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天然气增压压缩机组的选择
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宣建寅 王银亮 祖丙诃
& z. G+ K7 B* M(大庆油田天然气公司)
& M6 Y( w' O/ P, E 摘要 介绍了油气加工装置的核心设备压缩机与原动机, 对往复式压缩机、离心式压缩机和螺杆式压缩机、电动机、燃气发动机和燃气轮机分别在技术性能与特点上进行了比较分析, 对国内外压缩机制造厂家进行了调研, 并对国外几种原动机的技术经济指标进行了比较, 有利于天然气增压装置、轻烃回收装置、气体增压压缩机的选择, 以求最佳的性能比和价格比。
/ D2 d+ n& {3 i: N# `- g主题词 气体增压 轻烃回收 主机选择 动力匹配
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1 压缩机
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压缩机的种类很多, 有容积型、速度型、热力型, 但适用于轻烃回收装置和输气管道增压装置的主要有往复式压缩机和离心式压缩机, 螺杆式压缩机不多使用。
c/ G2 [$ i5 l' M5 i1 h2 O7 O% a往复式压缩机具有排出压力稳定、适应压力范围较宽、流量调节范围较大、热效率高, 压比较高( 单级压比最高可达4～5) , 适应性强等优点, 但其外形尺寸庞大, 笨重, 排量较小, 气流有脉动且噪声大等缺点, 在使用中不断暴露出来。
: ^: [8 h! E5 W5 j$ c" B7 N离心式压缩机的优点有: 结构紧凑, 尺寸小重量轻; 排气均匀、连续、无周期性脉动; 转速高, 排量大( 可达到1500 ×104 ～4250 ×104m3/ d) ; 工作平稳, 振动小; 使用期限长、可靠, 易损件少; 可以直接与驱动机联运便于调节流量和节能, 易实现自控等。其缺点为: 压比较低; 热效率较低; 流量过小时会产生喘振。
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螺杆压缩机的优点是结构简单, 体积小、易损件少、振动小、容积效率高, 寿命长, 维护管理简单, 由于采用喷油(喷水) 冷却, 天然气接近于等温压缩, 即使在高压缩比时也可以使用单级压缩, 排气温度一般不超过90 ℃ 。螺杆压缩机平衡性能好, 对基础要求简单。螺杆压缩机的缺点是润滑油系统比较复杂, 庞大, 油耗量较多, 另外, 噪声较大, 转子加工精度及要求高, 一般来说其电耗也较大。螺杆压缩机没有活塞式压缩机必须有的气阀、活塞、活塞环、气缸套等易损零部件; 没有离心式压缩机那样复杂的自动保护系统, 由于螺杆压缩机需喷入较多的润滑油( 或水), 使转子啮合间隙, 齿顶与机壳的间隙、转子端平面与端平面间的间隙均形成油膜, 从而减小了内部渗漏, 提高效率, 确保压缩机的工作性能。到目前为止, 油田很少用螺杆机为天然气增压。
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! {3 K$ }! r7 `3 N往复式压缩机主要适应于小排量, 高压或超高压条件; 离心式压缩机则适用于大流量, 中低压条件; 而螺杆压缩机适用于入口天然气带液、中低压力及中小排气量, 常在制冷过程中使用。
) t5 | m2 o9 j3 J9 L国外压缩机技术的发展主要表现在功率和效率的不断提高。目前往复式压缩机的最大功率为10000kW , 效率达68 %～90 % ; 离心式压缩机的最大功率为25000kW , 效率达80 % ～84 % , 螺杆压缩机740kW , 效率达70 %～82 % 。国内压缩机技术的发展主要表现在功率范围大, 效率提高, 密封性加强。
8 J4 ]% w7 P5 e3 ` h: ^在选用压缩机时, 首先应当满足工艺要求, 主要有以下几方面:
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(1) 压缩介质对压缩机提出的要求, 包括能否允许介质有少量的泄漏, 能否允许补润滑油污染以及排气温度限制等。
9 W- [" K7 E/ s(2) 安全问题。天然气压缩机压缩介质是烃类气体的混合物, 因此, 安全问题比较突出。天然气所处压力, 温度越高, 则爆炸范围越大, 特别是压力影响很显著。随着压力的增高, 爆炸下限差不多保持不变, 而上限却大大增加。在满足上述工艺要求的前提下, 如果有几种类型的压缩机可供选择应进一步对各种压缩机作选型比较。
: \2 k) b% r$ W) @) ~(3) 气体性质的影响。在天然气集输过程中, 由于天然气的矿藏依赖性, 气体组成和性质往往会发生变化, 所选机组对气体组成应有较大的适应能力。一般应给出一定的组成变化范围, 选用离心压缩机时更应注意, 否则将因气体分子量和绝热指数等参数的显著变化, 对压缩机产生严重的影响。
% F! B; k1 Q |1 T6 R9 {7 k(4) 压缩过程中的液化问题。天然气在压缩过程中可能会有部分液化, 因此应注意凝液的分离和排除。对于往复式压缩机, 为了避免撞缸事故, 压缩机的各级气缸余隙容积都应略大一些, 凝液多的情况下出口阀应放在气缸下部, 防止凝液积聚。同时曲轴箱应注意适当的密封, 以防液化后的气体渗漏到曲轴箱内, 降低润滑油的闪点和粘度。对于喷油螺杆式压缩机, 应根据气体组成规定最低的排气温度, 以免有气体液化而稀释润滑油。一旦润滑油被稀释, 必须重新恢复润滑油性质。选用离心式压缩机时, 轴密封油中可能漏入气体而被稀释, 为此系统中应有脱气分离器。为提高脱气效率, 脱气器上应配备有电或蒸汽加热器以及搅拌器、抽气措施等。
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(5) 排气温度的限制。天然气组成主要是烷烃, 为了减少油气碳化和着火的危险, 排气温度宜在140 ℃ 以下。
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另外, 在选用压裂机时, 还应满足压缩机的排气量及压缩机的入口压力。
7 ], b! c! r, H; r2 原动机
" _. n( J0 ]2 A" p4 t6 R6 K压缩机组的原动机有电动机、燃气发动机和燃气轮机等。
0 b% i- Q# n4 n1 a2 Z# A采用电动机驱动的特点是设备简单、可靠、易于维修; 无固定大修期, 可频繁启动, 噪音低、无灰尘、粉尘污染; 在轻载状态下只需很低的消耗; 一次投资较低, 使用寿命长, 安装维修费用低。国外压气机组中采用电动机的不多, 只有在输气管道距离电源近, 电力供应充足, 电价低或者靠近气田压气站的特殊地段才考虑采用电动机。其余选用燃气发动机和燃气轮机, 燃气发动机主要带动往复式压缩机( 摩托式压缩机), 燃气发动机的基本原理与汽油机相同, 只是燃料改成天然气而已, 其优点是热效率高( 约35 %～37 %) , 燃料气消耗低(0.25 ～0.3m3/ kW·h) , 可直接和往复式压缩机连接而不需变速, 调节方便; 其缺点是机器笨重, 结构复杂, 安装和维修费用高, 辅助设备繁杂, 运行振动大, 噪音大, 单机功能比燃气轮机小, 不好与离心式压缩机原配, 因此只宜在压缩比要求高时用来驱动往复式压缩机。主要用于集气管网和首站; 燃气轮机带动离心式压缩机, 用于干线输气增压。大功率机组(3700kW 以上) 几乎都采用燃气轮机, 燃气轮机在原动机中所占比例越来越大。
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燃气轮机是在20 世纪40 年代末开始大量生产和广泛使用的, 是由蒸汽轮机演变过来的, 燃气轮机能把气体内能直接转化成使机器旋转的机械能。其优点有: 结构简单紧凑、重量轻、启动快、转速高、单机功率大、占地少、建设周期短、易实现自控。燃气轮机还可以就地取材, 使用所输送的天然气为燃料, 从能源利用上更经济合理, 节约了投资。其缺点则是热效率低( 采用简单循环时, 最高可达37 %) 。燃气轮机分为航空改型, 工业型和混合型三种。
8 F$ Q8 P$ M; K. Y航空改型燃气轮机的特点是部件轻薄, 尺寸小、布置紧凑、元部件模数标准化(24h 左右可以更换); 启动迅速、热效率高; 安装周期短、便于搬迁, 因此常被用于天然气长输管道中。
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混合型燃气轮机是吸收了航空型和重工业型的优点, 专门为石油工业, 天然气加工而设计的, 因而造价较高。主要优点是能与离心式压缩机系列配合, 可根据气量的变化, 对叶轮进行重新拆装组合, 在各种运行条件下达到高效运行。
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随着技术的不断进步, 国外还对燃气轮机机组进行程序控制, 采用先进的调节保护系统和故障检测技术, 使机组的可靠性超过99 % , 基本做到了无计划外停机, 实现了就地无人值守和遥控。并且由于采用了联合循环系统, 燃气轮机的热效率也达到了45 % ～47.5 % 。
5 `! i+ }/ S. }% M' a; L在天然气长输管道中, 增压设备大多采用离心式压缩机, 原动机则采用燃气轮机与之配套, 组成大功率的燃气轮机—离心式压缩机组, 一般燃气压机组的生产已达到标准化, 系列化配套极为方便。
. f* N# i- z. g- _0 E在为新建压缩机站选择动力设备时, 可从经济、环保和资源三方面出发, 建立和采用最佳组织方案。进行对比的主要指标有设备、效率维修费与大修周期等。
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输气管道一般倾向于采用航空改型燃气轮机, 这主要是它的综合技术经济指标高、轻便, 可以进行整机更换或采用模块更换的方式进行检修, 缩短停机检修时间, 在现场可不设检( 维) 修设备和人员。
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在输气管道增压机组的选型上应遵循技术先进、运行可靠、易于维护、负荷调节灵活以及能耗低的原则。目前国内气田采用的增压机组多为燃气发动机— 往复式压缩机组, 其热效率可达到35 % 左右, 但机器笨重, 投资和安装费用高, 辅助设备较复杂, 震动大。近日, 安端科(蚌埠) 压缩机有限公司, 引进德国MAINESMANN DEMAG 公司生产技术, 制造V 型系列动力用往复活塞式压缩机, 该系列压缩机可靠性能好, 自控水平高, 尤其是无基础, 无润滑, 低噪音等功能。填补了国内产品空白, 在国内处于领先水平, 达到了国外同类产品水平, 是一种理想的天然气增压设备。这些设备在胜利油田、吐哈油田、辽河油田、华北油田、大庆油田运行情况良好, 深受用户欢迎。
4 Z+ j/ c0 U6 ^驱动机的选型遵循以下原则:
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(1) 驱动机的转速与被驱动的压缩机转速相匹配, 这样可省去增速或减速齿轮的机械损失, 并使结构简化。
7 ~. s5 h/ ^* @& y# k(2) 优先考虑利用天然气作为燃料, 采用天然气发动机或燃气轮机。
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(3) 中、小型压缩机宜采用电动机驱动; 在电源比较充足的场合, 功率在2500kW 以下的大、中型压缩机, 也可以考虑选用电动机驱动。
: e+ E# e% R) S) r+ r$ @(4) 驱动机的额定功率应比压缩机的轴功率大, 一般应留10 %～25 % 的裕量, 以备压缩机超载和空气试车用。
6 Z m9 w; I- v# A(5) 选择燃气轮机时, 首先应考虑压缩系统的整体设计的主要参数、建设周期、燃气轮机制热效率、燃料气的水泵量等, 以及运行、管理、维护要领及其运行费用等。
9 z v( O( `# |4 h, n, V(6) 对压缩时具有爆炸危险的气体选用电动驱动方式时应注意电动机要有防爆性能, 防爆电动机制造必须符合使用场地爆炸危险等级要求。
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