高壓大流量煤層氣螺桿壓縮機技術(shù)應(yīng)用

郭洋洋 韓要坤 高 嘯 李風江

(冰輪環(huán)境技術(shù)股份有限公司,山東 264002)

1 煤層氣螺桿壓縮機介紹

伴隨國內(nèi)工業(yè)進程的發(fā)展，數(shù)控加工精度的提升，中國螺桿壓縮機的設(shè)計水平、加工能力已經(jīng)達到比較高的水平；目前中國先進的噴油螺桿壓縮機設(shè)計理論和關(guān)鍵技術(shù)主要包括壓縮機自動化柔性加工技術(shù)、3D砂模打印鑄造技術(shù)、6.4MPa(G)高壓轉(zhuǎn)子型線技術(shù)、螺桿壓縮機高壓密封技術(shù)、高壓螺桿關(guān)鍵接觸間隙技術(shù)、流體動壓潤滑技術(shù)等，螺桿壓縮機專業(yè)技術(shù)與國內(nèi)市場需求的結(jié)合，引領(lǐng)著國際螺桿壓縮機的應(yīng)用方向。伴隨國家能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，煤層氣行業(yè)經(jīng)過10余年的發(fā)展，高壓大流量煤層氣螺桿壓縮機組已逐漸應(yīng)用于國內(nèi)眾多煤層氣場站，螺桿壓縮機的穩(wěn)定性、設(shè)備的緊湊性，受到行業(yè)內(nèi)人士的普遍認可。

螺桿壓縮機屬于容積式回轉(zhuǎn)壓縮機，煤層氣增壓輸送主要是采用噴油螺桿壓縮機組。在煤層氣壓縮過程中噴入潤滑油，潤滑油與煤層氣混合，在壓縮過程中起到冷卻、潤滑、密封、降噪的作用，通過調(diào)節(jié)噴入潤滑油的溫度和流量，調(diào)節(jié)機組的排氣溫度。通過潤滑油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和流速優(yōu)化，避免煤層氣微量粉塵和水蒸氣對機組潤滑系統(tǒng)的影響，噴油螺桿壓縮機與驅(qū)動電機采用直聯(lián)方式，無需設(shè)同步齒輪和變速箱，陽轉(zhuǎn)子通過壓縮腔氣體直接帶動陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、運行更可靠(圖1)。

圖1 煤層氣螺桿壓縮機組流程框圖

2 噴油螺桿壓縮機組設(shè)計及應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 驅(qū)動方式

煤層氣井多分布在偏遠山區(qū)，多數(shù)現(xiàn)場沒有電網(wǎng)分布，針對此種條件，可以采用燃氣發(fā)電機組供電或燃氣發(fā)動機直接拖動壓縮機運轉(zhuǎn)；當采用燃氣發(fā)電，螺桿壓縮機必須采用變頻啟動，減小壓縮機組啟動電流，降低對發(fā)電網(wǎng)的沖擊。

2.2 節(jié)能優(yōu)勢

噴油螺桿壓縮機設(shè)有單獨的流量調(diào)節(jié)機構(gòu)，采用位于殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)子下端的滑閥，通過高壓潤滑油驅(qū)動油活塞軸向移動，帶動滑閥軸向移動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與滑閥間密封腔容積大小，實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的目的，密封腔容積的調(diào)節(jié)范圍為10%～100%，伴隨密封腔容積的減小，壓縮機功耗降低。此種流量調(diào)節(jié)方式，更體現(xiàn)在對井口長期開采而引起的流量衰減的適用性，通過減小抽采氣量，避免井口產(chǎn)生負壓，保護氣井長期穩(wěn)定運行。

2.3 排氣壓力露點控制

因噴油螺桿壓縮機壓縮過程中噴入潤滑油，必須保證煤層氣在壓縮過程中無液態(tài)水析出，以免造成潤滑油被稀釋，粘度下降；通過對煤層氣進氣溫度、水蒸氣分壓力和進出口壓縮比的綜合計算，結(jié)合機組設(shè)計的噴油溫度，確定控制機組排氣溫度比排氣壓力下露點溫度高10℃以上，同時確保噴油螺桿壓縮機排氣溫度上限不超過105℃。煤層氣壓縮機組多為室外露天安裝運行，機組冷卻方式為風冷；當機組在冬季低溫條件下啟動，啟動前必須先對潤滑油進行充分的預(yù)熱，并對潤滑油管路進行伴熱和保溫，控制系統(tǒng)采集啟動前潤滑油溫度并開啟潤滑油加熱器，確保潤滑油供油粘度滿足開機要求。

2.4 壓縮比適用范圍大

噴油螺桿壓縮機壓比適用范圍大，入口最低壓力可達到-70kPa，最高排氣壓力6.4MPa。 因在壓縮過程中噴入潤滑油冷卻，噴油螺桿壓縮機單機壓比范圍為1.5～20，一級壓縮即可滿足井口和中心站的增壓需求，只要排氣壓力不超過機組設(shè)計壓力，壓縮機實際運行過程中，即使進氣壓力、排氣壓力偏離設(shè)計點，只要機組輸入功率足夠，壓縮機也可以穩(wěn)定運行，最大限度滿足煤層氣開采壓力和流量的波動。不會因氣井長期運行，采出壓力下降而造成機組無法運行；

煤層氣過濾凈化，煤層氣壓縮機組入口設(shè)有三相分離器，進入壓縮機前，首先通過分離器沉降分離對氣、水分離，再通過旋風分離，對液滴、煤粉的分離率達到99.9%,分離器底部設(shè)置自動排污；進一步通過內(nèi)置聚結(jié)式攔截濾芯對煤層氣中的煤粉進行過濾，通過對煤粉和液態(tài)水的分離，保證煤層氣壓縮機組的進氣潔凈度。壓縮機出氣口設(shè)置油分離器、高效精油分離器，控制出口煤層氣含油量小于1ppm，滿足后端工藝輸送要求，降低機組潤滑油消耗。

2.5 余熱回收利用

煤層氣在壓縮過程中會產(chǎn)生壓縮熱，大多采用風冷換熱降溫，將壓縮熱量傳遞到環(huán)境中；煤層氣壓縮機多分布在野外，通過在潤滑油系統(tǒng)或煤層氣冷卻系統(tǒng)串聯(lián)水冷換熱器，對煤層氣壓縮機組的余熱回收，制取熱水用于冬季供暖或生活熱水等，增加能源的回收利用率(圖2)。

圖2 噴油螺桿壓縮機潤滑油系統(tǒng)余熱回收流程框圖

2.6 撬裝模塊化

伴隨人工成本的提高，煤層氣壓縮機組趨于集成撬裝化，一般將過濾系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，增壓系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、機組房艙(如需)集成于一個或兩個撬塊內(nèi)，在施工現(xiàn)場僅需接通電、氣系統(tǒng)，機組固定在平整的承重地面，即可調(diào)試運行。螺桿壓縮機對基礎(chǔ)要求低，大大節(jié)約土建費用及工程建設(shè)周期。

2.7 防爆要求

煤層氣主要成份為甲烷，為易燃易爆氣體，不同于壓縮空氣，在壓縮過程中，需嚴格控制易燃易爆氣體滲漏率，噴油螺桿壓縮機配套機械密封，通過潤滑油隔離壓縮腔和環(huán)境，最大限度降低軸封處氣體的滲漏。煤層氣壓縮機組須滿足標準GB3836《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》，防爆級別Zone2，IIA T1。壓縮機配套電機及電氣控制系統(tǒng)均需滿足防爆使用要求；電纜布線必須滿足GB 50257《電氣裝置安裝工程 爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電氣裝置施工及驗收規(guī)范》標準要求，防爆走線型式：阻燃線纜+橋架/鎧裝電纜連接，滿足野外使用的防護要求，儀表接口、線纜進線口配置電纜密封夾緊接頭，整機滿足防爆使用要求。

3 噴油螺桿壓縮機組特點

3.1 噴油螺桿壓縮機組優(yōu)勢

(1)可靠性高，易損件少，對濕沖程(液體、粉塵)不敏感，沒有液擊危險；

(2)螺桿壓縮機成熟的噴液內(nèi)冷卻技術(shù)，可在較高壓比工況下運行，壓比最高可達到20，運行安全可靠；

(3)維護費用低、運轉(zhuǎn)壽命長，維修方便，運動部件少，運行可靠，維護費用、維護勞動強度低，操作人員不必經(jīng)過長時間的專業(yè)培訓(xùn)；

(4)機組具有流量無極可調(diào)功能，針對流量調(diào)節(jié)無需配套變頻器；

(5)動力平衡性好。螺桿壓縮機沒有不平衡的慣性力，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)安全，振動小，重量輕，占地面積少，結(jié)構(gòu)緊湊，不需要復(fù)雜基礎(chǔ)，安裝簡單；

(6)連續(xù)輸氣，壓力穩(wěn)定無脈沖，不需要緩沖罐，管路設(shè)計簡單；

3.2 噴油螺桿壓縮機組缺點

(1)造價高。螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面，對加工設(shè)備精度要求高。

(2)不能應(yīng)用于高壓條件。由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制，一般螺桿壓縮機排氣壓力不超過6.4MPaG。

(3)不能制成微型。螺桿壓縮機依靠間隙密封氣體，只有一定的容積流量才能具有優(yōu)越的性能。

4 項目應(yīng)用

煤層氣螺桿壓縮機經(jīng)過多年使用運行，已積累了充分技術(shù)經(jīng)驗。以中海油某山西4×105m3/d煤層氣輸送項目(圖3)為例，選用噴油螺桿壓縮機SN40S-1400F兩臺，機組進氣壓力：0.05MPa(G)，排氣壓力：1.4MPa(G)，單臺處理氣量：2×105m3/d，機組置于煤層氣中心站動設(shè)備區(qū)域，冷卻方式為空氣直接換熱，充分保證夏季冷卻性能，經(jīng)過兩年多的穩(wěn)定運行，各項參數(shù)滿足設(shè)計要求。此機組的穩(wěn)定運行，為后續(xù)管道輸送提供了動力，減少了現(xiàn)場操作人員巡檢和檢修工作量，特別是滿足了中心站煤層氣生產(chǎn)工藝的高壓力、大流量的應(yīng)用需求，展現(xiàn)出了螺桿壓縮機的應(yīng)用優(yōu)勢。

圖3 煤層氣輸送項目運行現(xiàn)場