高壓比無油純干式螺桿壓縮機在浮式生產(chǎn)儲卸油裝置上的應用

高 華，李東芳，辛 順，鄭曉娟，張守森

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

1 低壓天然氣壓縮工藝流程

某海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）上部模塊設(shè)置有一套低壓氣螺桿壓縮機。該低壓氣螺桿壓縮機主要用于回收處理低壓天然氣，其工藝流程圖見圖1。

圖1 低壓天然氣壓縮工藝流程圖

來自二、三級分離器的天然氣經(jīng)過低壓壓縮機入口冷卻器進入滌氣罐進行氣液分離，分離得到的液相經(jīng)增壓泵Ⅰ增壓后進入凝析油分離器，分離得到的氣相進入一級螺桿壓縮機。氣相壓力被一級螺桿壓縮機從30 kPa（G）壓縮到850 kPa（G），經(jīng)過一級壓縮后海水冷卻器進入二級螺桿壓縮機，壓力被壓縮到2 400 kPa（G）后再經(jīng)過二級壓縮后海水冷卻器冷卻進入凝析油分離器分離。分離出的天然氣主要用作鍋爐的燃料氣，分離出的凝液經(jīng)增壓泵進入凝析油分離器處理后進入液化石油氣（LPG）回收系統(tǒng)。

為了保證后續(xù)浮式LPG生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運行，該套低壓氣螺桿壓縮機的選型設(shè)計就顯得尤為重要。

2 低壓氣螺桿壓縮機工況分析

該低壓氣螺桿壓縮機設(shè)計處理氣量為25×104m3/d（標準狀態(tài)），氣體壓力從 30 kPa（G）兩級壓縮到 2 400 kPa（G），進口壓力 30 kPa（G），出壓力口2 400 kPa（G），出口壓力較高，屬于兩級壓縮的高壓比工況。這種工況在以往海上油氣田開發(fā)項目中未出現(xiàn)過。

該低壓氣螺桿壓縮機的處理工況有如下特點：①伴生氣中的C3和C4組分較多，壓縮過程易凝析出重烴，重烴要進入輕烴回收系統(tǒng)進行回收，需確保重烴的品質(zhì)不被污染。這也是該壓縮機處理要求的關(guān)鍵。②壓縮機逐年運行的低壓氣處理量是變化的，見表1。

表1 低壓氣螺桿壓縮機逐年運行處理氣量 ×104m3/h

螺桿壓縮機一般主要分為無油和噴油[1-2]兩大類，無油螺桿壓縮機又可以分為無油純干式和無油噴液式[2-5]。

該低壓氣螺桿壓縮機使用工況特殊，筆者在調(diào)研壓縮機生產(chǎn)廠家技術(shù)資源的基礎(chǔ)上，開展了螺桿壓縮機的具體選型方案分析。

3 低壓氣螺桿壓縮機選型方案

3.1 方案一——兩級無油純干式螺桿壓縮機

兩級無油純干式螺桿壓縮機為符合API 619—2010 “Rotary-type Positive Displacement Compressors for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries”[6]的干式壓縮機。由于沒有噴油進行冷卻，因此氣體受壓縮產(chǎn)生的熱量及轉(zhuǎn)子承受的載荷均較大，對轉(zhuǎn)子力學性能要求較高，軸承選型較嚴苛。同時，由于單級壓縮的進出口壓差大，故需要選擇抗大壓差的機械密封。

國內(nèi)壓縮機生產(chǎn)廠家還沒有兩級無油純干式螺桿壓縮機制造能力，而國外生產(chǎn)廠家，如德國曼透平公司和日本神鋼公司可以制造供貨。兩級無油純干式螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 兩級無油純干式螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)示圖

3.2 方案二——兩級無油噴液式螺桿壓縮機

無油噴液式螺桿壓縮機為國產(chǎn)無油螺桿壓縮機，是為適應無油干式螺桿壓縮機研發(fā)的[7-8]。噴液式螺桿壓縮機通過向壓縮腔內(nèi)噴入軟化水、輕質(zhì)柴油或者壓縮過程中的凝析油等不與壓縮工藝介質(zhì)反應的液體[9-11]，來起到一定的冷卻、潤滑和降噪作用，從而降低排氣溫度。經(jīng)了解，目前國內(nèi)還沒有出口壓力2 400 kPa（G）無油噴液式螺桿壓縮機成功應用的案例[12-13]，無油噴液式螺桿壓縮機最大出口壓力一般能達到1 600 kPa（G）。由此，考慮降低壓縮機出口壓力的方案，并評估出口壓力對LPG回收產(chǎn)量的影響是否在可接受范圍內(nèi)。

維持原低壓天然氣壓縮流程，將二級螺桿壓縮機出口壓力降低到1 600 kPa（G），通過典型年份的工藝模擬，得到LPG回收系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)變化，見表2。

表2 采用方案二模擬得到的LPG回收產(chǎn)量

分析表2可以知道，壓縮機出口壓力降低后，LPG回收系統(tǒng)的操作壓力及進液量都會降低。LPG的回收產(chǎn)量會降低約5%，合格輕油的產(chǎn)量降低約0.5%。按照LPG、合格輕油價格分別為4 000元/t、3 000元/t計算，LPG、合格輕油產(chǎn)量減少造成的損失分別約為900萬元 /a、190萬元/a。由此可知，方案二對LPG回收系統(tǒng)的影響較大，不建議采用。

3.3 方案三——兩級噴油式螺桿壓縮機

與無油干式螺桿壓縮機相比，噴油式螺桿壓縮機壓縮腔內(nèi)噴入冷卻油，壓縮產(chǎn)生的熱量被冷卻油帶走，不會產(chǎn)生顯著溫升，單級壓縮比較高。因此，采用噴油式螺桿壓縮機能達到本項目要求的高壓比的處理要求，國內(nèi)外也至少有3家廠家具有類似項目壓縮機生產(chǎn)業(yè)績。

但該低壓氣螺桿壓縮機處理工況特殊，采用兩級噴油式螺桿壓縮機存在一些風險[4]：①噴入壓縮腔內(nèi)的潤滑油被壓縮過程析出的重烴稀釋，導致機組運行時的振動、噪聲都比較大。②壓縮過程產(chǎn)生的重烴會夾帶潤滑油，不易被分離，進入下游LPG回收系統(tǒng)后對LPG回收品質(zhì)產(chǎn)生影響。

3.4 方案四——低壓螺桿壓縮機加往復式壓縮機

調(diào)整原低壓天然氣壓縮流程，將兩級螺桿壓縮機改為一級壓縮采用低壓螺桿壓縮機、二級壓縮采用往復式壓縮機，具體流程見圖3。

圖3 采用方案四的低壓天然氣壓縮工藝流程圖

采用方案四之后兩級壓縮的出口排壓可以達到2 600 kPa（G），可以省去下游LPG回收系統(tǒng)的增壓泵。

與采用兩級螺桿壓縮機相比，二級壓縮使用往復式壓縮機在流程上存在差異：①需額外增加1套現(xiàn)場控制盤，一級螺桿壓縮機與二級往復式壓縮機各自獨立控制。②需分別設(shè)置回流控制一級壓縮機與二級壓縮機，且二級壓縮機入口必須增加滌氣罐將液體分離。如果使用兩級螺桿壓縮機，該滌氣罐在某些工況下不是必須的，且兩級壓縮機之間只需要設(shè)置一路大回流管線。③二級壓縮使用往復式壓縮機時，二級壓縮機與一級壓縮機需各自配置獨立的電機。若兩級均采用螺桿壓縮機，則可以共用1套電機。

3.5 方案對比

以上4種低壓氣壓縮機選型方案對比分析見表3。

表3 低壓氣壓縮機選型方案對比

從表3可以看出，選用兩級無油純干式螺桿壓縮機最具技術(shù)綜合優(yōu)勢，只是需從國外采購設(shè)備，初始投入費用較高。在項目費用允許的情況下，最終選擇兩級無油純干式螺桿壓縮機作為低壓氣壓縮機。

4 低壓氣無油純干式螺桿壓縮機介紹

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過對壓縮機選型方案的對比分析，最終確定的低壓氣兩級無油純干式螺桿壓縮機主要技術(shù)參數(shù)為，一級處理量25×104m3/d，一級壓縮進氣壓力 30 kPa（G）、排氣壓力 850 kPa（G），一級壓縮進氣溫度40℃、排氣溫度85℃；二級處理量15×104m3/d，二級壓縮進氣壓力 800 kPa（G）、排氣壓力2 400 kPa（G），二級壓縮進氣溫度40℃、排氣溫度85℃。一級轉(zhuǎn)子長徑比2.0、二級轉(zhuǎn)子長徑比1.2。壓縮機軸功率1 735 kW，撬塊質(zhì)量126 t，撬塊尺寸 13 m×5 m×9 m，流量控制方式為回流控制。

4.2 相關(guān)控制配置

為防止無油純干式螺桿壓縮機反轉(zhuǎn)，減小啟動力矩和軸承載荷，壓縮機停機時盡快平衡進出口壓力，增設(shè)了反應速度快的卸載閥，做到兩平衡、一泄放、兩回流（圖4）。即將設(shè)置有卸載閥的管路連接到每一級壓縮出口管道的入口，并在二級壓縮機出口設(shè)置泄放閥以保證整個壓縮機系統(tǒng)的安全泄放，為滿足不同年份的流量調(diào)節(jié)設(shè)置兩回流控制。

圖4 無油純干式螺桿壓縮機兩級壓縮系統(tǒng)相關(guān)控制配置示圖

4.3 潤滑及機械密封系統(tǒng)

無油純干式螺桿壓縮機機組有1套潤滑油系統(tǒng)為壓縮機和齒輪箱提供潤滑及密封。無油純干式螺桿奪縮機潤滑油系統(tǒng)主要包括潤滑油箱、潤滑油泵、潤滑油冷卻器及雙聯(lián)濾器等，見圖5。

圖5 無油純干式螺桿壓縮機潤滑油系統(tǒng)組成

無油純干式螺桿壓縮機機械密封為接觸油密封，機械密封供油壓力需高于每級工藝氣入口壓力250 kPa（G）且消耗潤滑油、工藝氣。采用同一潤滑油系統(tǒng)分別向無油純干式螺桿壓縮機軸承及齒輪箱、一級壓縮機機械密封、二級壓縮機機械密封提供3種油壓。主要通過調(diào)壓閥來實現(xiàn)油壓調(diào)節(jié)，主油路調(diào)壓采用壓力止回閥，分支油路調(diào)壓采用壓差止回閥。

4.4 浮式液位晃動影響

無油純干式螺桿壓縮機組為雙機頭供油，加上齒輪箱散熱，因此需要的潤滑油油箱體積較大?？紤]浮式液位晃動的影響，油箱及相關(guān)儀表的設(shè)計需做特殊考慮[14]。

在油箱內(nèi)部設(shè)置了多個開孔擋板，以減少液位晃動帶來的吸空，減少油液對油箱壁的沖擊?？紤]到浮式LPG裝置沿FPSO船左右弦方向（橫向）的晃動更為明顯，液位計A、B的安裝位置宜取油箱橫向上的中心點（圖6），以避免晃動造成的誤差乃至誤關(guān)。

同時，進行壓縮機各部分結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時考慮了爆炸載荷的影響。

圖6 液位計安裝位置圖

4.5 出口管道消音器特殊設(shè)計

該低壓氣無油純干式螺桿壓縮機的下游背壓高達2 500 kPa（G），而壓縮機內(nèi)部的壓力并未達到2 500 kPa（G），所以壓縮機處于一種欠壓縮狀態(tài)，壓縮機會通過不斷向出口外排氣而維持住下游2 500 kPa（G）的壓力。無油純干式螺桿壓縮機1個轉(zhuǎn)子上有4個螺線，每旋轉(zhuǎn)1周，壓縮機出口處就會開啟4次，欠壓縮會造成4次瞬時的反流，形成很強的脈動沖擊，對壓縮機出口及消音器產(chǎn)生很強的作用力。

為解決由欠壓縮帶來的低頻率脈動產(chǎn)生的噪聲問題，采用了特殊設(shè)計的由共振器和減振器組成的消除脈動沖擊系統(tǒng)，見圖7。該消除脈動沖擊系主要由填充物層、消音柵等組成，進口形式設(shè)計特殊。

圖7 低壓氣螺桿壓縮機消除脈動沖擊系統(tǒng)

4.6 機組罩殼設(shè)計

無油純干式螺桿壓縮機的低頻噪聲可以高達110 dB，為了降低噪聲帶來的影響，考慮在壓縮機機頭及齒輪箱噪聲較大的設(shè)備上加裝隔音罩[15]。如果將壓縮機設(shè)計在封閉的罩殼內(nèi)，則罩殼的相關(guān)配套設(shè)計會比較復雜，罩殼內(nèi)需設(shè)計照明系統(tǒng)、逃生系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及維修滑道梁等，占地空間將較大。

綜合考慮壓縮機安裝位置上部空間沒有遮擋、相關(guān)人員活動區(qū)域及噪聲傳播路徑，將壓縮機設(shè)計在1個頂部敞開的半封閉式罩殼內(nèi)（圖8），由此可規(guī)避封閉罩殼設(shè)計帶來的設(shè)備質(zhì)量及成本增加等問題。

圖8 低壓氣壓縮機整撬布置圖

4.7 整撬緊湊布置設(shè)計

該低壓氣壓縮機整撬內(nèi)包含設(shè)備較多，有壓縮機主體、電機、隔音罩、一級冷卻器、二級冷卻器、級間洗滌罐、齒輪箱、油箱、油冷卻器及控制盤等。壓縮機管線尺寸也較大，為充分利用平臺有限的布置空間，將壓縮機整撬設(shè)計為2層緊湊布置（圖 8）[16-21]。

5 結(jié)語

近年來，隨著海上油氣田開發(fā)朝深水領(lǐng)域發(fā)展及國家對海上環(huán)保要求的提高，對海上油氣處理設(shè)備提出了高參數(shù)化要求，其使用工況也越發(fā)嚴苛。文中選用的高壓比兩級無油純干式螺桿壓縮機在FPSO上應用效果良好，LPG生產(chǎn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定。說明無油純干式螺桿壓縮機適用于油氣田項目中的低壓天然氣特殊處理工況，可為浮式LPG生產(chǎn)系統(tǒng)運行提供有力保障，具有重要的推廣應用價值。