深冷裝置密封氣回收技術(shù)研究與應(yīng)用

代勇 李新偉 李陽（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

大慶油田北II-2深冷裝置采用丙烷輔助加膨脹制冷工藝。裝置膨脹機與離心壓縮機密封氣由于壓力低，密封后只能去火炬放空[1-2]。膨脹機密封氣設(shè)計用量100 m3/h，壓縮機密封氣放空量約4 m3/h。密封氣放空既造成了天然氣資源的浪費，又對環(huán)境造成了污染。為此，設(shè)計應(yīng)用了一套密封氣回收系統(tǒng)，在保證膨脹機、壓縮機安全平穩(wěn)運行的前提下，實現(xiàn)密封氣的零放空，回收天然氣資源同時，減小對大氣環(huán)境的污染。

1 回收方式

目前，國內(nèi)外放空火炬氣回收方法按照回收利用方式主要分為原料型和燃料型[3]。原料型是將回收的放空火炬氣作為裝置的原料使用，通過再加工來增加產(chǎn)品產(chǎn)量，達到提高經(jīng)濟效益的目的。燃料型是將回收的放空火炬氣作為裝置或其他設(shè)備的燃料使用。

深冷裝置的燃料氣主要為導(dǎo)熱油爐燃料用氣，膨脹機密封氣密封后壓力為0.15 MPa，導(dǎo)熱油爐匯管供氣壓力為0.2～0.4 MPa，進入導(dǎo)熱油燃料氣匯管困難，并且密封氣含有油霧，影響導(dǎo)熱油爐正常運轉(zhuǎn)。

原料型火炬放空氣回收工藝有2種方式。一種直接采用壓縮機回收火炬放空氣，該方式的優(yōu)點是投資少，占地面積小，缺點是在放空火炬氣氣量無法精確計量的條件下，壓縮機排氣量不容易確定，同時由于火炬放空氣氣量的不穩(wěn)定性，壓縮機要實時適應(yīng)火炬放空氣氣量波動比較困難；另一種采用氣柜和壓縮機組合的方式回收火炬放空氣，該方式的優(yōu)點是氣柜能最大限度緩沖火炬放空氣，為壓縮機提供了一個平穩(wěn)的進氣壓力，有效降低壓縮機開停機頻率，比第一種方式火炬放空氣的回收效率高。缺點是投資大，占地面積大[4]。

受限于北II-2深冷裝置廠房內(nèi)設(shè)備布置，無法采用氣柜式回收方式。裝置火炬放空氣主要為膨脹機密封氣，氣源較為穩(wěn)定。因此，選用壓縮機直接增壓方式回收裝置密封氣，并通過設(shè)計壓縮機的變頻、回流等調(diào)節(jié)方式以適應(yīng)密封氣的流量及壓力波動。密封氣回收工藝路線見圖1，通過新建管線將壓縮機、膨脹機密封氣引入密封氣回收裝置增壓后返至原料氣壓縮機入口。

圖1 密封氣回收工藝路線

2 工藝設(shè)計

密封氣回收裝置工藝流程見圖2。來自膨脹機油箱的密封氣經(jīng)調(diào)壓后（100 m3/h，0.01～0.15 MPa）經(jīng)入口緩沖器后進入變頻螺桿壓縮機，與噴入的潤滑油混合后被壓縮至1.0 MPa，被壓縮的工藝氣與潤滑油混合物進入油氣分離罐進行油氣分離，分離后的工藝氣經(jīng)空冷器冷卻后通過出口緩沖罐輸送至原料氣壓縮機入口回收。油分離器分離出的潤滑油經(jīng)潤滑油泵增壓后，再經(jīng)油冷卻器、油過濾器冷卻過濾后供給螺桿主機。螺桿壓縮機故障停機狀態(tài)下，密封氣可通過溢流閥放空至火炬。壓縮機變頻與回流調(diào)節(jié)可以適應(yīng)密封氣流量波動，防止壓縮機抽負壓風險。

圖2 密封氣回收裝置工藝流程

3 設(shè)備選型

密封氣回收裝置的主要設(shè)備包括入口緩沖罐、壓縮機、油分離器、空冷器、潤滑油泵及油過濾器等。

3.1 壓縮機

目前，用于放空氣回收的壓縮機主要包括螺桿壓縮機和往復(fù)式壓縮機[5]。螺桿壓縮機相對于往復(fù)式壓縮機具有結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，效率高，排氣溫度低，對潤滑油不敏感，無吸、排氣閥裝置等易損件的優(yōu)點，并且螺桿壓縮機有良好的輸氣量調(diào)節(jié)性，可適應(yīng)放空火炬氣量波動較大，壓縮過程中有輕烴和水析出的可能，對螺桿壓縮機運行沒有影響，國內(nèi)用于火炬氣回收的壓縮機大多采用螺桿壓縮機[6]。

綜上，本項目采用濕式螺桿壓縮機。膨脹機密封氣的設(shè)計用量為100 m3/h，干氣密封泄漏量主要由密封介質(zhì)壓力和設(shè)備轉(zhuǎn)速決定，并且隨著設(shè)備投用時間延長，泄漏量將持續(xù)增大[7]。由于密封氣存在向膨脹機工藝端的泄露，實際至火炬的密封泄露量必然小于設(shè)計用量。因此，壓縮機的額定設(shè)計流量定為100 m3/h，壓縮機電動機采用變頻電動機，以適應(yīng)密封氣量的波動，節(jié)約壓縮機電能消耗，保證回收系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，螺桿壓縮機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 螺桿壓縮機技術(shù)參數(shù)

3.2 壓縮機出口冷卻器

螺桿壓縮機出口冷卻器采用風冷型換熱器，風冷機組采用管翅式換熱器。散熱片材質(zhì)為防腐覆膜型鋁翅片，散熱管材質(zhì)為S304 不銹鋼，冷卻溫度小于或等于50 ℃。

3.3 油氣分離器及油過濾器

油氣分離器主要由筒體、封頭、除沫器、管接等組成，來自主機排氣口的氣體與潤滑油混合物進入油氣分離罐內(nèi)，通過重力成降、離心力分離和絲網(wǎng)分離多種原理作用將氣體、潤滑油進行分離，絕大多數(shù)的潤滑油被分離出來聚集于罐體下部，并利用桶內(nèi)內(nèi)壓與壓縮機低壓腔之間的壓差從新回到主機，分離精度為機組排氣含油量小于或等于3×10-6。

潤滑油過濾器采用雙聯(lián)配置，一開一備可實現(xiàn)在線切換以滿足不停車維護。潤滑油過濾器主要是對經(jīng)分離、冷卻后的潤滑油進行過濾，過濾后重新噴入壓縮機腔體內(nèi)。過濾精度為30 μm。

3.4 潤滑油泵

在噴油螺桿壓縮機中，油泵的作用主要是在主機啟動前將潤滑油從分離筒內(nèi)抽出并抽送到主機低壓腔內(nèi)，確保主機啟動時有潤滑油的保護而不會產(chǎn)生干磨。當潤滑油管路系統(tǒng)油壓大于設(shè)定值時，油泵自動停機。當機組額定排氣壓力較高時，此時只要在開機前，往進氣管路上的加油口加入適量的油，可以通過自身的壓力循環(huán)潤滑油系統(tǒng)，則無需配備油泵。但當機組額定壓力較小而滿足不了潤滑油系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)時，必須配備油泵且持續(xù)運轉(zhuǎn)。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 邏輯控制設(shè)置

密封氣回收裝置由PLC 控制系統(tǒng)的回流、溢流、變頻調(diào)節(jié)[8]。

為防止壓縮機抽負壓風險，設(shè)置壓縮機出口至入口的回流管線，可在0～30%范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)壓縮機入口氣量。當進氣壓力小于0.05 MPa時，自動打開回流控制閥。

壓縮機采用變頻調(diào)節(jié)，可在30%～110%范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)壓縮機入口氣量。排氣壓力大于1.0 MPa時，頻率逐漸減小；排氣壓力小于1.0 MPa 時，頻率逐漸增大。

為防止螺桿壓縮機故障停機時，膨脹機油箱密封氣憋壓，影響設(shè)備正常運行。保留原密封氣去火炬放空的流程，在入口分離器進口管線增加溢流閥，當分離器出口管段超出一定壓力（0.2 MPa）時，密封氣通過溢流閥去火炬放空。

4.2 報警聯(lián)鎖設(shè)置

系統(tǒng)主要報警、聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)定見表2。螺桿壓縮機設(shè)置自動啟停功能，將自動顯示報警信號并關(guān)機，壓縮機入口壓力低（小于0.01 MPa）時自動連鎖停機，達到一定壓力（大于0.01 MPa）時，壓縮機自動啟動，避免壓縮機抽負壓，造成設(shè)備及管線損壞。

表2 主要報警、聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)定

5 撬裝化及基礎(chǔ)設(shè)計

5.1 撬裝化設(shè)計

考慮到現(xiàn)場膨脹機廠房內(nèi)部空間有限，將立式分離器、螺桿壓縮機、空冷器、各類閥門、管件等工藝設(shè)備及儀表控制系統(tǒng)等集成并組合成橇，形成一體化橇裝回收裝置，滿足了現(xiàn)場安裝空間要求[9]。密封氣回收裝置撬裝結(jié)構(gòu)見圖3，整體尺寸為3.6 m×1.8 m×2.1 m。

圖3 密封氣回收撬裝結(jié)構(gòu)

5.2 安裝基礎(chǔ)設(shè)計

密封氣回收裝置需安裝在膨脹機廠房內(nèi)，安裝位置臨近原有的膨脹機與管架基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算的基礎(chǔ)深度與原有基礎(chǔ)存在交叉沖突，無法采用正常的長方體鋼筋混凝土基礎(chǔ)[10]。為此，設(shè)計了灌注樁+伸臂結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土組合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（圖4）。灌注樁埋設(shè)深度為-2.0 m，2 個灌注樁將上部荷載傳遞到不同土層，從而完全避開原有管道支架底部擴展基礎(chǔ)。經(jīng)過驗算，符合相關(guān)設(shè)計規(guī)范，對原有基礎(chǔ)影響較小，保證了回收裝置的順利投產(chǎn)。

圖4 回收撬裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

6 現(xiàn)場應(yīng)用

2020 年10 月，完成了密封氣回收裝置在北Ⅱ-2深冷的現(xiàn)場安裝并正式投運，密封氣回收裝置投用后，原料氣壓縮機、膨脹機與回收裝置運行平穩(wěn)，回收裝置實際運行參數(shù)見表3。螺桿壓縮機出口壓力低于設(shè)計值取決于系統(tǒng)背壓，其余各項運行參數(shù)均符合設(shè)計要求。密封氣回收裝置平均電流為21.7 A，平均氣量為60.2 m3/h。按年運行時間330 天計算，年可回收放空氣47.7×104m3，耗電9.7×104kWh。項目投資回收期約1年半。

表3 密封氣后回收裝置實際運行參數(shù)

7 結(jié)論

針對深冷裝置壓縮機、膨脹機密封氣放空的問題，設(shè)計應(yīng)用了一套密封氣增壓回收裝置，得到以下結(jié)論。

1）螺桿壓縮機撬裝密封氣回收裝置實現(xiàn)了低壓小流量密封氣的安全回收。回收裝置變頻、回流、溢流調(diào)節(jié)系統(tǒng)保證了回收裝置與膨脹機、壓縮機平穩(wěn)運行，且與深冷裝置互不影響。

2）灌注樁+伸臂結(jié)構(gòu)組合基礎(chǔ)對天然氣裝置改造中常見的空間狹小、基礎(chǔ)選址困難、新舊基礎(chǔ)沖突、埋深不足等問題，具有一定的借鑒和推廣價值。

3）密封氣回收裝置的成功應(yīng)用熄滅了北Ⅱ-2深冷裝置火炬長明燈，增加干氣商品量的同時，減少了火炬放空氣對環(huán)境的污染，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。