海上油氣田天然氣壓縮機選型及設計探討

把全龍，侯辰光，吳 磊，冀光峰，梁建斌

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450）

0 引言

在海上油氣田，天然氣以氣井氣或伴生氣的方式被采出后，一般要進行壓縮，使壓力增至與流程應用要求相符合的水平，然后再通過管線輸送到陸上，或用作氣舉、注氣或作為平臺燃料。為了確保整個操作過程中的穩(wěn)定性、合理性，天然氣壓縮機型號選擇中必須綜合考慮多方面因素，使其符合相關生產作業(yè)的技術標準、促進生產水平的提升，進而減少能源消耗，實現(xiàn)生產效益的增加。因此，研究海上油氣田天然氣壓縮機的選型設計工作具有深遠意義。

根據(jù)方案規(guī)劃，將在渤海某區(qū)域新建一座中心處理平臺A，該區(qū)域的油田物流將全部輸送至A 平臺進行分離和處理，分離出的伴生氣經壓縮機增壓后部分進入該平臺的燃料氣處理系統(tǒng)，為平臺主電站提供燃料氣，剩余氣量與處理后的含水原油一起混輸至中心處理平臺B。本文簡要介紹海上油氣田常用壓縮機的不同類型及參數(shù)適用范圍，闡述各種型式壓縮機的優(yōu)缺點。

1 選擇壓縮機

目前，油氣田常用的壓縮機為活塞式壓縮機和離心式壓縮機兩大類。

往復式壓縮機常用于進氣流量300 m3/min 以下，特別適用于小流量、高壓力的場合，通常每級最大壓縮比為3:1 到4:1。其特點是效率高，耐久可靠，壓力范圍寬，流量調節(jié)方便；適應性較強，排量范圍較廣，且排氣量受排氣壓力波動的影響很小。

離心式壓縮機常用于進氣流量為14.6～5660 m3/min，主要優(yōu)點是轉速高、體積小、重量輕；排氣平穩(wěn)，沒有氣流脈動；結構簡單，維修方便。主要缺點是排氣量和排氣壓力的適應性差，最小流量和最高壓力不能同時滿足；熱效率較低；工作特性隨工作條件變化較大，運轉狀況穩(wěn)定性較差；氣體性質對其影響較大，變工況性能不如活塞式壓縮機好。

兩類壓縮機的排氣量調節(jié)范圍有較大的差異：活塞式壓縮機一般可在30%～100%調節(jié)；離心式壓縮機一般在70%～100%調節(jié)，不同類型壓縮機的適用范圍如圖1 所示。

圖1 壓縮機適用范圍

在中心平臺A，所有自產及外輸來的井口物流均進入生產分離器處理，分離出的天然氣經冷卻、滌氣后進入天然氣增壓系統(tǒng)，增壓后一部分天然氣送往燃料氣系統(tǒng)，供給平臺主電站使用，燃氣系統(tǒng)接收壓力為4 MPa；另外一部分天然氣送入海管，與處理后的含水原油一起混輸至中心平臺B，外輸所需壓力最高為7.2 MPa。A 平臺伴生氣壓縮工況的特點為：①氣體處理量最大約36×104Sm3/d（250 Sm3/min），屬于中、低范圍；②外輸所需壓力最高為7.2 MPa；③逐年流量變化較大；④壓比較為適中。

根據(jù)流量范圍適應性、排氣壓力以及逐年流量變化大等特點進行分析，推薦采用往復式壓縮機（表1、圖1）。

表1 平臺天然氣壓縮機逐年運行參數(shù)

2 壓縮機組方案配置

配置壓縮機組首先是選擇基本機型、壓縮級數(shù)和所需的馬力。而要確定這些，則需知道氣體的流量、入口壓力、出口壓力和氣體的組分。處于開采中的氣田，一般情況下初期會有較高的氣產量，到中后期產量逐年衰減。該A 平臺天然氣組分見表2，天然氣壓縮機的流量、入口壓力、出口壓力等逐年運行參數(shù)見表1。

表2 平臺天然氣組分

根據(jù)壓縮機逐年入口流量及壓力，可選擇的壓縮機配置方案有：

（1）方案1：選用往復式壓縮機兩臺、一用一備，采用兩級壓縮；對全部氣體進行統(tǒng)一壓縮，滿足海管外輸壓力；之后對部分氣體進行降壓處理，以達到燃氣系統(tǒng)所需壓力。壓縮機單臺額定處理量約36×104Sm3/d、額定軸功率約1450 kW。

（2）方案2：選用往復式壓縮機兩臺、一用一備，采用三級壓縮；其中第二級的出口壓力為4 MPa，并從該級間抽取所需氣體量送往燃氣系統(tǒng)；剩余氣體進入第三級氣缸增壓至海管外輸壓力。壓縮機單臺額定處理量約36×104Sm3/d（第一、二級缸）和21×104Sm3/d（第三級缸），額定軸功率約1250 kW。

（3）方案3：選用往復式壓縮機兩臺、一用一備，采用兩級壓縮，將伴生氣增壓至4 MPa 后送往燃氣系統(tǒng)，壓縮機單臺額定處理量約36×104Sm3/d、額定軸功率約1050 kW；同時設往復式壓縮機兩臺、一用一備，一級壓縮，將其余伴生氣增壓至海管外輸壓力，壓縮機單臺額定處理量約19×104Sm3/d、軸功率約200 kW。

3 方案比選

海上平臺天然氣外輸壓縮機選型中，需要對海上平臺、天然氣實際生產中的流量和壓力等多方面因素予以綜合考慮，同時要結合資源配置與占地的合理性，確保能滿足天然氣實際開發(fā)、外輸要求。此外，所選擇的天然氣外輸壓縮機類型也要滿足經濟性與合理性的要求，以便減少平臺成本支出。

3 種選型方案的機組軸功率和綜合對比如表3、表4 所示，其中方案3 的設備總費用為3500 萬元，包括大設備（1000 萬元/臺）、小設備（600 萬元/臺）以及甲板面積增加引起的費用（300 萬元）。

表3 3 種選型方案的機組軸功率對比 kW

表4 3 種選型方案的綜合比較

針對壓縮機選型方案進行研究分析：

（1）在總體投資方面，方案1、方案2 明顯優(yōu)于方案3，并且方案3 對于設備的總占地面積增加較大，對平臺的整體面積和結構設計影響更大。

（2）方案2（三級壓縮）存在的問題有：需要從級間抽出較大量氣體，且氣量逐年變化較大，這會使機組氣缸間的運行力不平衡，引起高振動等問題；由于第三級氣缸的處理規(guī)模低于前兩級較多，在實際運行中如果因燃氣消耗量低于設計值或某些特殊工況，會造成進入第三級氣缸的氣量超出或較多超出其設計規(guī)模，氣缸活塞桿有可能因超出其設計能力而損壞。因此，該方案存在一定安全問題。

（3）對于方案1，因全部氣體都被增壓到外輸壓力，即都滿足外輸要求，因而對于各種潛在工況的適應能力更強，運行保險系數(shù)更高。

4 結論

根據(jù)A 平臺伴生氣的流量范圍、排氣壓力以及逐年流量變化大等特點進行分析，宜采用往復式壓縮機。將可選擇的壓縮機配置進行綜合比選，鑒于從技術性、運行安全性、合理控制設備占地和重量、及節(jié)約經濟投資等角度考慮，選擇方案1。即在A 平臺上設往復式天然氣壓縮機兩臺、一用一備，單臺額定處理量約36×104Sm3/d，增壓方式為二級壓縮。壓縮機流量采用調節(jié)余隙、控制卸荷閥開關等方式，在不打回流的情況下可以滿足從第1 年～第18 年的流量調節(jié)范圍；在第19 年—第20 年，因流量較低，采用打回流操作。