液環(huán)壓縮機系統(tǒng)在中東高含硫油田的應用

（中國石油工程建設有限公司北京設計分公司，北京 100085）

液環(huán)壓縮機目前在國內主要用于2個方面，一是腐蝕性氣體輸送，例如氯堿工業(yè)中氯氣輸送［1］，化工行業(yè)中氯化氫氣體壓縮［2-3］；二是揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）回收治理，例如火炬氣回收［4-8］、油品罐區(qū)散排氣體回收及工廠異味治理等［9］。而在中東地區(qū)，液環(huán)壓縮機還用于油田產出氣體的處理。按照中東地區(qū)對原油處理過程中各類產出物的回收利用和環(huán)保要求，液環(huán)壓縮機的設計需要滿足相關歐美標準的要求。

文中以某中東國家高含硫油田增產項目為例，結合液環(huán)壓縮機結構和性能特性，分析液環(huán)壓縮機系統(tǒng)的構成和設計考慮要點，對其在高含硫油田的應用進行介紹。

1 液環(huán)壓縮機結構和性能特性

液環(huán)壓縮機由進氣口及進氣腔、吸氣蓋、圓筒形殼體、帶葉片的轉子、排氣蓋、排氣腔及排氣口等組成，其工作原理見圖1。

圖1 液環(huán)壓縮機結構及工作原理示圖

轉子偏心安裝在殼體中，殼體中液體在離心力作用下形成與殼體同心的液環(huán)，葉片端部浸沒在液環(huán)中，液環(huán)與相鄰2個葉片未浸沒部分形成密閉腔體。隨著葉片旋轉，葉片深入液環(huán)的長度不斷變化，密閉腔體大小也不斷變化。在吸入段，密閉腔體的容量由小變大，形成負壓，從而吸入氣體（圖1中A點）。在排氣段，腔體由大變小，從而壓縮氣體（圖1中B點），如此往復交替，形成連續(xù)的壓縮工藝。

根據吸氣蓋和排氣蓋結構形式，目前市場上的液環(huán)壓縮機主要有2種主流結構，一種是以德國NASH品牌為代表的圓形端板結構，另一種是以GARO品牌為代表的錐形筒結構。液環(huán)壓縮機結構簡單，采用液體密封，排氣溫度低，工作時氣體不與殼體接觸，汽缸不需要潤滑，可用于腐蝕性氣體介質［10-11］。

2 中東地區(qū)某高含硫油田應用分析

2.1 項目背景

波斯灣沿岸某國市中心西南方向160 km的沙漠腹地油田，面積45 km×25 km，產出的原油含硫量達11%（質量分數），屬于高含硫油田。該國陸上石油公司對此油田進行開發(fā)，計劃將目前22.26×104m3/d（140萬桶 /d）的產能提高到28.62×104m3/d（180萬桶 /d），為此要改造已有中心處理站，新建中心處理站1座、預脫水站5座、注水系統(tǒng)、站外系統(tǒng)（包括單井、集油站）以及相關的電力系統(tǒng)、道路系統(tǒng)、管線連接等相關配套設施，總投資大約15.2億美元（折合人民幣約為100億元）。

該油田所產原油介質中含有大量的H2S氣體，由于其壓力較低，需要收集后增壓輸送，液環(huán)壓縮機被選擇在本項目中執(zhí)行伴生氣輸送任務。

2.2 工況介紹

預脫水站工藝流程見圖2。液環(huán)壓縮機在本項目中執(zhí)行伴生氣輸送任務，是預脫水站的重要工藝設備，與流程中的空冷器、分離器、補液罐等構成液環(huán)壓縮機系統(tǒng)［12-13］(圖3)。5座預脫水站均設置了液環(huán)壓縮機系統(tǒng)，以4號預脫水站的液環(huán)壓縮機系統(tǒng)選型設計為例進行介紹。

圖2 預脫水站工藝流程簡圖

圖3 液環(huán)壓縮機系統(tǒng)流程簡圖

介質在脫水站內脫水分離器進行油、氣、水的三相分離，分離出的伴生氣首先經凝液罐脫水，除少量用于火炬長明燈及吹掃用氣外，其余大部分進入撇油罐和回灌水罐，用于大罐氣封，出大罐后進入液環(huán)壓縮機，經增壓后輸送到中心處理站，最終送至天然氣處理廠。分離器出油直接進入原油生產匯管去往中心處理站，分出的生產水則先進入撇油罐撇油，撇出的油進入回油罐，由回油泵打入主生產匯管，生產水則進入回灌水罐，由回灌泵注入回灌井。

2.3 工藝參數

預脫水站所用液環(huán)壓縮機的額定氣體處理量為1 267.2 kg/h,壓縮機撬邊界入口絕對壓力為105.38 kPa(1.04 bar）,撬邊界出口儀表壓力為476.23 kPa（4.7 bar)，撬邊界出口溫度不大于65℃。設計溫度85℃?，F場可提供的工作液為飲用水。氣體組分及設計條件見表1，設計考慮的最大H2S體積分數為2.5%。表1中，工況1和工況2分別為最大油氣液量年（2020年）的夏季工況和冬季工況，工況3和工況4分別為最大含水量年的夏季工況和冬季工況。

表1 液環(huán)壓縮機進氣組成（摩爾分數） %

2.4 設備選型

根據工藝參數，螺桿壓縮機和液環(huán)壓縮機均可選用。螺桿壓縮機存在幾方面的不利情況，①螺桿壓縮機對輸送介質的潔凈度要求高，現場發(fā)現氣體中夾帶不明顆粒。②螺桿壓縮機在壓縮C6～C12等重組分時容易結焦，焦炭附著在螺桿上容易造成螺桿卡死斷軸。③原油中含H2S較高，與氣體中水分遭遇，會形成酸性濕氣，造成硫化氫腐蝕，對轉子等高精度部件不利。要改善這種腐蝕情況，則轉子部分需要選用昂貴的耐蝕合金。④螺桿壓縮機轉子的制造水平要求高，部件多，維護保養(yǎng)工作量大。在其他幾個已運行項目中，螺桿壓縮機故障發(fā)生率高，經常造成停機檢修，給油田生產造成很大困難。而液環(huán)壓縮機中的氣體直接與工作液接觸，壓縮過程冷卻良好，接近等溫壓縮，葉輪與工作腔無摩擦，對氣體中含有的水分或者固體顆粒不敏感，工作腔密封性好，對零件的精度要求不高,結構簡單［10］。根據比較結果，壓縮機選用液環(huán)式類型。

2.5 壓縮機方案及標準

招評標后最終選擇GARO品牌壓縮機，產地意大利，采用錐形筒結構分配器，單作用兩級壓縮?？紤]到沙漠腹地水源短缺，工作液采用如圖3所示全循環(huán)模式。

液環(huán)壓縮機符合 API 681-2010《Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors for Petroleum,Chemical,and Gas Industry Services》［12］要求，同時滿足業(yè)主石油公司的規(guī)格書。業(yè)主石油公司的技術規(guī)格書基于殼牌規(guī)范Shell DEP-31.29.42.30-2012 《Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors(Amend-ments/Supplements to API 681)》［14］編制，因此本項目壓縮機也是滿足殼牌標準要求的。

2.6 材質選擇

根據工藝條件，預計離開撇油罐的氣體夾帶有約2%（質量分數）的液量，夾帶液中含有的氯離子最大質量濃度為150 270 mg/L。同時考慮到H2S氣體在液環(huán)壓縮過程中會不斷溶入工作液，形成氫硫酸液腐蝕苛刻工況，提出對壓縮機殼體采用碳鋼襯825合金或者純825合金，對葉輪、軸等轉子部件采用純825合金，對管道/閥門等接觸液體部件均采用碳鋼襯ALLOY825或者純ALLOY825等材質要求。

工作液補給系統(tǒng)和機械密封系統(tǒng)介質均為飲用水，材質采用SS316L。壓縮氣體中H2S分壓超過0.3 kPa(a)，形成酸性腐蝕工況，因此所有過流部件均要滿足NACE MR-017/ISO 15156-2015《Petroleum and Natural Gas Industries-Materials for Use in H2S-containing Environments in Oil and Gas Production》［15］酸性工況材料要求。

2.7 機械密封系統(tǒng)選擇

壓縮機輸送介質為易燃、易爆的原油伴生氣，且含有高濃度的有毒氣體H2S，H2S溶于水后形成氫硫酸，氫硫酸溶液中H2S易揮發(fā)，對人體及周圍環(huán)境危害較大。根據業(yè)主提出的健康、安全、環(huán)境（HSE）要求，選擇雙端面機械密封，并采用plan53B沖洗方案。機械密封系統(tǒng)按照API 682-2014《Pumps-shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps》［16］選擇。隔離液采用飲用水及乙醇混合物。

2.8 空冷器選擇

空冷器設置在壓縮機出口，流程上位于分離器之前。按照項目的要求，采用API 661-2013《Petroleum,Petrochemical，and Natural Gas Industrial-Air-cooled Heat Exchangers》［17］及殼牌標準 Shell DEP31.21.70.10-2012《Air-cooled Heat Exchangers:Selection and Application》［18］設計，選用強制通風結構?？绽淦髟O計中考慮環(huán)境溫度55℃，出口溫度不超過65℃，換熱負荷360 kW，總換熱面積1 357 m2。共設置3臺風扇（2用1備），電機與風扇采用皮帶傳動，換熱管束總體尺寸(長度×寬度)8.55 m×2.13 m。

空冷器采用鋁制翅片管，管束及管箱材質與壓縮機一致，選用UNS N08825金屬材料，并滿足NACE MR0175-2015要求?？绽淦鞑贾每紤]了維、檢修空間，在風扇下方及管束兩端設置檢修梯子平臺，總體布局見圖4。

圖4 空冷器布置及操作檢修空間示圖

2.9 分離器設計

壓縮氣體出口分離器為三相分離器 （圖5），容器按照 ASME Sec.Ⅷ,Div.1-2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》［19］及殼牌 DEP 31.22.20.31-2013《Pressure Vessels(Based on ASME Section Ⅷ)》［20］要求設計制造，臥式布置，直徑1 400 mm,長3 500 mm,設計壓力1 MPa/全真空，材質選用UNS N08825，并且滿足NACE MR0175-2015的要求。分離器內設置溢流堰板，分離出來的油到達堰板高度后溢流到后部收油區(qū)，前部為液環(huán)工作液區(qū)，回流到液環(huán)壓縮機進行補液。

圖5 分離器結構簡圖

2.10 補液罐

根據液環(huán)壓縮機系統(tǒng)流程（圖3），液環(huán)壓縮機出口分離器分離出的油液基于油位從底部自動排放，分離出來的工作液全部回流到液環(huán)壓縮機中，當分離器中液位下降至儀表顯示工作液不足時，高架補液罐補液閥門打開，對液環(huán)壓縮機進行補液。

2.11 設備檢測保護系統(tǒng)

按照項目設計要求，液環(huán)壓縮機需要配置設備檢測保護系統(tǒng) （machine monitoring system，MMS），MMS 按 API 670-2014《Machinery Protection System》［21］規(guī)定執(zhí)行。

對液環(huán)壓縮機本體軸承設置測溫探頭和傳感器，設置x-y方向振動探頭，軸向設置位移探頭，電機本體設置軸承測溫、測振探頭。最終選擇的MMS產品為Bently Nevada 3500，包含探頭、信號線及數據采集模塊。

2.12 特殊設計

油田操作和生產人員從實際運行維、檢修角度提出，空冷器的檢修空間和工具要具體標明，壓縮機其他部件的檢修需要配置手拉葫蘆或者需要用汽車吊的都要進行明確定義，檢修通道以及檢修路徑也要標明，這些在空冷器及操作檢修空間布置圖上均有體現。此外，還要準備由業(yè)主審批的檢修吊裝研究報告。

3 結語

中東地區(qū)處理高含硫原油的企業(yè)標準參照采用了相關API標準及殼牌標準，相比國內標準以及國內通常執(zhí)行的API標準，其設計制造要求更高，檢驗測試規(guī)定更嚴。相比螺桿壓縮機和往復式壓縮機，液環(huán)壓縮機結構簡單、易維護、造價低，更適合處理易燃、易爆、有毒性、腐蝕性、夾帶有顆粒物的氣體，已被中東地區(qū)油田業(yè)主接受。中東地區(qū)油田業(yè)主對設備的操作維護要求比較細致，維、檢修的方法、工具，維修人員的操作空間、路徑，維修件的安放、轉移等都要提供具體的技術方案，并經業(yè)主審查得到其同意方可執(zhí)行。因此在進行配管設計時需要熟悉殼牌相關標準，充分考慮設備布局和空間預留，并設置完善的檢修平臺，配置檢修工具。