(jìn)行報警，此時壓縮機不能再次啟動，待排除故障后才能再次啟動。7項目建設(shè)及運行情況
該套系統(tǒng)于2011年8月上旬開始壓縮機系統(tǒng)整體成橇和控制系統(tǒng)制作，8月下旬橇體運到現(xiàn)場后進(jìn)行管道連接、棚架安裝、電氣安裝，9月初運行調(diào)試。經(jīng)過一段時間的使用，工作情況保持穩(wěn)定。增壓系統(tǒng)現(xiàn)場見圖4。
該增壓系統(tǒng)試運行時噪聲較大，主要出現(xiàn)在儲氣罐處。由于現(xiàn)場壓縮機進(jìn)出口都采用軟管連接，并且噪聲是在增壓的高壓階段出現(xiàn)，因此不是振動引起。我們對此進(jìn)行了分析，噪聲可能是由以下原因造成：進(jìn)入儲氣罐的氣流速度過快，產(chǎn)生了噪聲(聽起來類似口哨聲)，同時儲氣罐的體積較大且罐壁薄，對噪聲進(jìn)行了放大。如果能夠分散進(jìn)入儲氣罐的氣流，噪聲可能會相應(yīng)降低。于是制作了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擋板(見圖5)裝于儲氣罐內(nèi)部進(jìn)氣口處。安裝完成后，經(jīng)過實際使用驗證，整體噪聲大大降低。
