摘要：天然氣長(zhǎng)輸管線離心壓縮機(jī)組入口安裝標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，防喘振測(cè)試過(guò)程中多次出現(xiàn)流量大幅波動(dòng)現(xiàn)象，影響測(cè)試效果和機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。從儀表、控制、防喘閥、孔板、流態(tài)等逐項(xiàng)排查流量波動(dòng)的誘導(dǎo)因素，根據(jù)孔板前后壓力測(cè)試和流態(tài)分析，診斷出流場(chǎng)不穩(wěn)定是造成流量波動(dòng)的根本原因。本文通過(guò)改用多孔孔板流量計(jì)增強(qiáng)整流效果，更換前模擬分析多孔孔板的應(yīng)力應(yīng)變特性，驗(yàn)證其可靠性，更換后再次測(cè)試未出現(xiàn)流量波動(dòng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)多孔孔板流量計(jì)的流場(chǎng)特性，充分發(fā)揮其在紊流場(chǎng)中的抗干擾能力，對(duì)離心壓縮機(jī)組工藝和配套設(shè)備的設(shè)計(jì)選型具有一定的借鑒意義。
1 故障描述
某天然氣長(zhǎng)輸管道增壓站新建三套離心式壓縮機(jī)組，主機(jī)機(jī)型 PCL355，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表 1。進(jìn)行防喘振測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組在防喘振管線內(nèi)打小循環(huán)時(shí)，壓縮機(jī)入口
孔板流量計(jì)測(cè)得流量值存在較大范圍波動(dòng)，且流量值比正常情況偏小 22% 左右，偏小約 33000 ～35000Nm3/h，防喘振測(cè)試時(shí)天然氣流向圖和入口壓力波動(dòng)曲線如圖 1、2 所示。防喘振流量波動(dòng)造成無(wú)法精確測(cè)試壓縮機(jī)的工況點(diǎn)、準(zhǔn)確繪制防喘振曲線，影響壓縮機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行。
2 流量波動(dòng)誘導(dǎo)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(xiàng)排查誘導(dǎo)因素，找出入口流量波動(dòng)的根本原因。
2.1 儀表
通過(guò)孔板流量計(jì)變送器閥組排污，清理出少量污物，清理后問(wèn)題未解決。
隨后，數(shù)次更換標(biāo)定的
差壓變送器，并吹掃引壓管、取壓閥等組件，問(wèn)題未解決，排除儀表本質(zhì)故障的可能性。
2.2 自控系統(tǒng)
本機(jī)組采集的流量計(jì)差壓值傳輸至試車合格機(jī)組的自控系統(tǒng)后，依然存在流量波動(dòng)現(xiàn)象，且經(jīng)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(wèn)題。
2.3 防喘閥
防喘閥內(nèi)部堵塞引起流通面積縮小可能導(dǎo)致流量波動(dòng)且偏小，拆卸并檢查防喘振閥，內(nèi)部存在少量雜質(zhì)但閥門動(dòng)作正常，專業(yè)工程師分析判斷后，認(rèn)為少量雜質(zhì)不會(huì)影響閥門性能。
2.4 孔板
拆卸并查看孔板流量計(jì)表面清潔度，表面附著少量黏稠雜質(zhì)，但不會(huì)引起流量波動(dòng)；隨后，依據(jù)圖紙核對(duì)流量計(jì)安裝方向是否正確，經(jīng)檢查安裝無(wú)誤；非常后，核驗(yàn)孔板流量計(jì)規(guī)格型號(hào)、內(nèi)徑尺寸等參數(shù)是否與設(shè)計(jì)圖紙相符，經(jīng)查驗(yàn)各參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。
將現(xiàn)用的進(jìn)口孔板流量計(jì)替換為某國(guó)產(chǎn)孔板流量計(jì)，并縮小孔板內(nèi)徑尺寸，孔板的 β 值（孔板內(nèi)徑 d與管道內(nèi)徑 D 的比值）由原來(lái)的 0.7 縮小至 0.6，更換后啟機(jī)測(cè)試，流量波動(dòng)現(xiàn)象依然存在。
3 基于流態(tài)分析的診斷
經(jīng)上述診斷后，未排查出流量波動(dòng)的誘導(dǎo)因素，決定從壓縮機(jī)工藝管線天然氣流態(tài)的角度出發(fā)，分析查找問(wèn)題根源。
3.1 流體力學(xué)分析
根據(jù)伯努利方程和流體流動(dòng)連續(xù)性方程可得到孔板流量計(jì)前后差壓 Δp 與流經(jīng)孔板的體積流量 QV 關(guān)系為：
式中，C 為流出系數(shù)；ρ 為流體密度，kg/m3；β為孔板內(nèi)徑 d 與管道內(nèi)徑 D 的比值。
由式 1 可知，通過(guò)測(cè)量孔板兩側(cè)壓力差，可計(jì)算流經(jīng)孔板的體積流量值，這是孔板流量計(jì)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(guān)系：
聯(lián)立式（1）和式（2）可得，孔板流量計(jì)兩端差壓與流速的關(guān)系表達(dá)式為：
根據(jù)式（3），流體處于非穩(wěn)定流態(tài)時(shí)，孔板流量計(jì)兩端差壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，且孔板兩端差壓變化幅值隨流速振幅增強(qiáng)而變大，導(dǎo)致測(cè)量的流量出現(xiàn)波動(dòng)。
3.2 孔板前后壓力測(cè)試
通過(guò)孔板前后壓力測(cè)試，驗(yàn)證流量波動(dòng)是否由壓力波動(dòng)引發(fā)。拆除流量計(jì)的差壓變送器，在孔板前后取壓口安裝 2 個(gè)
壓力變送器，重新編程后監(jiān)測(cè)孔板前后壓力和差壓值。按照表 2 列出的三種工況進(jìn)行壓力測(cè)試。
經(jīng)測(cè)試，孔板前壓力波動(dòng)范圍 1.257 ～ 1.942kPa，孔板后壓力波動(dòng)范圍 4.6 ～ 5.108kPa，差壓波動(dòng)非常大值略大于 5kPa，證明流經(jīng)孔板前后的流體存在波動(dòng)，差壓波動(dòng)是導(dǎo)致流量波動(dòng)的根源。
3.3 流量計(jì)對(duì)比分析
經(jīng)專家組研討決定，用多孔孔板流量計(jì)替換標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)以消減差壓波動(dòng)。更換前對(duì)比 2 種流量計(jì)的流態(tài)特征，分析多孔孔板流量計(jì)對(duì)流體流態(tài)的影響，提高解決問(wèn)題的概率，減少因重復(fù)更換流量計(jì)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間消耗。
對(duì)比圖 6、7，與標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)相比，多孔孔板流量計(jì)產(chǎn)生的渦流尺寸更小，且流經(jīng)上下游的流體能夠更快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)僅有一個(gè)流通孔徑，節(jié)流后會(huì)破壞流體層流狀態(tài)；多孔孔板流量計(jì)具有多個(gè)函數(shù)孔徑，其對(duì)稱多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能非常大程度將流場(chǎng)平衡整流，降低渦流，流場(chǎng)穩(wěn)定性大大提高。
多孔孔板流量計(jì)由于流場(chǎng)更加穩(wěn)定，且有較強(qiáng)的壓力恢復(fù)能力，大大縮短對(duì)壓縮機(jī)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(nèi)徑），多孔孔板流量計(jì)能夠獲得更加平穩(wěn)的差壓信號(hào)，測(cè)量的體積流量更穩(wěn)定、精確。
4 多孔孔板力學(xué)分析與驗(yàn)證測(cè)試
更換前進(jìn)行孔板流量計(jì)的應(yīng)力應(yīng)變分析和水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性。
使用有限元分析軟件對(duì)孔板流量計(jì)做應(yīng)力應(yīng)變分析。經(jīng)模擬分析得出正常工況下孔板的等效應(yīng)力分布云圖和總變形圖，其非常大等效應(yīng)力為 54.4MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度 310MPa；其非常大變形為 0.06mm，滿足設(shè)計(jì)要求。
經(jīng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證，多空孔板流量計(jì)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)高壓工況。
更換多孔孔板流量計(jì)后啟機(jī)測(cè)試，未出現(xiàn)流量波動(dòng)現(xiàn)象。
現(xiàn)場(chǎng)安裝的軸流式防喘閥選型過(guò)大，調(diào)節(jié)回流流量時(shí)開(kāi)度變化靈敏。通過(guò)進(jìn)一步分析和行業(yè)內(nèi)調(diào)研，防喘振測(cè)試時(shí)出現(xiàn)流量波動(dòng)，是由于防喘閥選型時(shí)尺寸過(guò)大 (DN250)，與壓縮機(jī)入口管徑 (DN500) 不匹配，造成防喘閥回流氣量過(guò)大，沖擊入口天然氣，導(dǎo)致流體出現(xiàn)紊流，紊流流體通過(guò)孔板流量計(jì)測(cè)量，出現(xiàn)大幅度流量波動(dòng)。
5 結(jié)語(yǔ)及建議
由于壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)選型階段未充分考慮防喘振閥與工藝管線的匹配性，導(dǎo)致防喘振小循環(huán)回流的氣流過(guò)大，造成壓縮機(jī)入口流體的紊流狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量真實(shí)流量。多孔孔板流量計(jì)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(cè)量值更符合實(shí)際。建議依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)特性，全面充分考慮壓縮機(jī)與工藝管線、配套設(shè)備的匹配度，輔助管線離心壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)選型；設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)防喘振閥、孔板流量計(jì)等設(shè)備與工藝系統(tǒng)做流體力學(xué)計(jì)算分析和流態(tài)模擬，以滿足壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行需要。
