往復式天然氣壓縮機現(xiàn)場應用的優(yōu)化淺析*

王凌寒 車強

（1.中石化石油機械股份有限公司研究院；2.中石化石油機械裝備重點實驗室）

往復式壓縮機是操作靈活且最有效的壓縮機機型之一，擁有最為廣泛的參數(shù)范圍：容積流量、進排氣壓力范圍和功率范圍等，因此被廣泛用于天然氣工業(yè)的各領域：包括井口氣增壓回收、管道氣增壓輸送、儲氣庫注采氣、氣舉采油、高壓注氣、CNG/LNG利用等。根據(jù)操作目的和工況參數(shù)的不同，往復式壓縮機的優(yōu)化可以有不同的含義：提高生產(chǎn)效率、提高可靠性、避免故障、降低碳排放等。主要探討的是提高生產(chǎn)能力、節(jié)能降耗、現(xiàn)場監(jiān)測和維護等優(yōu)化措施。

1 在井口增壓采氣過程中的優(yōu)化

在井口增壓采氣應用中，隨著天然氣儲層壓力的遞減，機組進氣壓力降低，須定期對壓縮機組進行優(yōu)化以適應工況的改變，使壓縮機組最大限度地降低進氣壓力，同時提高排量。

在增壓采氣應用中，影響壓縮機生產(chǎn)能力的因素有多種：氣缸余隙容積；運轉速度；吸入壓力；由活塞環(huán)、進排氣閥及填料等氣密性決定的氣缸泄露損失；其他因素，如氣體組分、進氣溫度、氣缸冷卻情況等。

下面通過設置氣缸余隙容積來提高壓縮機組生產(chǎn)能力[1]。機組為3級壓縮、4列結構布置的Ariel JGT/4機型，表1為當前工作條件。

表1 當前操作條件

表1所示，兩個一級氣缸余隙缸打開0.5 in，運行速度為900 r/min（額定轉速為1200 r/min）。通過關閉余隙缸，并將轉速提高到1200 r/min，將得到壓縮機的進氣壓力降低，流量增加的結果，見表2。

表2 前后結果對比

表2表明，這種優(yōu)化的結果是吸入壓力降低0.5 MPa、流量增加2.6×104m3/d。

改變氣缸余隙容積：氣缸余隙容積越大，當活塞壓縮至終點往回運動時，由于余隙內(nèi)的高壓氣體在吸氣時產(chǎn)生膨脹而占去氣缸的有效容積，以至吸入新鮮氣量減少，使壓縮機的生產(chǎn)能力下降，容積效率減小。由此，減小氣缸的余隙容積可以增大壓縮機的生產(chǎn)能力。但余隙過小也會造成積炭、撞缸的可能性。

2 調(diào)節(jié)流量，節(jié)能降耗

在機組安全運行情況下，如何節(jié)能降耗是優(yōu)化的重要部分。現(xiàn)場應用中，當氣田的開采量小于機組的設計排量時，機組未被充分利用，此時需要通過調(diào)節(jié)來節(jié)能降耗。

2.1 流量調(diào)節(jié)的方法

現(xiàn)場應用中，壓縮機的流量需要根據(jù)氣井的生產(chǎn)量調(diào)整。往復式壓縮機的流量調(diào)節(jié)的方法主要有[2-3]：

1）旁路調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方法雖然簡單可靠，但是能耗浪費嚴重、調(diào)整操作頻繁。

2）改變轉速。流量和功率隨轉速變化，這種方法簡單可靠。內(nèi)燃機驅(qū)動的壓縮機轉速較易改變，電動機驅(qū)動的壓縮機需要變頻裝置，成本較高。

3）調(diào)節(jié)氣缸余隙容積，目前主要采用以下兩種方式：可變?nèi)莘e余隙缸，是用來改變缸頭端余隙容積的裝置。余隙容積取決于余隙缸活塞的位置，操作方便、靈活，相對安全的；固定容積余隙缸，是提供一個固定容積的余隙裝置，一個固定余隙缸只能打開或關閉，較可變?nèi)莘e余隙缸不靈活。

4）選用單作用氣缸。在選用單作用氣缸之前，必須對整機的性能進行分析，以確保安全運行。

5）停用氣缸。前提是有多個一級壓縮氣缸，且其他卸載方法是不夠的。停用一個一級壓縮氣缸，而其他氣缸繼續(xù)工作，即被壓縮氣體體積減少0～50%。

2.2 案例研究

案例一：井口增壓采氣工況下，壓縮機組為燃驅(qū)的3級壓縮/771 kW往復式壓縮機，氣井生產(chǎn)流量由原來的4.53×104m3/d降低為3.68×104m3/d時，通過開啟旁通閥使功率和燃料氣節(jié)省。如表3所示?？梢酝ㄟ^先降低運行速度，然后開啟1級壓縮和2級壓縮氣缸余隙來減少機組流量，從而與3.68×104m3/d氣井生產(chǎn)能力相匹配。

由表3可知，通過降低運行速度和開啟氣缸余隙，機組已能完全關閉旁路閥，功率消耗下降16.2%，燃料氣消耗下降16.7%（即減少燃氣消耗500 m3/d，按照市場燃氣價格約每立方2.5元，燃氣消耗每天節(jié)省1250元，即每年單臺機組可節(jié)省費用45萬元）。

表3 優(yōu)化配置后的結果對比

案例二：往復式壓縮機在氣舉采油應用中，為了實現(xiàn)高壓縮比，氣舉壓縮機通常配置3級或4級壓縮，在每級壓縮有氣體再循環(huán)。再循環(huán)氣體使每級壓縮保持所需的壓縮比，因此，該壓縮系統(tǒng)通常工作在一個穩(wěn)定模式下的狀態(tài)[4]。

下面的案例描述了氣舉壓縮機通過調(diào)整余隙容積減少天然氣再循環(huán)量。該氣舉壓縮機為3級壓縮/3568 kW的往復式壓縮機。通過調(diào)整一級氣缸余隙容積來減少一級壓縮氣體再循環(huán)量，從而提高壓縮機的效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。表4列出了一級壓縮重新配置前后的結果。

表4 優(yōu)化配置后的結果對比

由表4可知，優(yōu)化后一級氣缸氣體再循環(huán)量下降20.7%，耗電量下降5%，即減少電力消耗4256 kWh/d，按照市場電費價格約每千瓦時0.8元，電力消耗每天節(jié)省3400元，即每年單臺機組可節(jié)省費用120余萬元。

3 狀態(tài)監(jiān)測與維護

3.1 往復式壓縮機的局限性

往復式壓縮機有其局限性和操作限制，為確保安全運行，必須受到重視。下面是最常見的限制因素：

1）排氣溫度。壓縮過程中氣體溫度將升高，必須確保每個壓縮階段的排氣溫度不超過活塞環(huán)、支撐環(huán)、氣閥、排氣管和冷卻器等關鍵部件的最高設計溫度。根據(jù)API618規(guī)定，最高排氣溫度不應超過150℃。

2）桿載。往復式壓縮機有一個額定的活塞桿桿載，也可以稱為機體部件可承受的連續(xù)工作負荷。為了安全運行，桿載超過額定桿載的95%時需監(jiān)測桿載值。

3）容積效率。容積效率是壓縮機有效排量與壓縮機行程容積的比率。也可看作是氣缸的實際泵送能力與行程容積相比。為避免氣閥組件破損，容積效率應保持大于20%。

4）反向角。為確保對十字頭銷足夠的潤滑和冷卻，在活塞桿載荷方向有一個反向角，為了安全運行，應大于給定的反向角。

5）轉速。壓縮機運轉速度應保持低于或等于生產(chǎn)廠家規(guī)定的額定轉速，但同時高于壓縮機和驅(qū)動機的最低臨界速度。

3.2 狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測是監(jiān)測機組運行狀態(tài)參數(shù)，在往復式壓縮機的現(xiàn)場應用中具有重要意義：識別和預測潛在故障，減少意外停機；提高零部件使用壽命；提高可靠性；提高效率；提供歷史數(shù)據(jù)庫圖表和趨勢分析；提高資產(chǎn)利用率，識別隱藏的生產(chǎn)潛力。

狀態(tài)監(jiān)測主要有以下檢查：每日記錄參數(shù)、目視檢查、舊油分析、振動分析、閥蓋溫度記錄、紅外攝像機記錄、第三方監(jiān)測系統(tǒng)等。以上的狀態(tài)監(jiān)測參考值是基于與標準值、預期值或范圍的偏差，這些偏差不只是由磨損或者失效的零部件引起的，也可能是由流量、進排出壓力、外界溫度和氣體組分等的變化引起的。

圖1是Dresser Rand公司進行的行業(yè)調(diào)查，評估導致往復壓縮機計劃外停機的主要因素。由圖所示，氣閥、壓力填料、工藝問題、活塞環(huán)、支撐環(huán)、卸荷器和氣缸潤滑系統(tǒng)被鑒定為不定期停機的7大主要原因，占計劃外停機因素的79.6%，它們都可以通過狀態(tài)監(jiān)測來減少故障。氣閥破損占計劃外停機因素的36%，是非計劃停機的主要原因，在壓縮機運行早期階段檢測氣閥損壞對于避免故障是很有必要的。

3.3 運行維護

重點分析往復式壓縮機組現(xiàn)場應用過程中關鍵的維護問題：氣缸漏氣、低容積效率、高桿載、低反向角等。

圖1 導致壓縮機非正常停機的原因

3.3.1 氣缸漏氣

氣缸漏氣是由進排氣閥、活塞環(huán)、氣缸填料的低氣密性引起的，可導致氣缸組件損傷和氣缸溫度升高。漏氣的影響為排量和生產(chǎn)效率降低，漏氣引起氣體再循環(huán)，再循環(huán)氣體在一級壓縮過程中占用新的氣體可占用的容積。吸入壓力提高，氣缸壓縮氣體的能力降低，吸入壓力將上升。資產(chǎn)損失，氣閥零件可能劃傷氣缸壁，見圖2。

圖2 氣缸刮傷圖

綜上所述，氣缸漏氣可通過觀察吸入壓力、氣體溫升、壓縮比等監(jiān)測參數(shù)來預測。當氣閥損壞時，漏氣特征趨勢如圖3所示。當活塞環(huán)磨損時，漏氣特征趨于線性增加，然后穩(wěn)定在一個較高的漏氣，如圖4所示。

圖3 閥門損壞漏氣特征趨勢

圖4 活塞環(huán)磨損漏氣特征趨勢

3.3.2 低容積效率

容積效率是壓縮機實際排量與行程容積的比值[5]。由于壓縮機不能提供相當于其容積的氣體量，所以容積效率始終小于100%。容積效率是隨氣缸余隙容積、氣缸漏氣、氣體的組分變化而改變的。根據(jù)以下理論公式可推斷，當氣缸余隙容積增加時，容積效率降低。

式中：λV——容積效率；a——相對余隙容積；m——膨脹過程指數(shù)；ε——氣體的壓力比；Zs、Zd——進氣、排氣狀態(tài)的壓縮系數(shù)。

由于低容積效率的氣缸幾乎沒有做功，同時容積效率低于20%會導致氣閥磨損率的增加，增加維護的成本。監(jiān)測每個氣缸的容積效率，確保維持在20%以上。

3.3.3 高桿載

桿載是壓縮機的另一個結構極限因素，有兩種類型的桿載：靜態(tài)桿載和動態(tài)桿載。靜桿載是指在壓縮過程施加在活塞、活塞桿和軸承上的力。動桿載是往復運動部件高速運動的結果，是靜態(tài)和慣性桿載的綜合載荷，見圖5。

壓縮機運行時，必須確保桿載不超過額定桿載。壓縮機的運行條件發(fā)生任何改變時，必須重新計算桿載，以確保不超過額定值。較好的做法是監(jiān)測桿載，接近額定桿載95%，同時監(jiān)測氣閥的狀況。

圖5 動態(tài)桿載

3.3.4 低反向角

反向角是另一個重要的監(jiān)測參數(shù)。反向角對十字頭銷的潤滑有極為重要的影響[6]，隨著曲軸旋轉，當桿載被施加到十字頭銷一側時，在十字頭銷和連桿襯套之間產(chǎn)生有限的間隙，活塞桿的受力方向發(fā)生翻轉，反轉角度的大小和持續(xù)時間必須允許潤滑油填充這些有限的間隙，以實現(xiàn)對十字頭銷與襯套摩擦副之間足夠的潤滑和冷卻。如果由于力的不平衡引起十字頭銷只受單側的力或反向角度與持續(xù)時間不夠，將由于不能正常潤滑而導致十字頭銷和襯套的快速磨損。

產(chǎn)生低反向角的主要原因有：低轉速、單作用氣缸；氣閥損壞；大活塞桿對應小活塞；高壓力下的高壓縮比。

4 結語

從提高生產(chǎn)能力、節(jié)能降耗兩方面通過對往復式天然氣壓縮機分析內(nèi)在因素，結合現(xiàn)場應用案例，探討了壓縮機現(xiàn)場應用的優(yōu)化措施。通過不斷的優(yōu)化，對于不同工況下，可以提高壓縮機的利用率，有助于確保天然氣田的最大生產(chǎn)壽命，同時節(jié)省機組使用功率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

在狀態(tài)監(jiān)測和運行維護方面，通過分析往復式壓縮機關鍵結構限制因素，重點分析往復式壓縮機現(xiàn)場運行時應注意的關鍵的監(jiān)測和維護問題：氣缸漏氣、低容積效率、高桿載、低反向角等。