海上油田天然氣壓縮機國產(chǎn)化研究

毛埝宇

（上海海洋油氣分公司，上海 200135）

1 前言

在當(dāng)今經(jīng)濟快速發(fā)展的時代，能源需求的持續(xù)增長推動海洋油氣田的開發(fā)建設(shè)。隨著石油行業(yè)的發(fā)展，天然氣壓縮機在油氣田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。在海洋油氣田的開發(fā)中，生產(chǎn)過程通常是從海上平臺采出油氣資源后，通過海底管道輸送至陸地終端。但由于海底管道建設(shè)成本影響，海上平臺的運營運輸方式基本通過中心平臺的外輸海底管道統(tǒng)一運輸至陸地終端進行處理，進而導(dǎo)致海上平臺天然氣管道壓縮機的實際設(shè)計施工要求復(fù)雜，需考慮區(qū)域整體多因素影響。

海上平臺天然氣壓縮機是制約平臺生產(chǎn)運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備之一。由于海上平臺外輸壓縮機隨區(qū)域油田開發(fā)、輸送產(chǎn)量增加，產(chǎn)生了輸送壓力逐漸增大的現(xiàn)象，生產(chǎn)高峰時期必然導(dǎo)致壓縮機出口壓力遠大于初期壓力的情況產(chǎn)生。且由于國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)能力的限制，長期以來，海上平臺天然氣壓縮機組的核心設(shè)備均采用國外進口制造商的技術(shù)產(chǎn)品。在海上平臺天然氣外輸壓縮機領(lǐng)域，國外制造商在技術(shù)和市場上形成雙重壟斷，由此導(dǎo)致國外進口設(shè)備在價格領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢，最終導(dǎo)致國內(nèi)制造商在海上平臺天然氣壓縮機研用方面受到限制。

根據(jù)近年來國內(nèi)制造商天然氣壓縮機的技術(shù)發(fā)展和國家降本增效政策的要求，在保證海上平臺安全運行、減低能量損耗、提高油田效益的基礎(chǔ)上，根據(jù)海上平臺天然氣管道的實際運行情況，提出海上油田天然氣壓縮機國產(chǎn)化的優(yōu)化改造方案。通過綜合分析海上平臺天然氣壓縮機的特點要求，對比國內(nèi)外制造商的優(yōu)勢不足，分析國產(chǎn)化壓縮機技術(shù)特點，最終確保國產(chǎn)天然氣壓縮機運行的持續(xù)穩(wěn)定。

2 海上壓縮機國產(chǎn)化意義

2.1 國產(chǎn)政策要求

隨著科技發(fā)展及國內(nèi)外政策環(huán)境變化，國家和企業(yè)發(fā)布了一系列促進國產(chǎn)化裝備制造發(fā)展的政策及措施，如《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》《創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略規(guī)劃》的國產(chǎn)化創(chuàng)新要求等，并在相關(guān)規(guī)劃措施文件中指出關(guān)于天然氣壓縮機等關(guān)鍵設(shè)備裝置的國產(chǎn)化要求。

2.2 國家能源保障

根據(jù)國家能源行業(yè)發(fā)展保障需求，我國海洋油氣資源的開發(fā)占比日益增多，占據(jù)國家能源行業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。隨著海洋油氣資源的開發(fā)，海上平臺所需的天然氣外輸壓縮機等核心設(shè)備的需求也日益增加。但目前海上平臺天然氣壓縮機設(shè)備的進口程度占比極高，國產(chǎn)天然氣壓縮機設(shè)備的實際應(yīng)用數(shù)量極少。在正常商務(wù)貿(mào)易環(huán)境中，平臺天然氣壓縮機等設(shè)備可通過簽訂合同交易，獲取保障海上平臺平穩(wěn)運行的技術(shù)服務(wù)、設(shè)備備件等。但在特殊情況下，相關(guān)國際環(huán)境和政策變化則可能出現(xiàn)無法進行產(chǎn)品貿(mào)易、交易周期過長等意外情況的產(chǎn)生，導(dǎo)致海上平臺產(chǎn)能降低，甚至直接造成平臺停產(chǎn)停輸。因此，為把能源掌握在自己手中，保障國家能源安全，必須推進海上天然氣壓縮機國產(chǎn)化的實施。

2.3 提高海上平臺效益

海上平臺的產(chǎn)能輸送不僅受油氣田生產(chǎn)能力的制約，同時受平臺海底管道外輸能力的限制。而海上平臺外輸壓縮機組的運行性能則是制約海底管道輸送能力的關(guān)鍵設(shè)備。同時，海上平臺外輸壓縮機組的費用也占據(jù)平臺投資運行總費用的較大份額。但由于國外制造商在產(chǎn)品技術(shù)工藝等方面的壟斷，導(dǎo)致海上平臺進口外輸壓縮機組在進行招投標(biāo)時，國外廠商在商品價格制定方面具有極大優(yōu)勢，其最終的成交金額相比國內(nèi)制造商最初定價仍高約20%以上。因此，海上平臺壓縮機設(shè)備的國產(chǎn)化對降低平臺投資建設(shè)總費用，提高平臺產(chǎn)能收益，保障平臺經(jīng)濟運行等具有顯著意義。

2.4 推動關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

目前，國內(nèi)壓縮機設(shè)備中天然氣壓縮機組主要以30MW級別的燃?xì)廨啓C驅(qū)動以及20MW級變頻調(diào)速電機驅(qū)動的離心式壓縮機為主。因為海上平臺占地空間、運輸維護難度、壓縮機備件更換、設(shè)備可靠性要求等條件限制，所以目前海上平臺外輸天然氣壓縮機類型以離心壓縮機為主。目前，我國高壓的離心壓縮機國產(chǎn)化設(shè)備在20MPa壓力領(lǐng)域范圍的產(chǎn)品技術(shù)與國外進口設(shè)備的參數(shù)性能基本相匹配，具備壓縮機國產(chǎn)化的應(yīng)用實施條件。而更高壓縮領(lǐng)域范圍的離心壓縮機設(shè)備，國內(nèi)制造商處于試驗階段，對高壓流體運動特性的模擬仿真，高壓領(lǐng)域的轉(zhuǎn)子動力學(xué)以及干氣密封潤滑等附屬系統(tǒng)依然在進行研究探索。而高壓離心壓縮機領(lǐng)域中，國外制造商如MAN、GE、西門子等品牌廠商目前已有50MPa壓力領(lǐng)域離心壓縮機的實際應(yīng)用。同時，國產(chǎn)化離心壓縮機的驅(qū)動系統(tǒng)也是影響離心壓縮機國產(chǎn)化的重要原因。由于目前國內(nèi)離心壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)中，電機功率檔位覆蓋全面且電機更換費用占總壓縮組費用比例較低，壓縮機國產(chǎn)化后，考慮電機驅(qū)動則可以整體進行壓縮機組的國產(chǎn)化應(yīng)用且后期更換便利。目前，國內(nèi)燃?xì)廨啓C功率檔位級數(shù)跨度較大、級別數(shù)量較少，無法像國外燃機設(shè)備一樣做到檔位全系列覆蓋。且后期隨生產(chǎn)功率變化，燃機更換費用較高。目前，我國海上平臺領(lǐng)域的壓縮機組設(shè)施仍大多依賴進口設(shè)備，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用仍有一定的差距，開展國產(chǎn)化對于促進國內(nèi)裝備制造業(yè)的建設(shè)，推動技術(shù)研究的創(chuàng)新發(fā)展，避免關(guān)鍵技術(shù)卡脖子問題具有重要意義。

3 海上壓縮機技術(shù)要求

根據(jù)目前對市場國產(chǎn)天然氣壓縮機應(yīng)用情況的調(diào)查研究，雖然國產(chǎn)天然氣壓縮機在陸地已得到廣泛應(yīng)用，但與陸地天然氣壓縮機項目相比，海上平臺天然氣壓縮機組有相對不同的技術(shù)要求。

3.1 平臺布置空間要求

與陸地天然氣增壓站不同，海上平臺空間范圍有限，海洋油氣開發(fā)要求海上平臺必須支持各個生產(chǎn)活動的開展，因此，導(dǎo)致天然氣壓縮機的配置數(shù)量以及占地空間都需受到限制。在海上天然氣壓縮機設(shè)計時，需考慮平臺整體布局，充分考慮空間合理性。同時，海上壓縮機還需考慮平臺壓縮機的操作維修空間及附屬輔助系統(tǒng)占地，對空間設(shè)計要求嚴(yán)格。

3.2 海洋工藝參數(shù)要求

海上平臺相較陸地輸送，運行工藝參數(shù)更為復(fù)雜多變，壓縮機適用流量操作范圍要求廣泛，壓縮機工況適應(yīng)區(qū)域要求高。陸地壓縮機一般應(yīng)用于天然氣增壓站，處理流量穩(wěn)定，數(shù)值波動處于壓縮機正常工況區(qū)域，對壓縮機工況適用要求較低。但海上平臺天然氣生產(chǎn)流量范圍波動劇烈，對壓縮機工況適應(yīng)要求極高。海上平臺投產(chǎn)初期與平臺生產(chǎn)末期的生產(chǎn)處理流量數(shù)值相差極大，要求壓縮機的適應(yīng)性較廣，需要壓縮機適應(yīng)相對較寬的工況范圍。

海上平臺在天然氣生產(chǎn)處理過程中可能會出現(xiàn)復(fù)雜的工藝介質(zhì)特性，包括帶液、含硫等工藝介質(zhì)的產(chǎn)生。同時，工藝介質(zhì)的組分影響，要求海洋天然氣壓縮機工況適應(yīng)性具有較高范圍。海洋天然氣投產(chǎn)初期及生產(chǎn)末期組分變化較大，壓縮機處理工藝介質(zhì)的組分變化，影響處理天然氣的摩爾質(zhì)量的改變，根據(jù)質(zhì)量體積公式的原理，最終影響處理介質(zhì)壓縮體積的變化。

3.3 海上設(shè)備可靠性要求

海上壓縮機的可靠性要求比陸地壓縮機的要求標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。因為陸地壓縮機維修方便，設(shè)備成本、運輸成本以及人工成本相對較低，資源調(diào)用便利。而海上平臺設(shè)備運輸、人員維護，資源調(diào)配等周期較長，運輸方式有限，問題溝通困難，因此，平臺壓縮機設(shè)計建造要求不允許出現(xiàn)較大的問題，對壓縮機的穩(wěn)定性和可靠性有極高要求。同時，天然氣壓縮機的控制系統(tǒng)及配套系統(tǒng)，陸地與海洋也有較大區(qū)別，因為陸地環(huán)境及更換維修成本等方面，陸地天然氣壓縮機系統(tǒng)中除壓縮機整體設(shè)備外，對其附屬的儀表閥門等要求規(guī)范相對較寬。海上平臺由于周期成本等方面的考慮，平臺天然氣壓縮機要求整個控制系統(tǒng)及配套系統(tǒng)的儀表閥門都需取得相應(yīng)證件，減少易損件、磨損件，使其能夠具備一定條件的可靠度保證，可以保持很長時間的運行。

3.4 國產(chǎn)壓縮機驅(qū)動要求

海上平臺壓縮機的驅(qū)動方式設(shè)計，一般有電驅(qū)和燃驅(qū)兩種。電驅(qū)及燃驅(qū)的選擇一般也是以投資成本費用為主要標(biāo)準(zhǔn)進行評價，通常考慮費用最低的實施方案。同時，綜合考慮平臺其他生產(chǎn)設(shè)備的用電情況，以壓縮機為用電主體，壓縮機對電站的負(fù)荷較大，則推薦燃驅(qū)。考慮國產(chǎn)化及降本增效措施，目前壓縮機國產(chǎn)化電驅(qū)驅(qū)動方面，功率檔位較為全面，覆蓋面廣，費用較低。而國內(nèi)燃機功率檔位少、費用高，因此，國產(chǎn)化壓縮機通常優(yōu)先考慮電驅(qū)驅(qū)動。

3.5 海洋鹽霧環(huán)境影響及防腐要求

相對陸地天然氣壓縮機的工作環(huán)境，平臺的天然氣壓縮機長期處于濕度鹽度相對較高的海洋鹽霧環(huán)境中，各設(shè)備運行所處環(huán)境較為惡劣。海上平臺天然氣壓縮機在設(shè)計選用時，對壓縮機的防腐蝕等條件有高標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 國內(nèi)外制造商特點對比

目前，海上平臺主要通過海底管道進行長距離的油氣介質(zhì)輸送，壓縮機為平臺海底管道的對外輸送提供動力，是保障海底管道運行經(jīng)濟安全的核心設(shè)備，是制約海上平臺作業(yè)生產(chǎn)和油氣傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。在海上平臺油氣輸送的海底管道上，極大部分平臺通常使用離心式壓縮機來對介質(zhì)進行增壓傳輸。以下主要對國內(nèi)外離心式壓縮機的相關(guān)技術(shù)進行對比分析。

4.1 壓縮機結(jié)構(gòu)

國內(nèi)廠家經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力，在引進消化國外先進技術(shù)的同時，采取與各大院校、研究所聯(lián)合開發(fā)的科研方式，不斷進行自主研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計以及經(jīng)驗累積，進行產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，大力推動技術(shù)進步。經(jīng)過國內(nèi)多年產(chǎn)品的實際應(yīng)用，積累實踐經(jīng)驗，吸取用戶意見，逐步優(yōu)化完善產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)方面的不足，在離心式壓縮機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理穩(wěn)定性方面已達進口機組水平，在相關(guān)技術(shù)上已有顯著進步（表1）。

表1 國內(nèi)外壓縮機參數(shù)對照表

4.2 性能對比

目前，國內(nèi)離心式壓縮機的技術(shù)水平與國外產(chǎn)品無顯著差異，壓縮機多變效率與轉(zhuǎn)速范圍等指標(biāo)均已達到國外先進水平。在結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)方面，國產(chǎn)和進口機組各有特點和優(yōu)缺點。表中離心式壓縮機的轉(zhuǎn)速范圍國內(nèi)與國外水平相當(dāng)，離心壓縮機的多變效率和國外廠家接近（表2）。

表2 國內(nèi)外壓縮機指標(biāo)對照表

4.3 干氣系統(tǒng)

離心壓縮機干氣密封等附屬系統(tǒng)設(shè)計方面，目前在30MPa左右壓力領(lǐng)域的范圍內(nèi)，國內(nèi)外廠家的供貨產(chǎn)品基本無顯著差距。國內(nèi)密封廠家經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累及產(chǎn)品優(yōu)化，密封產(chǎn)品的整體性能與國際一流廠家基本達到同一水平，僅在一些細(xì)節(jié)設(shè)計上仍有進步的空間。但在更高壓力領(lǐng)域，海上離心壓縮機的干氣密封系統(tǒng)方面，國內(nèi)外廠家差距較大。目前，海上高壓領(lǐng)域的離心壓縮機的相關(guān)技術(shù)是國內(nèi)廠家需要攻克的難點，同時，高壓領(lǐng)域的干氣密封系統(tǒng)也是重要關(guān)鍵。目前，國內(nèi)高壓干氣密封系統(tǒng)還不太成熟，包括密封仿真、軸承、軸頭儲存器等技術(shù)，仍無法和國外廠家進行競爭。

4.4 撬裝及可靠性

在壓縮機橇塊設(shè)計方面，不同于陸地項目對撬塊空間相對寬松的要求，海上平臺要求撬塊空間必須緊湊，盡量減小撬塊內(nèi)部的設(shè)備體積，優(yōu)化撬塊設(shè)備的管線整體布局，節(jié)約占地維修空間，以滿足海上平臺緊湊化的布局需求。在橇裝化方面，國內(nèi)廠家成橇能力同國外產(chǎn)品仍存在一定差距，在體積優(yōu)化、管路布置、儀表閥門布局上，仍具有較大的提升空間。目前，國外制造商產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化水平已經(jīng)深入設(shè)計的每個細(xì)節(jié)，不僅橇塊標(biāo)準(zhǔn)化程度高，且達到選型配置標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。目前撬塊的標(biāo)準(zhǔn)化程度還是國外廠家占據(jù)絕大優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)壓縮機廠家雖然可以按照設(shè)計提出的技術(shù)要求進行制造及程序控制，但無法避免壓縮機在使用中產(chǎn)生工作不穩(wěn)定的情況。國產(chǎn)壓縮機在外觀、焊接工藝、表面粗糙度等細(xì)節(jié)方面的質(zhì)量控制和國外制造商相比，仍有一定差距。

4.5 產(chǎn)品服務(wù)

國內(nèi)外離心壓縮機廠商在具備同等功能的產(chǎn)品服務(wù)方面，國內(nèi)離心壓縮機產(chǎn)品及服務(wù)價格具有極大優(yōu)勢。除離心壓縮機產(chǎn)品本身的價格優(yōu)勢外，相關(guān)人員的技術(shù)服務(wù)費用、附屬系統(tǒng)費用、備品備件費用、材料運輸費用、廠家培訓(xùn)費用及后期維護保養(yǎng)費用等，國內(nèi)價格遠優(yōu)惠于國外廠家。有效減少資金占用和采購成本的同時，節(jié)省國際采購程序和國內(nèi)采購代理的環(huán)節(jié)，極大地節(jié)約采購運營成本。在可控風(fēng)險方面，國內(nèi)的抗風(fēng)險能力略強于國外廠商。特殊條件下，國外技術(shù)人員、產(chǎn)品的通行運輸易受影響限制，從而導(dǎo)致項目總體進度流程及備用零部件的采購需求的變化。而國內(nèi)廠商在運輸服務(wù)方面則相對便利，且項目整體進度調(diào)整也相對靈活，擁有較多保證產(chǎn)品的正常交付的調(diào)控措施，能夠在減少備品備件需求的同時提高平臺的運營收益。

此外，國外廠商的產(chǎn)品系統(tǒng)、配套設(shè)施、技術(shù)手冊、操作標(biāo)識以及培訓(xùn)材料等通常使用英文進行標(biāo)注。在進行翻譯的過程中存在含義偏差，要求技術(shù)操作人員具備相應(yīng)等級的專業(yè)英文基礎(chǔ)，實際操作過程中存在一定難度。壓縮機國產(chǎn)化后，國內(nèi)制造商相同的語言文化背景使得技術(shù)服務(wù)更加便捷順暢，有助于提升設(shè)備運維水平，提高故障解決效率。同時，國外產(chǎn)品及附屬設(shè)施對應(yīng)配套系統(tǒng)的兼容性相對較差，無法做到與其他系統(tǒng)良好兼容。國內(nèi)配套系統(tǒng)的操作則相對便捷，兼容性優(yōu)良。

5 國產(chǎn)應(yīng)用

5.1 應(yīng)用背景

國產(chǎn)化大型離心式壓縮機組目前已改造應(yīng)用于S海上平臺，能源結(jié)構(gòu)安裝位置等技術(shù)參數(shù)與海上平臺原方案相匹配。由于S海上平臺相鄰已開發(fā)區(qū)域的油氣田產(chǎn)量變化，導(dǎo)致平臺處理輸送產(chǎn)量增加，目前S海上平臺的離心壓縮機已無法滿足海底管線外輸壓力的要求。為保證海洋油氣田的正常生產(chǎn)，提高S海上平臺輸氣管線的起輸壓力，需新增天然氣壓縮機進行增壓外輸。以此達到海上平臺起輸壓力的要求，保障海洋油氣田的正常開發(fā)生產(chǎn)及平臺的平穩(wěn)高效運行。

5.2 流程簡介

S海上平臺油氣從井口開采后，進入生產(chǎn)分離器進行分離處理。后與來自S平臺上游的天然氣混合后進入天然氣壓縮系統(tǒng)。天然氣經(jīng)壓縮系統(tǒng)中增壓壓縮機進行壓縮，進入三甘醇脫水系統(tǒng)脫水，處理至滿足海底管道外輸要求后，經(jīng)S海上平臺海底管道混輸至下一級，并最終至陸地終端。

其主要流程如圖1所示。

圖1 天然氣增壓壓縮機系統(tǒng)簡圖

5.3 應(yīng)用特點

S海上平臺天然氣離心壓縮機在陸上已有應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，針對海上特殊環(huán)境，壓縮機整體功能應(yīng)用與陸地?zé)o明顯變化的同時進行對應(yīng)性改變。針對海上空間要求，國內(nèi)廠家根據(jù)已有撬塊化經(jīng)驗，在借鑒國外機組成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，考慮已有平面布局，利用三維模型全面展開撬塊化設(shè)計，撬體緊湊充分考慮空間合理性，撬體緊湊布置，減小整體設(shè)備的占地空間。針對工藝參數(shù)要求，進行多方案模擬仿真，增設(shè)入口凈化處理設(shè)施，配置過濾加熱裝置，增加處理凈化工藝并針對工藝介質(zhì)特性選取對應(yīng)材料，滿足壓縮機工況適應(yīng)性條件。針對設(shè)備可靠性要求，增強壓縮機內(nèi)部零件的抗外界干擾能力，整體機械設(shè)備加工，減少設(shè)備彎道結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低所受扭矩載荷，保證壓縮機整體強度和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，通過壓縮機模擬運行，進行數(shù)據(jù)分析計算，確保實際運行的安全穩(wěn)定。

針對海洋防腐要求，在設(shè)計時考慮防護設(shè)計，開發(fā)針對海洋環(huán)境下的防腐蝕涂層技術(shù)，對壓縮機機組外表面進行有效保護。同時，提供全生命周期的服務(wù)，對從設(shè)備設(shè)計到完工驗收以及后期維修保養(yǎng)的全方位流程進行管理負(fù)責(zé)。

6 結(jié)語

綜上所述，在充分了解海上天然氣壓縮機國產(chǎn)化意義的基礎(chǔ)上，全面分析海上壓縮機的技術(shù)難點要求，綜合對比國內(nèi)外制造商的產(chǎn)品特點，最終說明海上壓縮機國產(chǎn)化應(yīng)用案例的優(yōu)勢特點。海上油田天然氣離心式國產(chǎn)化壓縮設(shè)備的配置靈活，設(shè)備工藝完全，滿足海上平臺新增工況的需求，并且極大地降低了投資費用，節(jié)約了工程建造時間，減少設(shè)備運輸成本，并為適應(yīng)海上環(huán)境特點提出針對性方案，實現(xiàn)國內(nèi)國產(chǎn)化離心壓縮機海上應(yīng)用的重要突破。