一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法

摘要

本发明公开了一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法，属于天然气输送领域，本发明通过调节目标压缩机的驱动装置的转速，通过与目标压缩机并联的至少一台压缩机来调节流过目标压缩机的天然气流量，以改变目标压缩机的内部工况，并根据目标压缩机的内部工况参数及外部工况参数计算目标压缩机在该内部工况参数及该外部工况参数共同作用下的有效功率、效率及能量头，从而获得目标压缩机的一组实际工况参数，通过采集目标压缩机的多组实际工况参数，并对多组目标压缩机的实际工况参数进行理论分析，即可对目标压缩机的使用寿命及运行可靠性进行评价。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气输送领域，特别涉及一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法。

背景技术

天然气长输管道离心压缩机是天然气长输管道最核心的设备，其具有压力高、流量大、转速高、尺寸大、功率大及转速变化调节范围大等特点，对设计、制造、试验和材料的要求均较高，目前，国内使用的天然气长输管道离心压缩机均从国外进口，其购买成本及后续使用过程中的维修成本均较高。

为了降低在天然气长输管道上使用压缩机的成本，需尽量保证压缩机的使用寿命及运行可靠性，而由于压缩机的实际工况参数是评价压缩机的使用寿命及运行可靠性的重要指标，故采集压缩机的实际工况参数尤为重要，但目前还没有一种可以获取压缩机的实际工况参数的方法，导致本领域技术人员无法根据压缩机的实际工况对压缩机的使用寿命及运行可靠性等进行有效的理论分析和评价。

发明内容

为了解决现有技术中还没有一种可以获取压缩机的实际工况参数的方法，导致本领域技术人员无法根据压缩机的实际工况对压缩机的使用寿命及运行可靠性等进行有效的理论分析和评价的问题，本发明实施例提供了一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法。所述技术方案如下：

一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法，所述方法包括：

调节所述目标压缩机的驱动装置转速，并通过与之并联的至少一台压缩机调节流过所述目标压缩机的天然气流量，以改变所述目标压缩机的内部工况；

通过设置在所述目标压缩机进出口处的设备采集所述目标压缩机的内部工况参数；

通过设置在所述目标压缩机工作站内的测量设备采集所述目标压缩机的外部工况参数；

根据所述目标压缩机的内部工况参数及所述目标压缩机的外部工况参数，计算所述目标压缩机在所述内部工况参数和所述外部工况参数共同作用下的有效功率、效率及能量头。

具体地，所述内部工况参数包括所述目标压缩机内的天然气流量、天然气进口温度、天然气出口温度、天然气进口压力和天然气出口压力。

具体地，所述天然气流量通过设置在所述目标压缩机进口处或所述目标压缩机出口处的流量计进行测量；

所述天然气进口温度通过设置在所述目标压缩机的天然气进口处的第一温度计进行测量；

所述天然气出口温度通过设置在所述目标压缩机的天然气出口处的第二温度计进行测量；

所述天然气进口压力通过设置在所述目标压缩机的天然气进口处的第一压力表进行测量；

所述天然气出口压力通过设置在所述目标压缩机的天然气出口处的第二压力表进行测量。

具体地，所述外部工况参数包括：大气温度、大气压力、海拔高度、湿度和露点温度。

进一步地，所述目标压缩机的有效功率通过如下公式(1)进行计算：

在公式(1)中，H_E为所述目标压缩机的有效功率，G_in为流过所述目标压缩机的天然气流量，ρ_a为标准状态下的空气密度，S_G为标准状态下天然气与空气的相对密度，Z_in为在所述天然气进口压力下的天然气压缩因子，R'为天然气的气体常数，T_in为所述天然气进口温度，P_out为所述目标压缩机内的天然气出口压力，P_in为所述目标压缩机内的天然气进口压力，m为所述目标压缩机多变指数，所述多变指数通过如下公式(2)进行计算：

在公式(2)中，为天然气压缩比，T_out为所述天然气出口温度。

进一步地，所述目标压缩机的效率通过如下公式(3)进行计算：

在公式(3)中，η_T为所述目标压缩机的效率，h_out为所述目标压缩机的天然气出口处的天然气实际焓值，h_in为所述目标压缩机的天然气进口处的天然气实际焓值，所述天然气实际焓值通过如下公式(4)进行计算：

h＝h⁰-δ(T_c·R')>

在公式(4)中，h为天然气实际焓值，δ为天然气实际焓值的修正系数，h⁰为天然气理想焓值，通过如下公式(5)进行计算，T_c为天然气视临界温度，通过如下公式(6)进行计算：

在公式(5)中，为第i个天然气组分的理想焓值，x_i为第i个天然气组分百分比，其中，i＝1、2、3……；

T_c＝∑x_i·T_ci>

在公式(6)中，T_ci为第i个天然气组分的临界温度

进一步地，所述目标压缩机的能量头通过如下公式(7)进行计算：

在公式(7)中，N为能量头，M为天然气视分子量。

具体地，与所述目标压缩机并联的至少一台压缩机的数量为两台。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过调节目标压缩机的驱动装置的转速，通过与目标压缩机并联的至少一台压缩机来调节流过目标压缩机的天然气流量，以改变目标压缩机的内部工况，且通过设置在目标压缩机的天然气进出口处的设备采集目标压缩机的内部工况参数，设置在目标压缩机工作站内的测量设备采集目标压缩机的外部工况参数，并根据目标压缩机的内部工况参数及外部工况参数计算目标压缩机在该内部工况参数及该外部工况参数共同作用下的有效功率、效率及能量头，从而获得目标压缩机的一组实际工况参数，通过采集目标压缩机的多组实际工况参数，并对多组目标压缩机的实际工况参数进行理论分析，即可对目标压缩机的使用寿命及运行可靠性进行评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法的流程图；

图2是本发明又一实施例提供的标准状态下，流过目标压缩机的天然气流量及驱动装置转速与目标压缩机的能量头及效率的关系图；

图3是本发明又一实施例提供的实际工况下，流过目标压缩机的天然气流量及驱动装置转速与目标压缩机的能量头及效率的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明任一实施例叙述中，标准状态是指温度为20℃，大气压强为101kPa的环境。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法，该方法包括：

在步骤101中，调节目标压缩机的驱动装置转速，并通过与之并联的至少一台压缩机调节流过目标压缩机的天然气流量，以改变所述目标压缩机的内部工况。

在本发明实施例中，目标压缩机的内部工况参数主要取决于目标压缩机的驱动装置转速及流过目标压缩机的天然气流量，故通过调节目标压缩机的转速及流过目标压缩机的天然气流量，可改变目标压缩机的工况。获取天然气长输管道离心压缩机的工况参数时，先将目标压缩机与至少一台压缩机并联在天然气长输管道上，在天然气长输管道内的天然气的总流量不变的前提下，调节流过与目标压缩机并联的至少一台压缩机内的天然气的流量，即可调节流过目标压缩机的天然气流量，在不影响天然气输送的基础上，调节流过目标压缩机的天然气流量，以调节目标压缩机的工况，便于后续采集目标压缩机在不同工况下的实际参数。

其中，优选地，与目标压缩机并联的至少一台压缩机的数量为两台，通过调节与目标压缩机并联的两台压缩机以调节流过目标压缩机的天然气流量，调节效率及调节精度均较高，且避免购买过多的压缩机，提高获取天然气长输管道离心压缩机工况参数的成本。

且调节目标压缩机的驱动装置的转速的过程中，目标压缩机的内部工况也会随之改变。

在步骤102中，通过设置在目标压缩机进出口处的设备采集目标压缩机的内部工况参数。

在本发明实施例中，内部工况参数包括目标压缩机内的天然气流量、天然气进口温度、天然气出口温度、天然气进口压力和天然气出口压力。

其中，天然气流量通过设置在目标压缩机进口处或目标压缩机出口处的流量计进行测量，在本发明实施例中，流量计为气体超声波流量计，精度为1.0％，流量计设置在目标压缩机进出口管段处。

天然气进口温度通过设置在目标压缩机的天然气进口处的第一温度计进行测量，天然气出口温度通过设置在目标压缩机的天然气出口处的第二温度计进行测量。在本发明实施例中，第一温度计和第二温度计的精度为0.1℃，对应设置在目标压缩机的天然气进出口管段处。

天然气进口压力通过设置在目标压缩机的天然气进口处的第一压力表进行测量，天然气出口压力通过设置在目标压缩机的天然气出口处的第二压力表进行测量。在本发明实施例中，第一压力表和第二压力表的精度在0.4级以上，对应设置在目标压缩机的天然气进出口管段处。

在步骤103中，通过设置在目标压缩机工作站内的测量设备采集目标压缩机的外部工况参数。

在本发明实施例中，外部工况参数包括：大气温度、大气压力、海拔高度、湿度和露点温度。

其中，大气温度通过设置在目标压缩机工作站内的第三温度计进行测量，大气压力通过设置在目标压缩机工作站内的第三压力表进行测量，海拔高度通过设置在目标压缩机工作站内的海拔测量仪进行测量，湿度通过设置在目标压缩机工作站内的湿度测量仪进行测量，露点温度测量仪通过设置在目标压缩机工作站内的露点温度测量仪进行测量。其中，第三温度计、海拔测量仪、湿度测量仪和露点温度测量仪均位于以目标压缩机为中心的预设区域内，保证检测结果的可靠性较高。在本发明实施例中，外部工况参数通过置于目标压缩机工作站内背阴处的手持风速仪进行测量。

当然，本领域技术人员可知，目标压缩机的外部工况参数和内部工况参数除上述各参数外，还可以为任意能够影响目标压缩机的使用寿命及运行可靠性等的参数。

在步骤104中，根据目标压缩机的内部工况参数及目标压缩机的外部工况参数，计算目标压缩机在该内部工况参数和外部工况参数共同作用下的有效功率、效率及能量头。

其中，目标压缩机的有效功率通过如下公式(1)进行计算：

在公式(1)中，H_E为目标压缩机的有效功率，G_in为流过目标压缩机的天然气流量，ρ_a为标准状态下的空气密度，S_G为标准状态下天然气与空气的相对密度，Z_in为在天然气进口压力下的天然气压缩因子，R'为天然气的气体常数，T_in为天然气进口温度，P_out为目标压缩机内的天然气出口压力，P_in为目标压缩机内的天然气进口压力，m为目标压缩机多变指数，多变指数通过如下公式(2)进行计算：

在公式(2)中，为天然气压缩比，T_out为天然气出口温度。

目标压缩机的效率通过如下公式(3)进行计算：

在公式(3)中，η_T为目标压缩机的效率，h_out为目标压缩机的天然气出口处的天然气实际焓值，h_in为目标压缩机的天然气进口处的天然气实际焓值，天然气实际焓值通过如下公式(4)进行计算：

h＝h⁰-δ(T_c·R')>

在公式(4)中，h为天然气实际焓值，δ为实际天然气焓值的修正系数，h⁰为天然气理想焓值，通过如下公式(5)进行计算，T_c为天然气视临界温度，通过如下公式(6)进行计算：

在公式(5)中，为第i个天然气组分的理想焓值，x_i为第i个天然气组分百分比，其中，i＝1、2、3……；

T_c＝∑x_i·T_ci>

在公式(6)中，T_ci为第i个天然气组分的临界温度

目标压缩机的能量头通过如下公式(7)进行计算：

在公式(7)中，N为能量头，M为天然气视分子量。

在本发明实施例中，通过上述步骤101至步骤104获取到一组目标压缩机的实际工况参数，由于目标压缩机的外部工况参数的变化一般不大，而目标压缩机的内部工况参数主要取决于目标压缩机的驱动装置转速及流过目标压缩机的天然气流量，故通过调节目标压缩机的转速及流过目标压缩机的天然气流量，可改变目标压缩机的工况，重复步骤101至步骤104，获取多组目标压缩机的实际工况参数，根据多组目标压缩机的实际工况参数进行理论分析，并依此评价目标压缩机的使用寿命及运行可靠性。

本发明通过调节目标压缩机的驱动装置的转速，通过与目标压缩机并联的至少一台压缩机来调节流过目标压缩机的天然气流量，以改变目标压缩机的内部工况，且通过设置在目标压缩机的天然气进出口处的设备采集目标压缩机的内部工况参数，设置在目标压缩机工作站内的测量设备采集目标压缩机的外部工况参数，并根据目标压缩机的内部工况参数及外部工况参数计算目标压缩机在该内部工况参数及该外部工况参数共同作用下的有效功率、效率及能量头，从而获得目标压缩机的一组实际工况参数，通过采集目标压缩机的多组实际工况参数，并对多组目标压缩机的实际工况参数进行理论分析，即可对目标压缩机的使用寿命及运行可靠性进行评价。

实施例二

在本发明实施例中，以一台压缩机与目标压缩机并联在天然气长输管道上为例，对实施例一提供的一种天然气长输管道离心压缩机工况参数的获取方法进行说明。

本领域技术人员可以理解，压缩机的驱动装置包括电机和燃气轮机，在本发明实施例中，以目标压缩机的驱动装置为电机进行说明，其可调节的最低转速为3600rpm，额定转速为4600rpm。因此，选择目标压缩机的电机的测试转速为3600rpm、4000rpm、4300rpm和4600rpm。在目标压缩机的电机转速固定的情况下，对与目标压缩机并联的压缩机采取100rpm的台阶升速，即每升高100rpm，待工况稳定后记录一组数据。其中，优选地，在目标压缩机的每个电机转速下，测取4-6组流过目标压缩机的天然气流量及其对应的目标压缩机的实际工况参数。

其中，在不同的目标压缩机电机转速下，目标压缩机的外部工况参数及内部工况参数的测试数据见表2-1至表2-4。

表2-1目标压缩机的外部工况参数和内部工况参数(3600rpm)

表2-2目标压缩机的外部工况参数和内部工况参数(4000rpm)

表2-3目标压缩机的外部工况参数和内部工况参数(4300rpm)

表2-4目标压缩机的外部工况参数和内部工况参数(4600rpm)

在本发明实施例中，流过目标压缩机的天然气以表2-5所示的天然气组分为例进行说明。

表2-5天然气组分

序号参数名称符号单位数值1天然气甲烷摩尔组分CH4％93.6102天然气乙烷摩尔组分C2H6％2.9463天然气丙烷摩尔组分C3H8％0.4664天然气异丁烷摩尔组分iC4H10％0.0615天然气正丁烷摩尔组分nC4H10％0.0956天然气异戊烷摩尔组分iC5H12％0.0247天然气正戊烷摩尔组分nC5H12％0.0248天然气己烷及以上摩尔组分≥C6+％0.0529天然气二氧化碳摩尔组分CO2％0.80110天然气氮气摩尔组分N2％1.915

结合表2-5，根据公式(1)至公式(7)，计算在目标压缩机的驱动装置的不同转速及不同天然气流量下，目标压缩机的有效功率、能量头及效率。计算结果请见表2-6至表2-9。

表2-6目标压缩机的有效功率、能量头及效率测算结果(3600rpm)

表2-7目标压缩机的有效功率、能量头及效率测算结果(4000rpm)

表2-8目标压缩机的有效功率、能量头及效率测算结果(4300rpm)

表2-9目标压缩机的有效功率、能量头及效率测算结果(4600rpm)

在本发明实施例中，获得上述测算结果之后，可利用Matlab等模拟分析软件分析目标压缩机的有效功率、能量头及效率与其他内部工况参数及外部工况参数之间的关系，以及各参数与目标压缩机的使用寿命及运行可靠性之间的关系。其中，流过目标压缩机的天然气流量与目标压缩机的能量头的关系如图2和图3所示，其中，图2是标准状态下流过目标压缩机的天然气流量与目标压缩机的能量头及效率之间的关系图，图3是实际工况下流过目标压缩机的天然气流量与目标压缩机的能量头及效率之间的关系图，图2和图3之间可通过气体在标准状态和非标准状态下的体积转换公式进行转换。

分析表明，目标压缩机的有效功率、能量头和效率是评价目标压缩机的使用寿命及运行可靠性的重要因素，故可通过曲线拟合等方式预测出在任意工况下目标压缩机的有效功率、能量头及效率，以指导工作人员使用目标压缩机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。