往復(fù)式壓縮機(jī)出口天然氣溫度控制措施研究

溫立憲，蔣海濤，呂海霞，李增增，劉 佳，王 浩，郝 麗，楊 琴

（中國石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西靖邊 718500）

隨著靖邊氣田的持續(xù)開發(fā)，地層壓力不斷降低，大部分氣藏已進(jìn)入遞減期，為了提升氣田綜合開采效益，提高氣藏采收率，氣田逐步實(shí)施增壓開采。增壓開采后，壓縮機(jī)出口天然氣進(jìn)入脫水橇進(jìn)行脫水處理，ZY1、ZY2、ZY3、ZY4、ZY5、ZY6 等 6 座增壓站夏季生產(chǎn)時(shí)壓縮機(jī)的出口溫度超過下游脫水橇設(shè)計(jì)最高溫度30℃，造成外輸天然氣的水露點(diǎn)超出控制指標(biāo)。因此，有必要對(duì)壓縮機(jī)出口天然氣溫度控制措施進(jìn)行研究，提出可行控制措施將脫水橇進(jìn)口天然氣溫度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，確保脫水橇外輸天然氣露點(diǎn)達(dá)標(biāo)，保障集輸管線高效、安全運(yùn)行。

1 溫度對(duì)脫水效果影響分析

靖邊氣田集氣站采用三甘醇脫水工藝[1]對(duì)原料天然氣進(jìn)行脫水處理，使用HYSYS過程仿真模擬天然氣三甘醇脫水處理裝置，研究不同進(jìn)氣溫度下三甘醇的脫水效果，HYSYS三甘醇脫水工藝PFD（見圖1）。在本模型中，使用Peng-Robinson方法，此方法以PR狀態(tài)方程為基礎(chǔ)求解物質(zhì)的熵、焓、逸度、吉布斯自由能、溫度、體積、壓力等熱力學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)都是化工過程計(jì)算、分析中不可缺少的重要依據(jù)。PR狀態(tài)方程具有廣泛的適用性和較高的精度，特別是在TEG脫水的氣液平衡模型中表現(xiàn)出良好的收斂性和較高的精度。

按氣量為50×104m3/d，增壓前天然氣的壓力為3.5 MPa、溫度為20℃，天然氣為飽和含水，增壓后壓力為5.4 MPa，按脫水橇塔底分離器游離水脫除率為100%考慮。模擬分析可知，當(dāng)壓縮機(jī)出口天然氣溫度由20℃升至25℃，天然氣處于飽和狀態(tài)，含水量增大導(dǎo)致脫水負(fù)荷增大；當(dāng)壓縮機(jī)出口天然氣溫度由30℃升至50℃，天然氣處于非飽和狀態(tài)，含水量及脫水負(fù)荷均不變。模擬結(jié)果具體（見表1）。

三甘醇濃度為98%，循環(huán)量為625 L/h（KIMARY 45015PV循環(huán)泵泵次10次/分），對(duì)不同溫度情況下三甘醇脫水流程進(jìn)行模擬。模擬分析可知，當(dāng)壓縮后天然氣溫度由30℃升至50℃，在含水量不變的情況下露點(diǎn)急劇下降。模擬結(jié)果具體（見表2）。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)出口溫度影響因素分析

能量轉(zhuǎn)換裝置中工質(zhì)所進(jìn)行的各種熱力過程，其過程方程式[2]通常都可以近似地表示為下述形式：

式中：n可以為任何常數(shù)，當(dāng)n取不同的數(shù)值時(shí)，狀態(tài)參數(shù)的變化過程不同，而過程的性質(zhì)也不同。因而式（1）代表了無窮多個(gè)性質(zhì)不同的過程，這類過程統(tǒng)稱為多變過程，而指數(shù)n稱為多變指數(shù)。

當(dāng) n＝0 時(shí)，P1＝P2=K，即為定壓過程；

圖1 HYSYS三甘醇脫水工藝PFD圖

表1 不同溫度情況下需脫除水量計(jì)算表

表2 不同溫度情況下脫水橇后露點(diǎn)計(jì)算

當(dāng)n=1時(shí)，P1V1=P2V2=K，即為定溫過程；

天然氣在壓縮機(jī)中的壓縮過程介于定溫過程與絕熱過程之間，1＜n＜k。過程指數(shù)越小，壓縮機(jī)排氣溫度越低，同時(shí)所需消耗的外功也越小。

由絕熱過程方程式和氣體狀態(tài)方程式，可以得到多變過程氣體初終狀態(tài)參數(shù)的如下關(guān)系式：

式中：T1、T2-多變壓縮時(shí)的吸、排氣溫度，K；P1、P2-多變壓縮時(shí)的吸、排氣壓力，MPa；n-多變指數(shù)。

由式（2）可知，在多變指數(shù)不變的情況下，受集輸管網(wǎng)系統(tǒng)壓力限制壓縮機(jī)出口的壓力基本不變，隨著氣田增壓開采時(shí)間的延長(zhǎng)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不斷降低，使得壓縮比不斷增大，造成排氣溫度持續(xù)升高，在增壓開采的短時(shí)間內(nèi)壓縮比不變，壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣溫升高也會(huì)造成排氣溫度升高?？偨Y(jié)分析，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力降低、壓縮比增大是氣田增壓開采的需要，在不考慮壓縮機(jī)因活塞環(huán)、氣閥泄漏、潤(rùn)滑不良等故障因素使排氣溫度高的條件下，同時(shí)結(jié)合靖邊氣田集氣站工藝運(yùn)行實(shí)際，壓縮機(jī)排氣溫度主要受進(jìn)口溫度、壓縮機(jī)運(yùn)行工況的影響。

圖2 四種典型熱力過程的P-V圖及T-S圖

3 往復(fù)式壓縮機(jī)出口溫度控制措施研究

3.1 加熱工藝優(yōu)化可行性分析

為分析加熱爐停運(yùn)對(duì)氣井節(jié)流后溫度的影響，利用HYSYS軟件選用PR（Peng Robinson）方程對(duì)節(jié)流工藝進(jìn)行模擬計(jì)算。

物質(zhì)流1、3：節(jié)流前天然氣；物質(zhì)流2、4：節(jié)流后天然氣；物質(zhì)流5：節(jié)流后天然氣混合氣；VLV-100：節(jié)流閥；MIX-100：混合器。

夏季，僅ZY6站上游集氣站內(nèi)加熱爐正常運(yùn)行，從ZY6站輻射增壓氣井的進(jìn)站溫度、節(jié)流前溫度、節(jié)流后溫度對(duì)比分析可知，氣井雖存在節(jié)流降溫效應(yīng)，但由于加熱爐運(yùn)行使得節(jié)流后的溫度遠(yuǎn)高于氣井的進(jìn)站溫度，其中JQ2站J10井、JQ6站J24井加熱節(jié)流后溫度高出進(jìn)站溫度高達(dá)15℃。經(jīng)模擬分析，將ZY6增壓站上游集氣站內(nèi)的加熱爐停運(yùn)，利用氣井節(jié)流降壓降溫效應(yīng)可有效降低天然氣的溫度，混合后天然氣的溫度也明顯下降，且各氣井的溫度均高于5℃，能夠滿足氣井節(jié)流降壓需求，建議在夏季將集氣站內(nèi)的加熱爐停運(yùn)，從而較大幅度地降低壓縮機(jī)進(jìn)口溫度。具體分析結(jié)果（見表3）。

表3 ZY6增壓站加熱爐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

表3 ZY6增壓站加熱爐運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表（續(xù)表）

3.2 空氣進(jìn)風(fēng)量調(diào)節(jié)可行性分析

DPC-2803型壓縮機(jī)空冷器為水平鼓風(fēng)式空冷器，翅片管為滾花型翅片管，設(shè)有三組換熱管束，一組為冷卻液換熱管束，兩組為天然氣換熱管束，具體設(shè)計(jì)參數(shù)（見表 4）。

表4 壓縮機(jī)配套空冷器設(shè)計(jì)工藝條件一覽表

夏季運(yùn)行期間，ZY1、ZY3增壓站的壓縮機(jī)出口溫度分別為57℃、53℃，超出空冷器設(shè)計(jì)出口溫度50℃。為保證ZY1、ZY3站壓縮機(jī)出口天然氣溫度在配套空冷器設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，利用eAjax壓縮機(jī)工況計(jì)算軟件核算壓縮機(jī)參數(shù)，利用HTRI換熱軟件核算空冷器參數(shù)[3]。

在處理氣量不變的情況下，通過增大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，采用變頻調(diào)速方式增加冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，提高空冷器進(jìn)風(fēng)量，同時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)余隙使得進(jìn)氣壓力不變，從而降低冷卻后天然氣溫度。分析可知，通過提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)大余隙，保持進(jìn)氣壓力及處理氣量不變的情況下，ZY3站壓縮機(jī)空冷器冷卻后天然氣溫度可控制在設(shè)計(jì)溫度上限以內(nèi)，但ZY1站壓縮機(jī)受余隙開度限制冷卻后天然氣溫度仍高出設(shè)計(jì)溫度上限4.54℃，具體核算（見表 5）。

3.3 壓縮機(jī)進(jìn)出口天然氣換熱分析

ZY7增壓站安裝管殼換熱器對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)出口天然氣進(jìn)行換熱，其中壓縮機(jī)出口天然氣（熱）走管程，進(jìn)口天然氣（冷）走殼程，殼程內(nèi)設(shè)置7組折流板使得進(jìn)口天然氣（冷）在殼程的流通面積增大，停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而提高冷、熱流體的換熱效果。通過與進(jìn)口天然氣（冷）進(jìn)行換熱管，出口天然氣（熱）溫度從50℃降至30℃，接近脫水橇進(jìn)口天然氣溫度上限30℃，有效提升三甘醇脫水效果，確保外輸露點(diǎn)達(dá)標(biāo)。管殼換熱器的技術(shù)參數(shù)（見表 6）。

為分析增設(shè)管殼式換熱器對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)出口天然氣進(jìn)行換熱的效果，利用HTRI及HYSYS軟件模擬計(jì)算，換熱過程模擬流程（見圖3）。

對(duì)夏季壓縮機(jī)出口天然氣最高溫度下的工況進(jìn)行模擬分析，利用管殼式換熱器對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口與出口天然氣進(jìn)行換熱可有效降低進(jìn)熱流體的溫度，其中ZY4、ZY5、ZY6增壓站換熱后天然氣溫度可控制在吸收塔進(jìn)氣溫度上限30℃以內(nèi)，但ZY1、ZY2、ZY3站因氣井進(jìn)站溫度超出管殼換熱器冷流體進(jìn)口溫度上限15℃，導(dǎo)致?lián)Q熱后天然氣溫度仍超出吸收塔進(jìn)氣溫度上限30℃，會(huì)對(duì)脫水效果產(chǎn)生一定影響。具體模擬結(jié)果（見表7）。

表5 不同轉(zhuǎn)速及余隙情況下排氣溫度

表6 管殼換熱器技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 壓縮機(jī)進(jìn)出口天然氣換熱模擬流程圖

表7 不同工況情況下?lián)Q熱模擬計(jì)算

4 結(jié)論

（1）氣田實(shí)施增壓開采后，壓縮機(jī)出口天然氣溫度升高增大了脫水負(fù)荷，模擬分析當(dāng)溫度由30℃升至50℃，在含水量不變的情況下露點(diǎn)急劇下降。

（2）利用HYSYS軟件模擬分析可知，夏季時(shí)將王家莊增壓輻射上游集氣站內(nèi)的加熱爐停運(yùn)，各氣井節(jié)流后溫度均高于5℃，不僅能夠滿足氣井節(jié)流降壓需求，而且可有效降低混合后天然氣溫度；ZY1、ZY2、ZY3、ZY4站夏季運(yùn)行期間加熱爐雖已停運(yùn)，但氣井的進(jìn)站溫度較高，混合后天然氣的溫度仍較高。

（3）利用eAjax壓縮機(jī)工況計(jì)算軟件及HTRI換熱軟件模擬分析可知，在保持進(jìn)氣壓力及處理氣量不變的情況下，通過增大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變頻增大空冷器轉(zhuǎn)速可較小幅度地降低冷卻后溫度，ZY3站壓縮機(jī)空冷器冷卻后天然氣溫度仍高出設(shè)計(jì)溫度上限4.54℃，ZY1站壓縮機(jī)空冷器冷卻后天然氣溫度可控制在設(shè)計(jì)溫度上限以內(nèi)。

（4）利用HYSYS軟件模擬分析可知，增設(shè)管殼式換熱器對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)口與出口天然氣進(jìn)行換熱，可有效降低進(jìn)脫水橇的天然氣溫度，其中ZY4、ZY5、ZY6增壓站換熱后天然氣溫度可控制在吸收塔進(jìn)氣溫度上限30℃以內(nèi)，但ZY1、ZY2、ZY3站因氣井進(jìn)站溫度高導(dǎo)致壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣溫度超出管殼換熱器冷流體進(jìn)口溫度上限15℃，造成換熱后天然氣溫度仍高于吸收塔進(jìn)氣溫度上限30℃，會(huì)對(duì)三甘醇脫水效果產(chǎn)生一定影響。