調(diào)峰型地下儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)選型配置建議

王鐵軍 齊德珍 王赤宇 郝顏杰 張紅軍 吳玉琰

1. 中油工程項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院, 天津 300457; 2. 中國石油塔里木油田公司迪那油氣開發(fā)部, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

注氣期,調(diào)峰型地下儲(chǔ)氣庫中天然氣將經(jīng)注氣裝置過濾、增壓后注入地層,注氣壓縮機(jī)是注氣裝置的核心設(shè)備。作為連接上游長輸管道及地下儲(chǔ)氣庫的樞紐,注氣裝置應(yīng)滿足儲(chǔ)氣庫整個(gè)注氣期內(nèi)工況要求,而在一個(gè)注氣期內(nèi),注氣量及注氣壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力等多變,對(duì)注氣壓縮機(jī)選型提出了更高要求。因此,確定注氣規(guī)模,進(jìn)而確定注氣壓縮機(jī)數(shù)量及類型是注氣裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 地下儲(chǔ)氣庫注氣規(guī)模的確定

地下儲(chǔ)氣庫按照氣庫作用分為調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫和戰(zhàn)略儲(chǔ)備型儲(chǔ)氣庫[1],目前國內(nèi)已建儲(chǔ)氣庫以季節(jié)調(diào)峰型地下儲(chǔ)氣庫為主[2]。

對(duì)于調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫,注氣規(guī)模的確定既要考慮地下儲(chǔ)氣庫的儲(chǔ)氣能力,又要結(jié)合長輸管道供氣能力及用戶調(diào)峰需求[3]。首先需預(yù)測出市場天然氣需求量、天然氣需求結(jié)構(gòu)以及用戶的不均勻性,再計(jì)算出市場需要的調(diào)峰量,最后根據(jù)儲(chǔ)氣庫氣藏特性分析擬選儲(chǔ)氣庫是否滿足市場需求,進(jìn)而明確儲(chǔ)氣庫注氣規(guī)模[4]。國內(nèi)已建調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫注氣規(guī)模一般根據(jù)儲(chǔ)氣庫的有效工作氣量,在均注基礎(chǔ)上,考慮1.1～1.2倍系數(shù)來確定。以已建大港油田板南儲(chǔ)氣庫為例[5],該庫的設(shè)計(jì)工作氣量為4.27×108m3,注氣期為220 d,考慮均注則每天的注氣量為194×104m3/d,在此基礎(chǔ)上考慮1.2倍系數(shù),因此確定注氣規(guī)模為240×104m3/d。該規(guī)定非硬性指標(biāo),根據(jù)大港已建儲(chǔ)氣庫的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),最高日注氣量與日均注氣量的比值會(huì)達(dá)到1.6以上,而儲(chǔ)氣庫無法實(shí)現(xiàn)均注的理想狀態(tài)。某儲(chǔ)氣庫群2017-2019年一個(gè)注氣期內(nèi)的日注氣變化見圖1,根據(jù)三年的統(tǒng)計(jì),最高日注氣量與日均注氣量的比值分別達(dá)到1.7、2.0、1.8。

圖1 某儲(chǔ)氣庫群2017-2019年注氣期日注氣量變化圖Fig.1 The daily injection rate in a gas storage groupduring the injection period of 2017-2019

此外根據(jù)國內(nèi)某儲(chǔ)氣庫運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),該庫設(shè)計(jì)工作氣量為1.89×108m3,設(shè)計(jì)注氣期為220 d,設(shè)計(jì)注氣規(guī)模為100×104m3/d,該庫共有9口注氣井可用于注氣。根據(jù)近年來實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì),該庫實(shí)際年注氣一般在1.2×108m3左右,遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)工作氣量要求,經(jīng)現(xiàn)場分析主要是由于受修井作業(yè)、壓縮機(jī)本體及發(fā)動(dòng)機(jī)故障、壓縮機(jī)定期保養(yǎng)及其他不確定因素等影響,實(shí)際注氣天數(shù)遠(yuǎn)低于220 d,因此在一個(gè)注氣期內(nèi)注氣量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)有效工作氣量。

綜上,由于儲(chǔ)氣庫選址的稀缺性及天然氣供需分析預(yù)測存在不確定性[6],建議對(duì)于季節(jié)調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫不應(yīng)局限于根據(jù)均注考慮1.1～1.2倍系數(shù)確定注氣規(guī)模,應(yīng)對(duì)注氣期管道的可供氣量確定適宜的調(diào)峰系數(shù),在投資允許及庫容滿足的情況下,盡可能增大注氣裝置規(guī)模,以便最大程度利用儲(chǔ)氣庫庫容,并且減少后期擴(kuò)建改造。

2 國內(nèi)已建儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)選型

注氣壓縮機(jī)選型與匹配主要包括確定機(jī)組的型式、臺(tái)數(shù)和驅(qū)動(dòng)機(jī)型式[7]。機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)包括入口壓力、入口流量以及出口壓力等,各項(xiàng)參數(shù)需要綜合氣源參數(shù)、長輸管道系統(tǒng)參數(shù)及儲(chǔ)氣庫注氣期運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化確定[8]。對(duì)于儲(chǔ)氣庫來說機(jī)組臺(tái)數(shù)匹配的基本原則為不設(shè)置備用,盡可能地選用大功率機(jī)組,機(jī)組臺(tái)數(shù)不少于2臺(tái)兼顧出現(xiàn)小流量的工況。在需要設(shè)置采氣增壓流程時(shí),注氣壓縮機(jī)應(yīng)按照注氣工況進(jìn)行選型,同時(shí)兼顧適應(yīng)采氣增壓工況。

目前，國內(nèi)已建地下儲(chǔ)氣庫主要為枯竭氣藏型地下儲(chǔ)氣庫,此類儲(chǔ)氣庫地層埋層深,地層壓力高,隨著天然氣不斷注入,地層壓力不斷升高,壓縮機(jī)出口壓力波動(dòng)大。國內(nèi)儲(chǔ)氣庫建設(shè)早期,儲(chǔ)氣庫注氣規(guī)模小,一般在500×104m3/d以下,由于往復(fù)式壓縮機(jī)更能適應(yīng)出口壓力高、波動(dòng)范圍大,且入口條件相對(duì)不穩(wěn)定的情況,在注氣效率、操作靈活性等方面具有突出優(yōu)勢[9],因此目前已建儲(chǔ)氣庫均采用往復(fù)式壓縮機(jī)作為注氣裝置設(shè)備,國內(nèi)已建季節(jié)調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)配置情況見表1。國內(nèi)已研制出功率6 000 kW、注氣壓力43 MPa、轉(zhuǎn)速1 000 r/min的往復(fù)式壓縮機(jī)組,已在蘇橋儲(chǔ)氣庫安全平穩(wěn)運(yùn)行超800 h[10]。

3 國外儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)選型

美國儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)大多采用往復(fù)式壓縮機(jī)[11],而歐洲國家的天然氣主要依賴進(jìn)口,且國土面積相對(duì)較小,對(duì)于大型儲(chǔ)氣庫多采用離心壓縮機(jī)或離心壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)組合的配置,以大幅減少機(jī)組數(shù)量,降低設(shè)備投資和占地面積。

表1 國內(nèi)已建季節(jié)調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)配置情況表

荷蘭Shell公司所屬Norg儲(chǔ)氣庫,總庫容達(dá)到280×108m3,工作氣量為30×108m3,注氣量為1 200×104～2 400×104m3/d,最高工作壓力為30 MPa，注氣系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)38 MW電驅(qū)離心式壓縮機(jī),不設(shè)備用[12],轉(zhuǎn)速為10 558 r/min,不設(shè)置備用。

德國Wintershall公司Rehden儲(chǔ)氣庫采用枯竭氣藏建庫,注采井工作壓力為11～28 MPa,總有效工作氣量為42×108m3,最大注氣量為3 360×104m3/d。壓縮機(jī)全部采用離心式壓縮機(jī)兩段增壓，一段有5臺(tái),全部為燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng),其中2臺(tái)10 MW、2臺(tái)9 MW、1臺(tái)25 MW,入口壓力為6～8 MPa,出口壓力為21 MPa;二段有2臺(tái),電機(jī)驅(qū)動(dòng),均為12.5 MW,入口壓力為21 MPa,出口壓力為26 MPa。

4 儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)選型配置建議

4.1 離心式壓縮機(jī)在儲(chǔ)氣庫中應(yīng)用初探

隨著儲(chǔ)氣庫的不斷建設(shè),國內(nèi)出現(xiàn)了規(guī)模較大的儲(chǔ)氣庫,有效工作氣量20×108m3的儲(chǔ)氣庫若選用往復(fù)式壓縮機(jī),數(shù)量已達(dá)到8臺(tái),為減少壓縮機(jī)數(shù)量,急需開展研究離心式壓縮機(jī)在地下儲(chǔ)氣庫運(yùn)行工況下的適應(yīng)性與可行性。

離心式壓縮機(jī)具有排量大、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),但流量調(diào)節(jié)范圍較小,小流量運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生喘振。目前，專門用于儲(chǔ)氣庫的壓縮機(jī)為單軸多級(jí)垂直剖分壓縮機(jī),壓縮機(jī)的出口最高壓力可達(dá)90 MPa,出口壓力>35 MPa 的超高壓壓縮機(jī),實(shí)際入口流率范圍為250～480 000 m3/h,轉(zhuǎn)速為3 000～20 000 r/min。離心式壓縮機(jī)可以通過變轉(zhuǎn)速和防喘振旁路的組合方式調(diào)節(jié)氣量和出口壓力范圍,變工況調(diào)節(jié)時(shí)首先采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),當(dāng)單獨(dú)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速不能滿足要求時(shí),通過控制防喘振閥門的開度進(jìn)行旁路調(diào)節(jié)[13],某儲(chǔ)氣庫的離心式壓縮機(jī)性能曲線見圖2。

圖2 離心式壓縮機(jī)性能曲線圖Fig.2 The performance curve of centrifugal compressors

離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中55%的故障來自于潤滑和密封系統(tǒng),為提高機(jī)組安全可靠性[14],世界各大壓縮機(jī)廠商相繼開發(fā)了基于電磁軸承的一體式無油潤滑壓縮機(jī)系統(tǒng)。整體式磁懸浮電驅(qū)離心式壓縮機(jī)將電機(jī)與壓縮機(jī)封裝在一起,采用電磁軸承支撐,用流程氣冷卻[15],無潤滑油及干氣密封系統(tǒng),大大提高了壓縮機(jī)的可靠性,壓縮機(jī)的單臺(tái)功率達(dá)到22 000 kW[16],該類壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖3。采用變頻器可通過壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)適應(yīng)工況變化,轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍可達(dá)30%～105%。目前,整體式離心壓縮機(jī)在歐洲儲(chǔ)氣庫已得到廣泛應(yīng)用。往復(fù)式壓縮機(jī)、油潤滑軸承離心式壓縮機(jī)、磁力軸承離心式壓縮機(jī)的對(duì)比見表2,較之往復(fù)式壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī)具有機(jī)組數(shù)量小、占地面積小、維護(hù)費(fèi)用低、投資低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 整體式磁懸浮電驅(qū)離心式壓縮機(jī)示意圖Fig.3 Schematic diagram of integral magnetic levitationvariable frequency speed regulating centrifugal compressor

表2 三種類型壓縮機(jī)對(duì)比表

注氣初期,地層壓力較低,壓縮機(jī)一般大流量、低壓比運(yùn)行,注氣中后期,壓縮機(jī)一般低流量、高壓比運(yùn)行[17],離心式壓縮機(jī)兩級(jí)缸可串、并聯(lián),因此可以尋求通過壓縮機(jī)兩級(jí)缸的串、并聯(lián)和壓縮機(jī)組之間的串、并聯(lián)組合來滿足注氣工況需求,例如在注氣初期,運(yùn)行單臺(tái)壓縮機(jī)或2臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,在注氣末期,2臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行。通過優(yōu)化離心式壓縮機(jī)選型和調(diào)整串、并聯(lián)以及采用大、小不同機(jī)型的組合配置,離心式壓縮機(jī)也能很好地適應(yīng)儲(chǔ)氣庫的變工況運(yùn)行。例如對(duì)于采用8臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)的大型儲(chǔ)氣庫,采用2臺(tái)離心機(jī)組即可滿足氣量波動(dòng)范圍見圖4,同時(shí)可降低設(shè)備投資和占地,目前受國內(nèi)離心式壓縮機(jī)生產(chǎn)能力的限制,尚缺少出口壓力30 MPa以上儲(chǔ)氣庫用壓縮機(jī)的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例,因此,儲(chǔ)氣庫專用大排量高壓力的離心式壓縮機(jī)的研制及應(yīng)用研究,將成為下一步研究的重點(diǎn)方向。

圖4 某儲(chǔ)氣庫采用離心式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)不同注氣時(shí)間壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of the number of compressors with different injection times for a gas storage tank using a centrifugalcompressor and a reciprocating compressor

4.2 儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)選型配置建議

通過國外調(diào)研及對(duì)離心式壓縮機(jī)在儲(chǔ)氣庫中應(yīng)用可行性分析,不同規(guī)模地下儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)選型在單一采用往復(fù)式壓縮機(jī)基礎(chǔ)上,可擴(kuò)展應(yīng)用離心式壓縮機(jī)。小型儲(chǔ)氣庫可采用往復(fù)式壓縮機(jī)組合,但在注氣規(guī)模較大,單機(jī)排量限制造成壓縮機(jī)數(shù)量過多的情況下,需考慮離心式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)選型要求機(jī)組有較寬的穩(wěn)定工作區(qū),運(yùn)行工況避開喘振流量范圍[18-20],并且盡量保證單機(jī)排量下限滿足儲(chǔ)氣庫注氣波動(dòng)的下限要求。

通過對(duì)不同規(guī)模的儲(chǔ)氣庫采用往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)配置,可從經(jīng)濟(jì)性及對(duì)氣量波動(dòng)的適應(yīng)性等方面來進(jìn)行綜合對(duì)比分析,對(duì)于注氣規(guī)模小于600×104m3/d的儲(chǔ)氣庫建議采用往復(fù)式壓縮機(jī)，對(duì)于注采規(guī)模大于600×104m3/d的儲(chǔ)氣庫建議采用2臺(tái)及以上離心式壓縮機(jī)配置,同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)氣庫所需的最小調(diào)峰氣量需求,可搭配往復(fù)式壓縮機(jī)組用于注氣末期節(jié)能注氣。由于壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力范圍及氣量波動(dòng)存在不確定性,對(duì)于新建儲(chǔ)氣庫注氣壓縮機(jī)配置方案選擇應(yīng)根據(jù)具體技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選而定。

5 結(jié)論與建議

1)國內(nèi)已建調(diào)峰型儲(chǔ)氣庫一般在均注基礎(chǔ)上考慮1.1～1.2倍系數(shù)確定注氣規(guī)模,由于儲(chǔ)氣庫選址的稀缺性及天然氣供需分析預(yù)測存在不確定性,應(yīng)根據(jù)注氣期管道的可供氣量確定適宜的調(diào)峰系數(shù),在投資允許及庫容滿足的情況下,盡可能增大注氣裝置規(guī)模,以便最大程度利用庫容,減少后期擴(kuò)建改造。

2)國內(nèi)已建儲(chǔ)氣庫均采用往復(fù)式壓縮機(jī),國外對(duì)大型儲(chǔ)氣庫采用離心式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)組合使用或單純使用離心式壓縮機(jī),離心式壓縮機(jī)可滿足儲(chǔ)氣庫高壓力注氣需求。

3)對(duì)于注氣規(guī)模小于600×104m3/d的儲(chǔ)氣庫建議采用往復(fù)式壓縮機(jī)，對(duì)于注采規(guī)模大于600×104m3/d的儲(chǔ)氣庫建議采用2臺(tái)及以上離心式壓縮機(jī)組配置。