淺析天然氣外輸壓縮機(jī)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)

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（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

前言

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代下，持續(xù)增長(zhǎng)的能源需求拉動(dòng)了海上天然氣田的建設(shè)，各種類型的天然氣壓縮機(jī)應(yīng)用廣泛。主要功能是用于氣體生產(chǎn)過(guò)程中的壓縮和增壓，保持天然氣管道平穩(wěn)安全運(yùn)行，促使天然氣運(yùn)輸符合流程應(yīng)用要求。天然氣壓縮機(jī)型號(hào)的優(yōu)化選擇既可有效確保氣體生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和合理性，又能促進(jìn)生產(chǎn)水平發(fā)展，降低能源損耗，提升企業(yè)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。由此可見(jiàn)，如何優(yōu)化天然氣外輸壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)工作不容忽視，我們可以根據(jù)天然氣管道實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況，科學(xué)合理地選擇壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，確保天然氣全生命周期外輸壓縮機(jī)能穩(wěn)定可持續(xù)運(yùn)行。

1.天然氣外輸壓縮機(jī)概述

(1)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備分類

海上平臺(tái)上常用的外輸壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有：旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、往復(fù)驅(qū)動(dòng)、離心驅(qū)動(dòng)和螺旋驅(qū)動(dòng)四種。其中，“回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)”又可細(xì)分為容積式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)。容積式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)主要靠葉片或螺桿旋轉(zhuǎn)來(lái)降低或增大氣體壓力。動(dòng)力式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片組向氣體傳輸能量，并把氣體壓到擴(kuò)壓器上，使之控制擴(kuò)壓器的速度，由氣體動(dòng)能變?yōu)殪o壓能量；“往復(fù)式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)”即是利用汽缸內(nèi)的活塞對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，在氣缸內(nèi)部實(shí)施往復(fù)操作，不斷對(duì)天然氣進(jìn)行吸入與排除操作，從而能不斷向設(shè)備施加壓力，適用于不同氣壓和不同流量。在使用往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)增壓時(shí)，能有效保障小流量高壓力工況的安全運(yùn)行，并減小電力等各種能源的損耗，輕松實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗生產(chǎn)目標(biāo)。因此，它是海洋天然氣工業(yè)中常用的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)型；在離心運(yùn)行裝置中對(duì)天然氣進(jìn)行壓縮，就是“離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)”，氣體流量偏小時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)行效果，但是適用于大氣體流量工況。

在海上氣田生產(chǎn)操作中，離心壓縮機(jī)更適用在長(zhǎng)距離的輸氣系統(tǒng)中，可獲得較好的操作效果。在大排量場(chǎng)合可使用垂直式離心設(shè)備，反之可使用水平剖分式離心設(shè)備。“螺旋式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)”是回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，主要依靠螺桿施加壓力在天然氣體上，常作為低壓氣壓縮機(jī)，將天然氣有效預(yù)增壓。

總之，面對(duì)天然氣外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的優(yōu)化選擇，要根據(jù)不同地區(qū)的氣田技術(shù)與操作標(biāo)準(zhǔn)，才能高效率、高質(zhì)量地進(jìn)行天然氣生產(chǎn)。例如，當(dāng)我們使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方法時(shí)，可以優(yōu)先考慮節(jié)能型壓縮機(jī)，并結(jié)合變頻調(diào)速工藝，嘗試通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，從而確保企業(yè)資源得到合理規(guī)劃。

(2)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)操作介紹

外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)工作原理不復(fù)雜，主要依靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)活塞重復(fù)運(yùn)動(dòng)，即曲軸一次轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞一次相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，氣缸吸氣、壓縮和排氣都是壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的工作過(guò)程。在具體操作中，首先，我們要嚴(yán)格規(guī)范操作行為，避免操作不當(dāng)而引發(fā)的安全事故或者機(jī)械損壞等情況發(fā)生；其次，我們要加大設(shè)備管控力度，確保各設(shè)備、各部件正常運(yùn)行。如有不當(dāng)之處，應(yīng)及時(shí)判斷并處理，進(jìn)一步保障天然氣外輸壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。具體操作流程如下：

第一，在外輸壓縮機(jī)工作之前，及時(shí)檢查氣源壓力及電力絕緣、閥門等部件是否處于正常工作狀態(tài)，做好相關(guān)必要的零件潤(rùn)滑處理，從而延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。

第二，執(zhí)行壓縮機(jī)的所有準(zhǔn)備工作后，按下壓縮機(jī)“啟動(dòng)”鍵。對(duì)于運(yùn)行中的天然氣外輸壓縮機(jī)設(shè)備，應(yīng)注意觀察壓縮機(jī)組運(yùn)行工況，嚴(yán)格控制氣體壓力和各個(gè)閥門系統(tǒng)力度，并記錄壓縮機(jī)各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，為日后壓縮機(jī)維修復(fù)檢提供詳細(xì)數(shù)據(jù)支撐。

第三，當(dāng)需要外輸壓縮機(jī)停止工作時(shí)，需控制進(jìn)氣閥開(kāi)動(dòng)，根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況按下“停止”工作按鈕后，壓縮機(jī)設(shè)備各系統(tǒng)、閥門和操作部件的檢驗(yàn)、冷卻、潤(rùn)滑和維修處理都需要再次檢查。最后，做好設(shè)備的掃尾整理工作，為下一次外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式啟動(dòng)運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.天然氣外輸壓縮機(jī)選型要求

就目前情況而言，離心式壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)是：排量大、操作外形小，有效減小了設(shè)備占地空間，使其能夠適應(yīng)更多的海上操作平臺(tái)；但其不足之處表現(xiàn)在設(shè)備購(gòu)買、維修等方面較為昂貴，需要大規(guī)模投資。并且，離心式壓縮機(jī)調(diào)節(jié)壓力與流量范圍有一定的限制，不具備較高的性價(jià)比，會(huì)造成不必要的企業(yè)資金浪費(fèi)；往復(fù)式壓縮機(jī)最顯著的優(yōu)勢(shì)是：流量與壓力可調(diào)節(jié)范圍大，可適應(yīng)不同的海上操作平臺(tái)工作需求；但其不足之處是設(shè)備整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件較多，后續(xù)不易維修和保養(yǎng)。另外，往復(fù)式壓縮機(jī)相比離心式壓縮機(jī)而言，尺寸和重量都偏大，一方面是運(yùn)輸不太方便，另一方面是占地空間較大。因此，海上天然氣田的建設(shè)需要根據(jù)實(shí)際情況和主要控制點(diǎn)需求針對(duì)性且合理地選擇最優(yōu)機(jī)型，才能達(dá)到高質(zhì)量地發(fā)展，從而確保企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)天然氣量要求

在選擇具體的壓氣機(jī)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，具體問(wèn)題具體分析綜合考慮氣量。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)天然氣的標(biāo)況產(chǎn)量為120000m3/h、出口壓力為7.9MPa時(shí)，外輸壓力為中等，但外輸流量較大。往復(fù)式壓縮機(jī)一般情況為活塞式壓縮驅(qū)動(dòng)方式，會(huì)改變腔體容積，適用于壓力較高但流量較小的情況。離心式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)相比往復(fù)式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)更為適合。因此，就目前情況來(lái)看，天然氣在處于120000m3/h的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)氣量、7.9MPa的出口壓力時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的流量和適中的壓力，此時(shí)選擇離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)最為合理。這是因?yàn)橥鶑?fù)式壓縮機(jī)多是采用活塞式設(shè)備，需要通過(guò)不停運(yùn)作的活塞，才能有效改變墻體內(nèi)部容積，所以適用于流量較小、壓力較高的天然氣田。

(2)海洋平臺(tái)空間要求

按照海洋平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，操作空間有限，但卻需要支持各種生產(chǎn)活動(dòng)，我們需要考慮選擇的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是否符合海洋平臺(tái)空間要求。離心式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧精致，占地面積不大，且在大流量外輸工況下配置臺(tái)數(shù)少，能大幅減少天然氣外輸壓縮機(jī)占用海洋平臺(tái)空間以及實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。

(3)海洋平臺(tái)適用要求

在海洋平臺(tái)中，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式需要選擇日常維護(hù)保養(yǎng)頻率較低、不易磨損且運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)方式。因此，離心式壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)因結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，能有效減少磨損程度，保障壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，符合海洋平臺(tái)適用要求。

(4)供電形勢(shì)分析

天然氣外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇，應(yīng)考慮電源形式、氣量大小及高抽氣壓力裝置的適用性。壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置在額定功率設(shè)計(jì)時(shí)，要求比壓縮機(jī)軸功率大，留出足夠的空間，避免超載。此外，外輸壓縮機(jī)在驅(qū)動(dòng)方式的選擇上還要跟上具體運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行功率。

(5)驅(qū)動(dòng)設(shè)備分析

只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備符合壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速需求時(shí)，才能最大限度降低機(jī)械磨損程度，進(jìn)而延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。因此，在燃料選擇時(shí)，我們應(yīng)基于能源角度優(yōu)先選擇天然氣燃料，簡(jiǎn)化發(fā)電過(guò)程中的操作流程和減少不必要的設(shè)備投入，進(jìn)一步緩解海上平臺(tái)供電緊張的困境。尤其是氣量較大時(shí)，使用高排壓力設(shè)備更為合適。總之，選擇具體驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)，一定要注重其設(shè)計(jì)額定功率的數(shù)值，并將其與壓縮設(shè)備的軸功率相對(duì)比。具體來(lái)說(shuō)，即設(shè)計(jì)額定功率要大于軸功率，且要預(yù)留出一定的調(diào)節(jié)范圍，才能有效規(guī)避超載等問(wèn)題。另外，在選擇驅(qū)動(dòng)類型時(shí)，要根據(jù)不同的操作環(huán)境，針對(duì)性調(diào)整運(yùn)行功率，才能優(yōu)選出最佳的驅(qū)動(dòng)設(shè)備方案。

因此，根據(jù)以上情況所述，目前在海上平臺(tái)氣田開(kāi)采中，選用離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)是最佳的選擇，既能滿足天然氣量、海、臺(tái)空間要求及適用要求，又能最大限度降低企業(yè)成本支出，提高利潤(rùn)空間，促進(jìn)我國(guó)石油開(kāi)采行業(yè)繁榮發(fā)展。

3.壓縮機(jī)整體設(shè)計(jì)思路

(1)選型基礎(chǔ)

通常情況下，配置天然氣壓縮機(jī)是為了滿足開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不同情況，才能確保海上氣田的氣產(chǎn)量。因此，我們一定要考慮工藝設(shè)計(jì)系數(shù)，才能滿足區(qū)域全部投產(chǎn)后的外輸壓力需求。具體詳見(jiàn)表1。

表1 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

(2)設(shè)計(jì)思路

首先，我們要收集壓縮機(jī)在不同工況下的參數(shù)信息，以此確定壓縮機(jī)形式等內(nèi)容；其次，要根據(jù)壓縮機(jī)不同工況排除初步設(shè)計(jì)方案，提高后續(xù)工作的效率與質(zhì)量；最后，深入分析不同的影響因素，才能確定最適合該地區(qū)的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)形式。

4.海上氣田天然氣外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)優(yōu)化建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施

對(duì)于運(yùn)行中的外輸壓縮機(jī)消耗大量電能的情況，需要滿足安全與穩(wěn)定性要求，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。比如，配電網(wǎng)的電纜、壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況、實(shí)際運(yùn)行工況等，分析各部分運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，發(fā)揮基礎(chǔ)工作的作用。合理控制基礎(chǔ)配電箱柜的容量，滿足海上氣田天然氣外輸?shù)男枨?，落?shí)環(huán)境影響因素的保護(hù)設(shè)施，規(guī)避該區(qū)域因海上特殊作業(yè)出現(xiàn)連接點(diǎn)腐蝕等情況。另外，完善噪聲監(jiān)管體系、電流量體系，記錄相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，為準(zhǔn)確判斷外輸壓縮機(jī)是否故障提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)優(yōu)化配置防護(hù)系統(tǒng)

針對(duì)海上氣田平臺(tái)作業(yè)的特殊情況，綜合防護(hù)系統(tǒng)可為壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐等設(shè)備提供備用保護(hù)，保護(hù)專業(yè)的電纜接口。要及時(shí)做好設(shè)備葉片、保護(hù)罩及活動(dòng)桿的安裝工作，避免天然氣外運(yùn)后期操作時(shí)發(fā)生劇烈震動(dòng)。綜合防護(hù)系統(tǒng)在聯(lián)接各電纜接口區(qū)時(shí)，應(yīng)充分利用現(xiàn)有的綜合管理系統(tǒng)，避免接口區(qū)被海水侵蝕，降低接口強(qiáng)度。此外，優(yōu)化配置保護(hù)系統(tǒng)和壓縮機(jī)設(shè)備運(yùn)行波動(dòng)性，應(yīng)及時(shí)安排專業(yè)技術(shù)人員對(duì)儲(chǔ)氣罐和固定裝置的連接強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，選擇專業(yè)防銹材料，連接法蘭部位，避免設(shè)備發(fā)生大規(guī)模銹蝕。

(3)優(yōu)化建設(shè)管理系統(tǒng)

在壓縮機(jī)建設(shè)管理系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的就是相關(guān)工作人員專業(yè)素養(yǎng)，既要保障天然氣外輸壓縮機(jī)各專業(yè)設(shè)備平穩(wěn)安全運(yùn)行，又要對(duì)運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行合理分析、管理和探討。保持天然氣外輸壓縮機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。例如，海上氣田平臺(tái)運(yùn)行的壓縮系統(tǒng)，工作人員需要根據(jù)具體設(shè)備類型、型號(hào)及工作原理為依據(jù)，對(duì)相關(guān)設(shè)備問(wèn)題及管理方式展開(kāi)分析、調(diào)查和歸納，不斷完善工作管理體系，確保設(shè)備正常運(yùn)行。若設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題或者穩(wěn)定性能降低時(shí)，要以最快速度找準(zhǔn)問(wèn)題所在，發(fā)揮強(qiáng)有力的專業(yè)素養(yǎng)促進(jìn)天然氣外輸壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

(4)優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)

對(duì)壓縮機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，必須明確設(shè)備的型號(hào)和工作原理，并根據(jù)具體情況進(jìn)行分析判斷，以確定系統(tǒng)是否正常、安全、穩(wěn)定。此外，升級(jí)人力資源管理系統(tǒng)，注重工作人員的專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)與教育。其專業(yè)素養(yǎng)決定了在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能否第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的問(wèn)題和缺陷，展開(kāi)檢測(cè)工作，并采取針對(duì)性的設(shè)備維修保養(yǎng)工作，最大限度降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，天然氣壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性且具有開(kāi)創(chuàng)意義的工作，對(duì)天然氣管道實(shí)際運(yùn)行具有很高研究?jī)r(jià)值，其重要性在外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行工作中日益突出。因此，優(yōu)化天然氣外輸壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，考慮管道實(shí)際運(yùn)輸量及能源價(jià)格變化對(duì)天然氣驅(qū)動(dòng)比選方式的影響，因地制宜，具體問(wèn)題具體分析制定出最科學(xué)合理的驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，滿足安全與穩(wěn)定性要求；優(yōu)化配置防護(hù)系統(tǒng)，避免設(shè)備出現(xiàn)模銹蝕情況；優(yōu)化建設(shè)管理系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行問(wèn)題；優(yōu)化運(yùn)行系統(tǒng)，減少設(shè)備故障支出成本，促進(jìn)天然氣外輸平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。