頁巖氣外輸離心式壓縮機運行分析與對策研究

邱 靜，江勝飛，王志寰，蔣 偉，彭 陽

(1.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 瀘州 646000；2.中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610051；3.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 404100；4.中國石油西南油氣田分公司集輸工程研究所，四川 成都 610051)

1 引言

為能順利實現(xiàn)頁巖氣外輸需求，國內(nèi)某氣田公司已投運3座大功率離心式壓氣站，共6臺壓縮機。其中，A壓氣站和B壓氣站關(guān)聯(lián)度大，同時運行時相互之間會產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致能耗上升，目前僅憑操作人員的經(jīng)驗調(diào)節(jié)，不能夠?qū)崿F(xiàn)壓氣站的聯(lián)動優(yōu)化。

A壓氣站主要作用為川南頁巖氣區(qū)塊頁巖氣外輸增壓輸送，降低輸氣干線管輸壓力，以發(fā)揮川南頁巖氣區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能。該站于2019年9月建成投用，場站設(shè)計壓力6.3 MPa，設(shè)計進站壓力3.83～4.3 MPa，排氣壓力5.30～5.87 MPa。該站建設(shè)有PCL402型3.6 MW離心式壓縮機組2臺，兩用無備，設(shè)計增壓氣量為1460×104m3/d，截至4月底，2臺壓縮機組累計運行21427 h，累計增壓氣量46×108m3。

B壓氣站于2020年9月建成投產(chǎn)，主要接收川南頁巖氣來氣，一部分增壓后上載國家管道，其它部分通過輸氣干線管網(wǎng)輸往重慶地區(qū)，同時根據(jù)管網(wǎng)運行情況通過調(diào)壓向中、低壓系統(tǒng)分輸補充調(diào)配。該站建設(shè)有PCL405型6.7 MW離心式壓縮機組3臺。設(shè)計上載能力50×108m3/a，設(shè)計下載能力800×104m3/d，有包括10.0 MPa、6.3 MPa、4.0 MPa 3個壓力系統(tǒng)。截至目前已累計3329 h，累計增壓氣量14×108m3。

2 運行情況

2.1 A壓氣站

(1)運行分析

截止2021年4月30日，A壓氣站1號機組年度累計運行時間2484 h，年累處理氣量52715萬方，2號機組年度累計運行時間2520 h，年累處理氣量53602萬方，年累耗電量1744.22萬度。

(2)能耗分析

2臺機組的能耗情況見表2。其中，不同月份的處理氣量和耗電量的變化趨勢如圖2和圖3所示。

由表2、圖1和圖2可知，機組能耗情況整體變化趨勢與處理氣量的整體變化趨勢相同，但變化幅度不同，主要原因為機組壓比不同，導(dǎo)致機組負荷大小不同，能耗值變化。

圖1 壓縮機累計處理氣量

表2 機組能耗情況統(tǒng)計

(3)性能曲線對比

取1月1日～10日A壓氣站1號機組運行數(shù)據(jù)進行分析計算，并根據(jù)多變效率和計算公式計算得出機組多變效率，計算結(jié)果見表3。效率性能曲線和功率性能曲線如圖4和圖5所示。

由表3、圖3及圖4可知，根據(jù)壓縮機實際運行數(shù)據(jù)計算的效率多集中在70%左右，但廠家性能曲線中的效率最低值為71%左右，最高值為82%左右。根據(jù)壓縮機實際運行數(shù)據(jù)計算的機組功率多集中在2200～2500 kW之間，但從功率性能曲線看，當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的機組功率多集中在2200 kW以下。考慮實際進氣條件與性能曲線計算條件差異，選取第2個工況點(效率為69.47%，功率為2396)進行對比，仍與性能曲線偏離較多，因此，廠家所給性能曲線指導(dǎo)價值不大。

表3 機組多變效率及功率消耗

圖3 效率性能曲線

圖4 功率性能曲線

2.2 B壓氣站

(1)運行分析

截止2021年4月30日，B壓氣站1號機組年度累計運行達到1017 h(總累2541 h)，2號機組年度累計運行達到1736 h(總累3312 h)，3號機組年累計運行達到1473 h(總累2715 h)，總計增壓氣量為65522萬方。B壓氣站機組運行情況見表4。

表4 機組運行情況統(tǒng)計

(2)能耗分析

3臺機組的能耗情況見表5。其中，不同月份的處理氣量和耗電量的變化趨勢如圖5和圖6所示。

表5 機組能耗情況統(tǒng)計

圖5 壓縮機累計處理氣量

圖6 壓縮機累計耗電量

由表5、圖6和圖7可知，機組能耗與機組處理氣量的整體變化趨勢相同，但變化幅度不同，全站處理氣量越低，單位能耗越高，單臺機組負荷大小不同，能耗值發(fā)生變化。

(3)性能曲線對比

B壓氣站現(xiàn)役3臺壓縮機組，每臺機組額定功率6.7 MW，額定電流733 A，額定轉(zhuǎn)速12155 r/min。忽略機械損失，根據(jù)能耗分析，調(diào)閱3月生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表，3月下旬僅2號機組24 h運轉(zhuǎn)，且壓比較大，根據(jù)3月15日～24日運行數(shù)據(jù)進行分析計算，并根據(jù)多變效率和計算公式，可計算出機組多變效率，如表6所示。效率性能曲線和功率性能曲線如圖7和圖8所示。

由表6、圖7和圖8可知，根據(jù)壓縮機實際運行數(shù)據(jù)計算的效率多集中在83%左右，但廠家性能曲線中的效率最低值約為76%，最高值約為85%，與多變效率曲線基本吻合，同時根據(jù)壓縮機實際運行數(shù)據(jù)計算的機組功率多集中在4700～5600 kW之間，功率性能曲線看，考慮實際進氣條件與性能曲線計算條件的差異，與圖4進行對比，確定該機組約在圖8、9中E曲線上，壓縮機運行最優(yōu)經(jīng)濟點與實際運行區(qū)間點對比，理論上技術(shù)人員應(yīng)保持機組壓比不變，適當(dāng)減少流量，向最優(yōu)經(jīng)濟點進行調(diào)整。

圖7 效率性能曲線

圖8 功率性能曲線

表6 機組多變效率及功率消耗

3 存在的問題

通過對機組運行情況分析及日常運行過程中的總結(jié)，A壓氣站及B壓氣站存在以下問題：

(1)A壓氣站廠家所提供的機組性能曲線與實際運行情況偏離較大，導(dǎo)致對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義不大。

(2)根據(jù)川南某地頁巖氣區(qū)塊近期頁巖氣產(chǎn)量波動及A壓氣站低壓輸氣量的上升，A壓氣站處理氣量由年初雙機1300×104m3/d，下降到目前的700～800×104m3/d，機組單雙機運行選擇缺少指導(dǎo)，機組運行經(jīng)濟性不能保證。

(3)部分情況下，B壓氣站運行存在氣量不滿足單臺機組運行所需最小氣量的要求，導(dǎo)致機組運行需開小循環(huán)，運行經(jīng)濟型差。

4 工況計算與分析

針對以上問題，主要通過經(jīng)濟性對比確定A壓氣站單雙機運行選擇和A壓氣站與B壓氣站的聯(lián)合運行是否具有經(jīng)濟性價值。

4.1 工況一

由于A壓氣站單臺與2臺機組運行的臨界點在700～800×104m3/d之間，因此選擇總處理氣量在1400×104m3/d左右、單臺機組處理量在700×104m3/d的運行數(shù)據(jù)進行計算[1]。

效率計算根據(jù)公式

(1)

其中，天然氣絕熱指數(shù)k值取1.32。

再根據(jù)公式

(2)

可計算得出m的值。

將m帶入公式

(3)

其中，天然氣氣體常數(shù)R=518.75 J/(kg·K)，可計算得出多變功Wpol。

再根據(jù)公式

(4)

可計算壓縮總耗功Wtot。

機組運行數(shù)據(jù)計算結(jié)果見表7，運行數(shù)據(jù)曲線見圖9。

將處理氣量、多變效率、壓比、功率變換成同一個數(shù)量級得出曲線，由表7和圖9可知，隨著流量的增加，壓比降低，多變效率和功率隨著流量的增加而增加，但增加到一定程度又會降低，主要原因是流量的增加通常比總耗功的下降要快一些，所以功率通常隨著流量的增加而增加，只是在流量很大時才會出現(xiàn)功率下降的情況。從計算結(jié)果看，轉(zhuǎn)折點的流量范圍在710×104m3/d左右，且此點效率最高，因此，在今后日常運行中，壓比范圍在1.1～1.3之間時，應(yīng)盡量控制單臺機組氣量不超過710×104m3/d，保持機組高效運行。

表7 機組運行數(shù)據(jù)計算

圖9 運行數(shù)據(jù)曲線

4.2 工況二

選取該站2臺機組運行總處理氣量在700×104m3/d左右和單臺機組運行，并且處理氣量在700×104m3/d的工況進行對比。帶入式(1)～(4)進行計算，結(jié)果見表8。

由表8計算結(jié)果可知，在總氣量在700×104m3/d左右時，2臺機組運行效率高于單臺機組運行，但從功率看仍是單臺機組運行有優(yōu)勢，但此時單臺機組運行壓比相對較小，若考慮充分發(fā)揮川南頁巖氣區(qū)塊頁巖氣產(chǎn)能，需要綜合評估川南區(qū)塊管網(wǎng)輸壓降低后該地區(qū)頁巖氣的增產(chǎn)氣量與增加的功率消耗進行經(jīng)濟性對比。

表8 機組運行數(shù)據(jù)計算

4.3 工況三

在總氣量在700×104m3/d左右，單臺機組運行的工況下，對進排氣壓力、吸入排氣溫度、處理氣量進行改變。帶入式(1)～(4)進行計算，結(jié)果見表9。

由表9可知，在機組能夠承受的壓比范圍內(nèi)，且機組流量、進排氣溫度不變的情況下，提高壓比可提高機組效率，且功率不變化；在機組壓比、進排氣溫度不變的情況下，提高機組流量，機組效率不變，但功率消耗增加。

表9 機組運行數(shù)據(jù)計算

4.4 工況四

實際生產(chǎn)過程中，為保證壓縮機組正常運轉(zhuǎn)，單獨設(shè)置了“壓縮機工作點離喘振線近”報警，設(shè)定當(dāng)壓縮機工作點與喘振線水平距離小于6%時，會產(chǎn)生報警，為避免前端工況突變波動導(dǎo)致壓縮機組停機，需開啟回流閥提高壓縮機入口流量穩(wěn)定機組運行，通過觀察壓縮機工作點與喘振線水平距離變化量來決定全站回流閥開度量，降低上載氣量指標(biāo)，此種工況可考慮由A壓氣站增加處理氣量用于補充B壓氣站氣量，選取2021年2月7日B壓氣站雙機上載國家管網(wǎng)755×104m3/d，站內(nèi)開啟全站小循環(huán)的工況進行經(jīng)濟性對比計算見表10。

表10 B壓氣站運行數(shù)據(jù)

帶入式(1)～(4)進行計算，B壓氣站單臺機組多變效率80%～82%，多變功98313 J/kg，雙機壓縮機總功率7539 kW，但在2月上旬雙機運轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)壓縮機入口壓力逐步降低或出口壓力逐步升高，壓比增大達到2.0左右，轉(zhuǎn)速增至高轉(zhuǎn)速后工作點距喘振線過近，為避免前端工況異常波動導(dǎo)致停機，技術(shù)人員均次開啟全站回流流量50萬流量控制，增加全站壓縮機組無用功率501 kW。如果A壓氣站補充50×104m3/d氣量，B壓氣站可減少全站壓縮機組這部分無用功率浪費。A壓氣站調(diào)整前與調(diào)整后對比數(shù)據(jù)見表11。

表11 A壓氣站調(diào)整前與調(diào)整后對比數(shù)據(jù)

根據(jù)2月7日A壓氣站實際運行數(shù)據(jù)，將B壓氣站站回流的50萬方/日氣量改由A壓氣站2臺壓縮機組提高處理量進行補充，避免B壓氣站功率浪費，通過計算可得A壓氣站功率上升了280 kW，與B壓氣站站功率節(jié)約501 kW比較，兩站總功率節(jié)約221 kW，每日節(jié)約電量5304 kW·h，可實現(xiàn)一定的節(jié)約。

5 對策及建議

通過以上計算與分析，針對目前A壓氣站及B壓氣站存在的單雙機運行選擇、單機氣量調(diào)配、2站聯(lián)合運行等問題，可采用以下措施：

(1)A壓氣站在總氣量超過1400×104m3/d時，盡量控制單臺機組總氣量載710×104m3/d左右，壓比范圍控制在1.1～1.3之間，保持機組高效運行，可實現(xiàn)經(jīng)濟運行。

(2)在A壓氣站總氣量在700×104m3/d左右時，單臺機組運行效率低于2臺機組運行，但2臺機組的運行總耗功高于單臺機組運行，且未考慮機組附屬設(shè)備的消耗，在對川南某地頁巖氣區(qū)塊產(chǎn)量無明顯影響的情況下，應(yīng)選擇單臺機組運行，降低總消耗。

(3)對A壓氣站，在機組能夠承受的壓比范圍內(nèi)，且機組流量、進排氣溫度不變的情況下，提高壓比可提高機組效率，且功率不變化，因此可考慮通過調(diào)整轉(zhuǎn)速提高機組壓比，也可考慮在進氣端或排氣端增加調(diào)壓閥來調(diào)整壓比，保持機組高效運行。

(4)在B壓氣站機組運行存在觸碰防喘振工況時，可兩站聯(lián)動，在氣量允許的情況下A壓氣站增加機組處理量，用于補充B壓氣站氣量，避免B壓氣站機組開啟小循環(huán)運行，可實現(xiàn)能耗節(jié)約。