沁水盆地煤層氣田壓縮機(jī)的選擇與應(yīng)用

陶永 王紅霞 韋瑋 張永琪

（1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司；2.中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司）

隨著能源需求不斷增加，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求也日趨嚴(yán)格。煤層氣作為巨大潛在清潔能源，在全球能源結(jié)構(gòu)中扮演越來越重要的角色。據(jù)預(yù)測［1］，全球煤層氣遠(yuǎn)景資源量為260×1012m3，中國為36.8×1012m3，位居世界第三位。中國1 500m以淺的資源量約為 27×1012m3，相當(dāng)于全國常規(guī)天然氣資源總量的三分之二，是美國煤層氣資源量的2～3倍，開發(fā)前景廣闊。根據(jù)中國煤層氣十二五發(fā)展規(guī)劃，到2015年煤層氣（煤礦瓦斯）產(chǎn)量達(dá)到300×108m3，其中地面開發(fā) 160×108m3。因此，在當(dāng)前中國常規(guī)天然氣資源比較匱乏的情況下，煤層氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將會(huì)成為中國天然氣發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，其開發(fā)建設(shè)是集能源綜合利用、環(huán)境保護(hù)、煤礦安全于一體的新興能源領(lǐng)域。

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，與常規(guī)天然氣相比較，煤層氣集輸有其鮮明的特點(diǎn)［2］。投產(chǎn)初期產(chǎn)量較低，平均單井日產(chǎn)約為2 000m3；井口壓力低，一般為0.1～0.3MPa，需要在集氣站增壓外輸；生產(chǎn)周期長，單井壽命15～20年。沁水盆地煤層氣集輸工藝流程［3］為單井產(chǎn)氣經(jīng)過串接與閥組接入采氣管線，然后進(jìn)入集氣站。在集氣站首先過濾分離，再通過壓縮機(jī)增壓至1.4～1.6MPa，將煤層氣通過集氣管線輸送至處理廠處理外輸。最終可采用接入長輸管線、進(jìn)入天然氣（CNG）加氣站和液化天然氣（LNG）工廠等處理利用方法。目前，沁水盆地樊莊、鄭莊區(qū)塊均采用進(jìn)入長輸管線的處理模式，將所產(chǎn)商品氣全部接入西氣東輸管道［4］。

沁水盆地采用的集輸總流程是集氣站和處理廠兩地進(jìn)行增壓后外輸。處理廠因氣量較大和較穩(wěn)定，多選用往復(fù)式壓縮機(jī)；而集氣站因數(shù)量多、有差異、氣量小且不穩(wěn)定等因素，集氣站壓縮機(jī)將涉及選型問題。

1 煤層氣田壓縮機(jī)的選擇

目前，國內(nèi)外燃?xì)廨斔凸こ逃糜谠鰤旱膲嚎s機(jī)主要是往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)。

1.1 離心式壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)是驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸葉輪（工作輪）轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力作用下，氣體獲得能量被甩到工作輪后面的擴(kuò)壓器中，而在工作輪中間形成稀薄地帶，前面的氣體從工作輪中間的進(jìn)氣部分進(jìn)入葉輪，由于工作輪不斷旋轉(zhuǎn)，氣體能連續(xù)不斷地被甩出去，從而保持了氣體連續(xù)流動(dòng)。

離心式壓縮機(jī)適用于大流量、工況穩(wěn)定的站場；壓比較小，一般不超過3；單臺(tái)功率最大30 000kW；結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸??；易損件少、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、維護(hù)費(fèi)用低，但是，穩(wěn)定工況區(qū)較窄，效率一般低于往復(fù)式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)多用于長輸管道壓氣站。

1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)是通過曲柄—連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，依靠缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來改變工作腔容積，借以達(dá)到壓縮氣體提高氣體壓力的目的。

往復(fù)式壓縮機(jī)適用于中小流量、變工況的站場；單級(jí)壓比大（一般為4～6）、效率高（一般為90%）；單臺(tái)功率較小，最大功率6 000kW，能耗低；加工方便，對(duì)材料要求低，造價(jià)低廉；生產(chǎn)、使用、設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成熟；適應(yīng)性強(qiáng)，氣量調(diào)節(jié)范圍大，一般可在 45%～100%的工況下運(yùn)行。但是，其體積大、重量大、噪音大，易損件多；輸氣不連續(xù)、氣體壓力有波動(dòng)。往復(fù)式壓縮機(jī)多用于流量不穩(wěn)定及分期建設(shè)的氣田地面工程［5］。

1.3 螺桿式壓縮機(jī)

螺桿式壓縮機(jī)也被稱為螺旋式壓縮機(jī)是由一對(duì)平行、互相嚙合的陰、陽螺桿構(gòu)成，是回轉(zhuǎn)壓縮機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種。

螺桿式壓縮機(jī)排量范圍大，利用滑閥或變頻調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)10%～100%的排氣量調(diào)節(jié)。壓比相對(duì)較小（一般不超過4）；高轉(zhuǎn)速、易損件少；體積小、重量輕；轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周要排氣數(shù)次，基本上是連續(xù)排氣，脈動(dòng)性較??；噪音小，對(duì)介質(zhì)中含煤粉等雜質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)。目前，螺桿式壓縮機(jī)在低壓低產(chǎn)氣田有一些應(yīng)用業(yè)績，其進(jìn)口壓力一般小于0.5MPa，出口壓力 1～2MPa，排量一般為 2×104～10×104m3/d。

但是，螺桿式壓縮機(jī)效率較低（一般達(dá)70%～85%）、能耗高。多用于小氣量波動(dòng)工況或與往復(fù)式壓縮機(jī)互補(bǔ)采用。

1.4 壓縮機(jī)類型選擇

煤層氣集輸工藝中，氣井產(chǎn)量低且波動(dòng)較大，要外輸?shù)脑鰤罕容^大［6］。離心式壓縮機(jī)很難滿足煤層氣田的開發(fā)要求，而往復(fù)壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)比較適合于煤層氣田的開發(fā)特點(diǎn)。因此，離心壓縮機(jī)幾乎在煤層氣田沒有應(yīng)用，而往復(fù)壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)在煤層氣田開發(fā)中均有應(yīng)用。

2 沁水盆地煤層氣田壓縮機(jī)的應(yīng)用

2.1 往復(fù)式壓縮機(jī)

根據(jù)目前中國往復(fù)式壓縮機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)情況，在已開發(fā)的煤層氣田中最常用的往復(fù)式壓縮機(jī)參數(shù)見表1。

表1 不同功率往復(fù)式壓縮機(jī)計(jì)算參數(shù)

國內(nèi)往復(fù)式壓縮機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)日臻成熟，可根據(jù)排量和進(jìn)出口壓力的不同進(jìn)行選擇應(yīng)用。

煤層氣增壓壓比高、氣量變化范圍大、壓縮介質(zhì)為簡單分離的未凈化的煤層氣，要求壓縮機(jī)變工況能力比較強(qiáng)。往復(fù)式壓縮機(jī)具有這種性能，可通過調(diào)節(jié)余隙、調(diào)整單雙作用和改變轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變工況運(yùn)行，最大排氣量范圍45%～100%。因此，往復(fù)式壓縮機(jī)在煤層氣田集輸工程中應(yīng)用較多。沁水盆地煤層氣氣田樊莊和鄭莊區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)工程和處理廠工程中均采用了往復(fù)式壓縮機(jī)。

2.2 螺桿式壓縮機(jī)

國內(nèi)生產(chǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿壓縮機(jī)的技術(shù)成熟可靠，使用壽命較長，維護(hù)維修方便；而燃?xì)怛?qū)動(dòng)螺桿壓縮機(jī)技術(shù)相對(duì)較弱，使用壽命較短及維護(hù)維修工程量大，國內(nèi)實(shí)際工程應(yīng)用較少。由于螺桿式壓縮機(jī)的工況適應(yīng)性強(qiáng)，采用變頻調(diào)節(jié)方式，排氣量調(diào)節(jié)范圍大，可從 10%到 100%。因此，近年來電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿壓縮機(jī)在煤層氣田廣泛使用。

電驅(qū)螺桿壓縮機(jī)在低壓、低產(chǎn)氣田及煤層氣增壓有一些應(yīng)用業(yè)績，其進(jìn)口壓力一般小于0.5MPa，出口壓力 1～2MPa，排量 2×104～20×104m3/d。目前，國內(nèi)煤層氣田應(yīng)用較成熟的螺桿壓縮機(jī)主要是小排量（不大于10×104m3/d）壓縮機(jī)。國內(nèi)最大排量（20×104m3/d）首次應(yīng)用是在樊十集氣站，經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行，存在噪音大等問題，配套技術(shù)不太成熟，不具備大面積推廣的條件。沁水盆地煤層氣氣田夏店區(qū)塊和樊莊區(qū)塊后續(xù)產(chǎn)能建設(shè)工程中應(yīng)用的是排量不大于10×104m3/d的螺桿壓縮機(jī)。

3 結(jié)語

由于煤層氣田的開發(fā)機(jī)理不同于天然氣田，煤層氣的上產(chǎn)有一個(gè)緩慢過程，因而，壓縮機(jī)的運(yùn)行要考慮投產(chǎn)初期規(guī)模達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)模的情況。今后，在煤層氣田的開發(fā)建設(shè)中，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方案應(yīng)合理配置，以保證其運(yùn)行安全、高效、經(jīng)濟(jì)。在已建的煤層氣工程中，螺桿壓縮機(jī)一般使用在 5×104～10×104m3/d的小氣量增壓條件下工況較穩(wěn)，效率較高。因此，煤層氣田集輸中推薦處理氣量小于10×104m3/d使用螺桿壓縮機(jī)，大氣量（超過20×104m3/d）使用往復(fù)式壓縮機(jī)，也可根據(jù)具體項(xiàng)目情況采用兩種壓縮機(jī)混合配置方案。

[1] 王紅霞.煤層氣集輸與處理[M].北京： 中國石化出版社，2013： 8-20.

[2] 薛崗，許茜，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化[J].天然氣工業(yè)，2010，30(6)：87-90.

[3] 許茜，薛崗，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊采氣管網(wǎng)的優(yōu)化[J].天然氣工業(yè)，2010，30(6)：91-93.

[4] 劉燁，巴璽立，劉忠付，等.煤層氣地面工程工藝技術(shù)和優(yōu)化分析[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2008，19(4)： 34-37.

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