管線離心壓縮機入口流量波動診斷及對策研究

天然氣長輸管線離心壓縮機組入口安裝標準孔板流量計，上海上儀四廠防喘振測試過程中多次出現(xiàn)流量大幅波動現(xiàn)象，影響測試效果和機組的平穩(wěn)運行。從儀表、控制、防喘閥、孔板、流態(tài)等逐項排查流量波動的誘導因素，根據(jù)孔板前后壓力測試和流態(tài)分析，診斷出流場不穩(wěn)定是造成流量波動的根本原因。本文通過改用多孔孔板流量計增強整流效果，更換前模擬分析多孔孔板的應力應變特性，驗證其可靠性，更換后再次測試未出現(xiàn)流量波動，進一步認識多孔孔板流量計的流場特性，充分發(fā)揮其在紊流場中的抗干擾能力，對離心壓縮機組工藝和配套設備的設計選型具有一定的借鑒意義。

1 故障描述

某天然氣長輸管道增壓站新建三套離心式壓縮機組，主機機型 PCL355，設計參數(shù)見表 1。進行防喘振測試過程中，當機組在防喘振管線內打小循環(huán)時，壓縮機入口孔板流量計測得流量值存在較大范圍波動，且流量值比正常情況偏小 22% 左右，偏小約 33000 ～35000Nm3/h，防喘振測試時天然氣流向圖和入口壓力波動曲線如圖 1、2 所示。防喘振流量波動造成無法精確測試壓縮機的工況點、準確繪制防喘振曲線，影響壓縮機的長期穩(wěn)定安全運行。

2 流量波動誘導因素排查

從儀表、自控系統(tǒng)、防喘閥、孔板、天然氣流態(tài)等方面逐項排查誘導因素，找出入口流量波動的根本原因。

2.1 儀表

通過孔板流量計變送器閥組排污，清理出少量污物，清理后問題未解決。隨后，數(shù)次更換標定的差壓變送器，并吹掃引壓管、取壓閥等組件，問題未解決，排除儀表本質故障的可能性。

2.2 自控系統(tǒng)

本機組采集的流量計差壓值傳輸至試車合格機組的自控系統(tǒng)后，依然存在流量波動現(xiàn)象，且經專業(yè)工程師診斷自控系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)異常，因此，排除自控系統(tǒng)硬件和程序可能存在的問題。

2.3 防喘閥

防喘閥內部堵塞引起流通面積縮小可能導致流量波動且偏小，拆卸并檢查防喘振閥，內部存在少量雜質但閥門動作正常，專業(yè)工程師分析判斷后，認為少量雜質不會影響閥門性能。

2.4 孔板

拆卸并查看孔板流量計表面清潔度，表面附著少量黏稠雜質，但不會引起流量波動；隨后，依據(jù)圖紙核對流量計安裝方向是否正確，經檢查安裝無誤；非常后，核驗孔板流量計規(guī)格型號、內徑尺寸等參數(shù)是否與設計圖紙相符，經查驗各參數(shù)符合設計要求。

將現(xiàn)用的進口孔板流量計替換為某國產孔板流量計，并縮小孔板內徑尺寸，孔板的 β 值（孔板內徑 d與管道內徑 D 的比值）由原來的 0.7 縮小至 0.6，更換后啟機測試，流量波動現(xiàn)象依然存在。

3 基于流態(tài)分析的診斷

經上述診斷后，未排查出流量波動的誘導因素，決定從壓縮機工藝管線天然氣流態(tài)的角度出發(fā)，分析查找問題根源。

3.1 流體力學分析

根據(jù)伯努利方程和流體流動連續(xù)性方程可得到孔板流量計前后差壓 Δp 與流經孔板的體積流量 QV 關系為：式中，C 為流出系數(shù)；ρ 為流體密度，kg/m3；β為孔板內徑 d 與管道內徑 D 的比值。

由式 1 可知，通過測量孔板兩側壓力差，可計算流經孔板的體積流量值，這是孔板流量計的基本工作原理。管道中體積流量 QV 與流體流速 v 有如下函數(shù)關系：

聯(lián)立式（1）和式（2）可得，孔板流量計兩端差壓與流速的關系表達式為：根據(jù)式（3），流體處于非穩(wěn)定流態(tài)時，孔板流量計兩端差壓會出現(xiàn)波動，且孔板兩端差壓變化幅值隨流速振幅增強而變大，導致測量的流量出現(xiàn)波動。

3.2 孔板前后壓力測試

通過孔板前后壓力測試，驗證流量波動是否由壓力波動引發(fā)。拆除流量計的差壓變送器，在孔板前后取壓口安裝 2 個壓力變送器，重新編程后監(jiān)測孔板前后壓力和差壓值。按照表 2 列出的三種工況進行壓力測試。

經測試，孔板前壓力波動范圍 1.257 ～ 1.942kPa，孔板后壓力波動范圍 4.6 ～ 5.108kPa，差壓波動非常大值略大于 5kPa，證明流經孔板前后的流體存在波動，差壓波動是導致流量波動的根源。

3.3 流量計對比分析

經專家組研討決定，用多孔孔板流量計替換標準孔板流量計以消減差壓波動。更換前對比 2 種流量計的流態(tài)特征，分析多孔孔板流量計對流體流態(tài)的影響，提高解決問題的概率，減少因重復更換流量計帶來的經濟損失和時間消耗。對比圖 6、7，與標準孔板流量計相比，多孔孔板流量計產生的渦流尺寸更小，且流經上下游的流體能夠更快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。

標準孔板流量計僅有一個流通孔徑，節(jié)流后會破壞流體層流狀態(tài)；多孔孔板流量計具有多個函數(shù)孔徑，其對稱多孔結構的特點，能非常大程度將流場平衡整流，降低渦流，流場穩(wěn)定性大大提高。

多孔孔板流量計由于流場更加穩(wěn)定，且有較強的壓力恢復能力，大大縮短對壓縮機入口直管段的要求，直管段非常小可短至孔板前 0.5D、后 0.5D（D 為管道內徑），多孔孔板流量計能夠獲得更加平穩(wěn)的差壓信號，測量的體積流量更穩(wěn)定、精確。

4 多孔孔板力學分析與驗證測試

更換前進行孔板流量計的應力應變分析和水壓試驗，驗證其可靠性。使用有限元分析軟件對孔板流量計做應力應變分析。經模擬分析得出正常工況下孔板的等效應力分布云圖和總變形圖，其非常大等效應力為 54.4MPa，遠小于材料屈服強度 310MPa；其非常大變形為 0.06mm，滿足設計要求。經水壓試驗驗證，多空孔板流量計能夠滿足現(xiàn)場高壓工況。

更換多孔孔板流量計后啟機測試，未出現(xiàn)流量波動現(xiàn)象。現(xiàn)場安裝的軸流式防喘閥選型過大，調節(jié)回流流量時開度變化靈敏。通過進一步分析和行業(yè)內調研，防喘振測試時出現(xiàn)流量波動，是由于防喘閥選型時尺寸過大 (DN250)，與壓縮機入口管徑 (DN500) 不匹配，造成防喘閥回流氣量過大，沖擊入口天然氣，導致流體出現(xiàn)紊流，紊流流體通過孔板流量計測量，出現(xiàn)大幅度流量波動。

5 結語及建議

由于壓縮機組設計選型階段未充分考慮防喘振閥與工藝管線的匹配性，導致防喘振小循環(huán)回流的氣流過大，造成壓縮機入口流體的紊流狀態(tài)，標準孔板流量計無法準確測量真實流量。多孔孔板流量計具備良好的整流作用，能夠提高抗干擾能力，流量更穩(wěn)定，測量值更符合實際。上海上儀四廠建議依據(jù)實際系統(tǒng)特性，全面充分考慮壓縮機與工藝管線、配套設備的匹配度，輔助管線離心壓縮機組的設計選型；設計階段應對防喘振閥、孔板流量計等設備與工藝系統(tǒng)做流體力學計算分析和流態(tài)模擬，以滿足壓縮機系統(tǒng)的運行需要。