燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

付浩 雷文賢 張璐 趙青 李華山 李俊杰 王繼強(qiáng)

1長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

2新疆油田公司基本建設(shè)工程處

長(zhǎng)慶油田是我國(guó)目前最大的地面油氣田，2019年長(zhǎng)慶油田天然氣產(chǎn)量突破4.12×1010m3，占國(guó)內(nèi)天然氣總產(chǎn)量的25%。通過(guò)壓縮機(jī)降低上游井口壓力，提高氣井產(chǎn)量，是長(zhǎng)慶油田重要的地面生產(chǎn)工藝。目前長(zhǎng)慶油田有天然氣壓縮機(jī)百余臺(tái)，其中燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)占據(jù)了大部分，根據(jù)國(guó)家對(duì)噪音排放的要求，需要建設(shè)大量的封閉廠房來(lái)隔絕治理壓縮機(jī)噪音。但空間封閉給天然氣壓縮機(jī)帶來(lái)了安全及運(yùn)行方面的風(fēng)險(xiǎn)，一方面是天然氣泄漏在廠房?jī)?nèi)積聚帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)；另一方面是機(jī)組排熱導(dǎo)致室內(nèi)溫度過(guò)高帶來(lái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)暖通專業(yè)而言，通風(fēng)是應(yīng)對(duì)以上兩種風(fēng)險(xiǎn)的重要手段，但目前壓縮機(jī)廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)往往只關(guān)注天然氣安全方面的泄漏問(wèn)題，很少關(guān)注機(jī)組排熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)直接給出熱量值，缺少數(shù)據(jù)來(lái)源和依據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)性不強(qiáng)。為此從天然氣安全、壓縮機(jī)組散熱兩個(gè)角度對(duì)燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)廠房的通風(fēng)設(shè)計(jì)開(kāi)展討論[1-4]。

1 燃?xì)怛?qū)動(dòng)壓縮機(jī)及廠房條件

天然氣壓縮機(jī)廠房的排風(fēng)計(jì)算根據(jù)需求可以分天然氣泄漏所需安全排風(fēng)量要求及機(jī)組排熱所需排風(fēng)量要求，壓縮機(jī)廠房的設(shè)計(jì)風(fēng)量應(yīng)同時(shí)滿足兩種排風(fēng)的需求。以長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田采用的RTY1250M 型燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)組為例，夏季室外通風(fēng)溫度定為27 ℃，分別對(duì)兩種排風(fēng)的計(jì)算進(jìn)行探討。

1.1 機(jī)組參數(shù)

RTY1250M 型燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)組包含發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、空冷器、循環(huán)水系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)等設(shè)備。壓縮機(jī)組主要參數(shù)見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)工藝流程見(jiàn)圖1，壓縮機(jī)示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)工藝流程Fig.1 Process flow of gas engine

圖2 RTY1250M型天然氣壓縮機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of RTY1250M natural gas compressor

表1 天然氣壓縮機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of natural gas compressor unit

1.2 廠房情況

壓縮機(jī)廠房長(zhǎng)17 m，寬15.5 m，凈高7 m，采用鋼架結(jié)構(gòu)，廠房外墻0.9 m 以下采用磚砌，0.9 m以上采用輕鋼結(jié)構(gòu)。壓縮機(jī)主體與空冷器一體成橇，安裝在壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)，緩沖罐側(cè)一端面向外門，空冷器一端面向外墻。

2 通風(fēng)設(shè)計(jì)

2.1 天然氣泄漏所需安全排風(fēng)量

天然氣壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)存在突然泄漏大量危險(xiǎn)性氣體的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)置日常及事故狀態(tài)的機(jī)械排風(fēng)設(shè)施。通常設(shè)計(jì)中采用換氣次數(shù)的方法確定房間的日常及事故通風(fēng)量[5-9]。不同規(guī)范對(duì)天然氣壓縮機(jī)通風(fēng)換氣次數(shù)的要求如表2所示。

從表2 中可以看出不同規(guī)范對(duì)天然氣壓縮機(jī)房的換氣次數(shù)要求基本一致，但對(duì)層高6 m 以上房間的事故通風(fēng)量計(jì)算方法有分歧。因天然氣壓縮機(jī)房?jī)?nèi)需考慮設(shè)備維修和保養(yǎng)，室內(nèi)應(yīng)設(shè)置桁吊，層高通常在7 m 以上，這導(dǎo)致兩種計(jì)算方法最終得到的結(jié)果差別較大。因此《石油天然氣地面建設(shè)供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》《油田油氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》定位與油田生產(chǎn)更為貼近，也更加嚴(yán)格，建議油氣田建設(shè)的天然氣壓縮機(jī)房，事故通風(fēng)設(shè)計(jì)總換氣次數(shù)采用每日10次常規(guī)通風(fēng)加8次全體積通風(fēng)的計(jì)算結(jié)果。以RTY1250M 型機(jī)組為例，壓縮機(jī)房長(zhǎng)17 m，寬15.5 m、凈高7 m，安全所需排風(fēng)量為30 566 m3/h，補(bǔ)風(fēng)量取排風(fēng)量的80%，為24 452.8 m3/h。

表2 不同規(guī)范天然氣壓縮機(jī)房通風(fēng)要求Tab.2 Ventilation requirements of natural gas compressor room in different codes

2.2 排熱所需排風(fēng)量

天然氣壓縮機(jī)組運(yùn)行會(huì)散發(fā)大量熱量，若不及時(shí)排出，夏季容易引起室溫過(guò)高，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)?，F(xiàn)有的規(guī)范及產(chǎn)品手冊(cè)中對(duì)機(jī)組的具體散熱量和所需配套通風(fēng)都沒(méi)有明確的要求。根據(jù)查閱資料，燃驅(qū)壓縮機(jī)散發(fā)熱量可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量和天然氣壓縮散熱量?jī)纱蟛糠帧?/p>

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量

天然氣壓縮機(jī)組散發(fā)熱量主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒熱量、壓縮機(jī)壓縮氣體放熱以及機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中的功率損耗。機(jī)組在不同工況條件下各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和額定參數(shù)有一定的出入，通過(guò)查詢壓縮機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備說(shuō)明書(shū)工況表，明確天然氣壓縮機(jī)部分工況條件（表3）。

表3 壓縮機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)各工況數(shù)據(jù)Tab.3 Data of compressor and engine under various working conditions

從圖3和表3中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的能量在不同輸出功率下，各分項(xiàng)的占比相對(duì)恒定，主要轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功，煙氣排放及缸套水散熱。其中煙氣通過(guò)煙道排出室外，該部分熱量約占燃料總熱量的27%，不計(jì)入散入室內(nèi)熱量；缸套水、潤(rùn)滑油、中間冷卻器散發(fā)的熱量絕大部分通過(guò)空冷器散失，約占燃料總熱量的35%；輻射熱量直接散失到室內(nèi)，轉(zhuǎn)化為排風(fēng)降溫負(fù)荷，約占燃料總熱量的6.4%。

圖3 燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量比例Fig.3 Proportion of output energy of gas engine

2.2.2 天然氣壓縮散熱量

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功傳遞給壓縮機(jī)壓縮天然氣；天然氣近似絕熱壓縮后，壓力和溫度升高，然后通過(guò)空冷器釋放熱量，進(jìn)入下一級(jí)壓縮或外輸。采用Lee-Kesler法[10]計(jì)算天然氣焓值：

式中：H0為理想氣體比焓，cal/mol；H為熱焓，cal/mol；R為氣體常數(shù)，1.987cal/(mol·K)；TC為臨界溫度，K。

式中：H0為理想氣體比焓，J/kg；A、B、C、D、E、F為系數(shù)；T為蘭金溫標(biāo)度，R。（1 R。=5/9 K）。）

天然氣中甲烷成分占比通常在91%以上，將天然氣按照甲烷的物性參數(shù)來(lái)近似計(jì)算空冷器前后實(shí)際焓值變化，確定散熱量。經(jīng)計(jì)算6 種工況下對(duì)應(yīng)焓值如表4所示。

表4 天然氣焓值Tab.4 Enthalpy value of natural gas

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，天然氣空冷器的散熱量略高于機(jī)組輸入的機(jī)械功，類似于制冷循環(huán)的壓縮和放熱階段。由此可知，天然氣壓縮機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率最終都將轉(zhuǎn)化為熱量散失，而這部分熱量通過(guò)每級(jí)壓縮后的空冷器排放，約占燃料總熱量的31%。

2.2.3 風(fēng)量計(jì)算

以RTY1250M 型機(jī)組為例，壓縮機(jī)房長(zhǎng)17 m，寬15.5 m、凈高7 m。根據(jù)上文數(shù)據(jù)可知，空冷器放出的總熱量約占燃燒熱量的66%，約為1 960 kW，折合7.4 kW/m2，該部分熱量散入室內(nèi)，很難通過(guò)全面通風(fēng)方式消除，應(yīng)采用局部通風(fēng)的方式將熱量導(dǎo)流至室外。由于設(shè)備不保溫，適當(dāng)考慮空冷器散熱量5%的輸送熱損失，則空冷器散入室內(nèi)熱量約占燃燒熱量的3.3%；機(jī)組對(duì)外界的輻射熱量全部散入室內(nèi)，約占燃燒熱量的6.4%；考慮空冷器排風(fēng)直接導(dǎo)出室外的情況下，廠房全面通風(fēng)排熱量占機(jī)組燃燒熱量的9.7%，約為280 kW，相當(dāng)于機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的22%。

參考西安工程大學(xué)牛萌萌對(duì)天然氣壓縮機(jī)房的CFD（流體力學(xué)計(jì)算）通風(fēng)系統(tǒng)模擬，天然氣壓縮機(jī)房在高度方向上存在較明顯的溫度梯度，工作區(qū)域與房間頂部溫差接近10 ℃，考慮頂部排風(fēng)能更有效排出室內(nèi)熱量[11]。夏季室外通風(fēng)計(jì)算溫度為27 ℃，保障工作區(qū)域室內(nèi)溫度不大于38 ℃的情況下，屋頂排風(fēng)溫度取48 ℃；在空冷器排風(fēng)導(dǎo)出室外情況下，熱量平衡公式計(jì)算所需排風(fēng)量為49 832 m3/h，明顯大于上文描述的安全所需排風(fēng)量（30 566 m3/h）。

式中：G為消除預(yù)熱所需要的全面通風(fēng)量，m3/h；Q為單位時(shí)間內(nèi)總余熱量，kW；c為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；tp為排出空氣的溫度，℃；tW為室外空氣的溫度，℃；ρn為排風(fēng)空氣密度，kg/m3。

RTY1250M 型天然氣壓縮機(jī)空冷器與壓縮機(jī)是集成一體的，雖然排風(fēng)可以導(dǎo)出室外，但補(bǔ)風(fēng)仍需要從室內(nèi)取風(fēng)。因此在計(jì)算壓縮機(jī)廠房補(bǔ)風(fēng)量時(shí)，除了計(jì)算全面機(jī)械排風(fēng)所需要的補(bǔ)風(fēng)量，還應(yīng)計(jì)算空冷器排風(fēng)所需的補(bǔ)風(fēng)量；否則將導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高而停機(jī)。RTY1250M 型天然氣壓縮機(jī)空冷器排風(fēng)量為215 000 m3/h，則補(bǔ)風(fēng)量不應(yīng)小于(215 000+49 832)×80%=211 866 m3/h。

3 結(jié)論

通過(guò)分析不同規(guī)范對(duì)于壓縮機(jī)廠房的安全要求及燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)熱量的不同散失途徑，分別計(jì)算壓縮機(jī)廠房安全所需排煙排風(fēng)量和散熱所需通風(fēng)量，得到結(jié)論如下：

（1）不同規(guī)范對(duì)壓縮機(jī)廠房通風(fēng)的要求有出入，經(jīng)對(duì)比計(jì)算，取每日常規(guī)通風(fēng)10次加8次全體積通風(fēng)。

（2）天然氣壓縮過(guò)程與制冷循環(huán)的壓縮、放熱階段類似，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率都將轉(zhuǎn)化為熱量通過(guò)空冷器散失。

（3）燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)空冷器散熱量占到燃燒熱量的66%左右，從散熱角度出發(fā)，將空冷器設(shè)置在廠房外部最有利；若設(shè)置在廠房?jī)?nèi)，則應(yīng)將空冷器排風(fēng)單獨(dú)導(dǎo)出室外，不應(yīng)排入室內(nèi)。

（4）燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)散入室內(nèi)余熱約占燃燒熱量的9.7%，該部分熱量在各類工況下的占比都很穩(wěn)定，為方便計(jì)算，可以認(rèn)為散入室內(nèi)的余熱可按照機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的22%計(jì)算。

（5）經(jīng)計(jì)算，燃?xì)怛?qū)動(dòng)天然氣壓縮機(jī)廠房散熱所需排風(fēng)量明顯大于天然氣泄漏安全所需排風(fēng)量，因此在日常設(shè)計(jì)中不應(yīng)僅考慮規(guī)范要求的換氣次數(shù)，應(yīng)取兩者較大值。

（6）空冷器排風(fēng)量遠(yuǎn)大于壓縮機(jī)廠房全面排風(fēng)風(fēng)量，在補(bǔ)風(fēng)量設(shè)計(jì)中，空冷器安裝在廠房室內(nèi)時(shí)應(yīng)考慮空冷器的補(bǔ)風(fēng)量和全面排風(fēng)的補(bǔ)風(fēng)量。