燃驅(qū)天然氣壓縮機組的成撬設(shè)計
夏思訪
(北京杰利陽能源設(shè)備制造有限公司,北京101500)
[摘 要]:天然氣壓縮機組是頁巖氣田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的關(guān)鍵裝備,如何更能適應(yīng)頁巖氣田的復(fù)雜工況,成為了壓縮機組設(shè)計的重點。設(shè)計依據(jù)國內(nèi)外成撬標(biāo)準,優(yōu)化工藝流程,采用多種流量調(diào)節(jié)方式;主機選擇GEA354,驅(qū)動機選擇國內(nèi)燃氣發(fā)動機;機組所有零部件均安裝在同一個底撬上,采用無固定連接基礎(chǔ)。
[關(guān)鍵詞]:頁巖氣田;壓縮機組;燃驅(qū);成撬;無固定基礎(chǔ)
中圖分類號:TH457 文獻標(biāo)志碼:A
文章編號:1006-2971(2022)01-0016-07
1 引言
隨著威遠頁巖氣井氣田開發(fā)時間的延長,氣井地層能量逐漸衰減。這導(dǎo)致了井底和井口壓力降低,部分老井出現(xiàn)攜液能力不足和間歇生產(chǎn)等問題,氣田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)形勢嚴峻,措施挖潛成為當(dāng)務(wù)之急。維持氣井長期穩(wěn)定生產(chǎn),最重要的技術(shù)是增壓開采。天然氣壓縮機組成為頁巖氣田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的關(guān)鍵裝備。
頁巖氣田的工況復(fù)雜,寬范圍的進口壓力,對壓縮機的適應(yīng)性是一大挑戰(zhàn);現(xiàn)場往往是無電或者僅提供照明電,驅(qū)動機如何選擇?啟機用電及控制用電怎么考慮?本文旨在提供一套完整的往復(fù)式天然氣壓縮機組,以優(yōu)化的工藝流程、針對性強的整體解決方案,來滿足氣田的控制參數(shù)。
2 壓縮機組成撬設(shè)計
2.1 設(shè)計輸入
2.1.1 工藝氣確認,見表1

氣體組分中CO2 含量為1.5%,根據(jù)API11P標(biāo)準15.4條款規(guī)定,在濕氣狀態(tài)下,進氣壓力不超過1200PSIG(8.275MPa(G)),CO2含量不超過5%時,壓縮機采用制造商的標(biāo)準材料。
2.1.2 機組基本及計參數(shù),見表2

2.2 壓縮機主機選型
2.2.1 壓縮機主機選型
根據(jù)設(shè)計參數(shù),結(jié)合公司庫存壓縮機,利用GE選型軟件GEPOWERFLOW,對主機選型計算,主機配置:A354+5.25″×2+4.25″×2。
2.2.2 工況計算
通過選型軟件,對運行工況進行熱力計算,如下表2,統(tǒng)計了進氣壓力0.5~1.5MPa,排氣壓力5.0~6.0MPa運行工況的主要參數(shù),見表3。

2.2.3 運行數(shù)據(jù)分析
(1)設(shè)計點工況下,進氣壓力1.0MPa(G),進氣溫度32℃,排氣壓力5.5MPa(G),壓縮機排量大于10×104m3/d;
(2)表中列舉的,是在該進氣壓力下最大的處理量,可通過余隙調(diào)節(jié)和回流調(diào)節(jié)處理量;
(3)所有工況的軸功率均控制在370kW 以內(nèi),受所選發(fā)動機額定功率限制。
2.3?。校桑膱D設(shè)計及工藝計算
2.3.1 工藝氣系統(tǒng)流程
本機組采用優(yōu)化的工藝流程,即工藝氣經(jīng)由進氣濾網(wǎng)、進氣氣動球閥,進入進氣洗滌罐,然后對氣體中的固體顆粒進行除雜,完成凈化后進入緩沖罐,抑制脈沖,之后進入壓縮氣缸對其進行壓縮,隨后進入后冷器對氣體進行冷卻降溫,再進入排氣洗滌罐對壓縮后氣體攜帶的油污做進一步凈化,最后經(jīng)活塞式單向閥及排氣氣動球閥送至集氣站。
工藝氣系統(tǒng)包括:各級進排氣系統(tǒng)、分離器排污系統(tǒng)、回流調(diào)節(jié)系統(tǒng)、放空系統(tǒng)。一級進氣系統(tǒng)和末級排氣系統(tǒng)設(shè)置有氣動球閥,機組停機時,用來切斷外界系統(tǒng),這2個閥應(yīng)是FC,即失氣時閥門處于關(guān)閉狀態(tài),閥門執(zhí)行機構(gòu)的選取,應(yīng)能滿足閥門最大壓差下的扭矩,進氣最大壓差為1.5 MPa(G), 排氣最大壓差為6.0MPa(G);進氣氣動球閥并聯(lián)有旁通管線,該管線配有一個DN25的手動球閥,當(dāng)機組開機時,打開此閥,給系統(tǒng)充氣至系統(tǒng)壓力0.2~0.3MPa(G),滿足機組啟機條件。
經(jīng)分離器分離出的水或重?zé)N由排污管線引致壓縮機組橇邊,再接至場站排污總管線;分離器排污系統(tǒng)分為手動排污和自動排污,手動排污設(shè)置有手動閥,自動排污是通過安裝在分離器罐上的液位控制器和自動疏水閥實現(xiàn)。
回流調(diào)節(jié)系統(tǒng)在壓縮機組運行中起著非常重要的作用,該系統(tǒng)起自排氣分離器之后,終自進氣分離器之前,管線中設(shè)置有氣動調(diào)節(jié)閥和旁通手閥,用來滿足機組啟動及流量調(diào)節(jié)的需要;機組啟動時,該管線的2個閥門全開,用來減小啟動扭振;加載時,關(guān)閉手動閥門,逐漸關(guān)小調(diào)節(jié)閥,緩慢加載,直至滿足外輸壓力;正常運行時,通過一級進口壓力來控制調(diào)節(jié)閥,穩(wěn)定入口壓力。
放空系統(tǒng)包括緊急泄放系統(tǒng)和安全閥超壓泄放系統(tǒng)。緊急泄放系統(tǒng)設(shè)置有自動放空閥,用于機組故障或者停電停機時,15min內(nèi)將系統(tǒng)壓力降至690kPa或者50%設(shè)計壓力,取其中較低值[1]。安全閥超壓泄放系統(tǒng),是指在壓縮機組進出口及每一級排氣管線上設(shè)置有安全閥,系統(tǒng)壓力超過設(shè)定壓
力,安全閥全流量泄放。

2.3.2 工藝計算
工藝計算主要用以確定分離器尺寸、緩沖罐尺寸、管徑、安全閥初步選型。
關(guān)于分離器尺寸的計算,可根據(jù)GB/T25359《石油及天然氣工業(yè)用集成撬裝往復(fù)壓縮機》介紹的公式,緩沖罐尺寸的確定也可根據(jù)該標(biāo)椎中的附
錄B規(guī)定的系數(shù)乘以各氣缸的行程容積[2],最終還需經(jīng)脈動分析后確認。
管徑=容積流量/流速,容積流量通過選型軟件計算得到,流速可根據(jù)HG/T20570.6《管徑選擇》中推薦的壓縮機氣體流速“p=1.0~10.0MPa(G)V=10~20m/s” 初步選定[3],根據(jù)經(jīng)驗,壓力小
于5.0MPa流速可選擇13~15m/s,壓力5.0~10.0MPa流速可選擇10~13m/s,10.0MPa以上,流速就要控制在5~10m/s。管徑計算也可根據(jù)以下國外某壓縮機組成撬公司經(jīng)驗公式

如圖1工藝氣PID圖,在壓縮機一級進氣及各級排氣設(shè)置安全閥,各級排氣安全閥的整定壓力,根據(jù)GB/T25359中推薦,壓力小于17MPa,為工作壓力的1.1倍;一級進氣安全閥的整定壓力,應(yīng)是均壓的1.1倍,壓縮機組緊急停機時,機組的進、出口閥門自動關(guān)閉,旁通回流閥自動打開,整個機組內(nèi)部最終壓力平衡至某一個值[4],即為均壓。可將安全閥的放空數(shù)據(jù)輸入AspenHYSYS軟件進行安全閥選型計算,也可采用APIRP520《煉油廠泄壓裝置的設(shè)置、選擇和安裝》[5]推薦的公式計算出安全閥孔口面積,然后根據(jù)API526《鋼制法蘭連接泄壓閥》[6]選擇標(biāo)準尺寸,最終以安全閥廠家計算為準。
2.3.3 橇外管線流程
壓縮機組橇與頁巖氣場站之間的工藝氣流程也屬于本次設(shè)計范圍,如圖2。

隔離,因此每條與場站相連的管線均設(shè)置手動球閥。
在井氣田開采初期,來自多口井的天然氣匯集于分離器,進行氣液分離,可自行憋壓至5.0~6.0MPa(G),直接外輸,引入壓縮機組后,在開機之前,壓縮機組的進口壓力等于外輸壓力,而該進氣壓力,是滿足不了壓縮機組的進氣壓力0.5~1.5MPa(G)的要求,因此在壓縮機組入口配有自力式調(diào)壓閥,使入口壓力降壓至0.5~1.5MPa(G)。
在進排氣管線中間設(shè)有止回閥的連通管線,通過該閥可以完成“越站”功能。
2.3.4 潤滑油系統(tǒng)流程,如圖3。

壓縮機潤滑油系統(tǒng)分為兩部分:曲軸箱運動部件潤滑系統(tǒng)、氣缸和填料潤滑系統(tǒng)。
(1)曲軸箱運動部件潤滑系統(tǒng)
主要包括:主油泵、預(yù)潤滑油泵、調(diào)壓閥、油冷器、油濾器、高位油箱、浮子液位開關(guān),潤滑管路等。
作用:為壓縮機各運動部件提供潤滑油。齒輪驅(qū)動的潤滑油泵安裝在壓縮機輔助端。油泵能將潤滑油從曲軸箱油池輸送到軸承、連桿和十字頭。可調(diào)的壓力泄放閥安裝在油泵上并提供冷機啟動保護。其他包括低油壓停機開關(guān),安裝在機體上的油位指示器。
本機組設(shè)置有自動補油裝置,以補充機身潤滑油池內(nèi)潤滑油的消耗。
潤滑油設(shè)置有預(yù)潤滑油泵。壓縮機啟機前,先啟動預(yù)潤滑油泵,預(yù)先對主軸承、十字頭進行充分潤滑。
(2)氣缸和填料潤滑系統(tǒng)
主要包括一套強制注油系統(tǒng)和分配系統(tǒng),能為氣缸內(nèi)壁和活塞桿填料提供潤滑。潤滑油粘度應(yīng)該根據(jù)氣缸運行壓力條件進行選擇。本系統(tǒng)可以使用來自曲軸箱的油。
2.3.5 儀表控制配置
壓縮機設(shè)備有以下自動停機保護。壓縮機運行中任何一個參數(shù)達到設(shè)定值時,壓縮機將自動緊急停機:潤滑油油壓低0.25MPa(G)、潤滑油溫度高88℃、氣缸潤滑油無油流38s、曲軸箱油位低1/4視窗位置、一級進氣壓力高1.65MPa(G)、一級排氣溫度高120 ℃、一級排氣壓力高3.15MPa(G)、二級排氣溫度高155℃、二級排氣壓力高6.40MPa(G)、各級分離器液位高400mm。
2.4 主要設(shè)備選型
2.4.1 壓縮機裝配
如表4庫存壓縮機,根據(jù)壓縮機選型配置,機體采用A354,將其中2個(4″~2″)級差缸及注油系統(tǒng)拆除,替換為A352的2個5.25″氣缸。
對置兩列氣缸的運動部件(包括活塞總成、十字頭總成、配重塊)重新稱重,通過調(diào)整配重塊或更換輕型十字頭,使對置兩列氣缸的運動部件的重量差控制在200g以內(nèi)。
由表5看出,4.25″氣缸還需要增加3.64kg的配重,然而空間受限,無法增加,最后將5.25″氣缸的十字頭更換為10″氣缸的輕型十字頭(5.586kg),再通過調(diào)整配重塊,使對置兩列氣缸的運動部件的重量差控制在28g。油分配器改造:原有的(4″-2″) 級差缸的油分配器是由2個18T的分配塊分別給4″和2″氣缸供油,改為5.25″氣缸后,則多出一個18T的分配塊,經(jīng)過拆卸油分配器,了解其結(jié)構(gòu)后,直接將其中一個18T的分配塊拆除,通過加工一個安裝墊板,將改造后的油分配器安裝于機體上(圖4)。

2.4.2 驅(qū)動機選型
因現(xiàn)場電力受限,又考慮到井口有充足的燃料氣,所以驅(qū)動機有2種選擇:(1)電機驅(qū)動,需額外配置一臺發(fā)電機組。(2)燃氣發(fā)動機驅(qū)動。第一
種方案消耗氣量大,浪費功率,并且還要購電機,生產(chǎn)成本高。本機組選用國產(chǎn)濰柴動力的燃氣發(fā)動機,通過彈性膜片聯(lián)軸器直接驅(qū)動壓縮機。發(fā)動機型號6M33D480E311NG,持續(xù)輸出功率408kW@1800r/min,6缸、四沖程、直噴、增壓中冷,是濰柴動力國內(nèi)首次開發(fā),由柴油機改造;配套系統(tǒng)如下:
(1)冷卻系統(tǒng)發(fā)動機尾軸通過皮帶驅(qū)動風(fēng)扇,且配有冷卻水箱和中冷器,相比國外發(fā)動機,省去了夾套水系統(tǒng)、中冷水系統(tǒng)、補水排氣系統(tǒng),同時空冷器也不需要額外配置夾套水和中冷水管束;(2)潤滑系統(tǒng)無需預(yù)潤滑系統(tǒng)和補油系統(tǒng),定期保養(yǎng)更換機油濾和機油;
(3)啟動系統(tǒng)業(yè)主要求采用電動啟動馬達,發(fā)動機廠家配帶兩塊12V、180Ah的蓄電池,極限情況下滿足啟動6次;
(4)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)動機配有一臺28V、70A的發(fā)電機,由尾軸通過皮帶驅(qū)動,壓縮機組正常運行時,發(fā)電機除了向蓄電池充電外,還要滿足壓縮機組和發(fā)動機PLC控制柜的用電需求;
(5)燃料氣系統(tǒng)發(fā)動機廠家散裝帶有濾清器、調(diào)壓器(調(diào)壓前20~40kPa)、切斷閥,需要設(shè)計燃料氣管線,用來向發(fā)動機供給燃料氣;本次設(shè)計
燃料氣取自壓縮機組一級進氣分離器,后設(shè)置一精過濾器(過濾效率不低于98%,過濾精度不低于0.5μm),用來確保進入發(fā)動機燃料氣的清潔度;
(6)排煙系統(tǒng)發(fā)動機廠家散裝配有波紋管、排煙管道、V型法蘭、消聲器,本次設(shè)計將放空消聲器放置于空冷器上方,消聲器出口設(shè)置有阻火器,發(fā)動機排放的尾氣經(jīng)阻火器排出后由空冷器吹散。

2.4.3 冷卻器選型
冷卻器包括冷卻工藝氣用的空冷器和潤滑油冷卻器。
根據(jù)總圖布置,本文選用立式引風(fēng)式空冷器,空冷器的設(shè)計及制造標(biāo)準依照《空冷式熱交換器》NB/T47007標(biāo)準設(shè)計。設(shè)計參數(shù)依據(jù)表1運行工況參數(shù)表,設(shè)計工況換熱面積考慮10% ~20%裕度,空冷器除滿足設(shè)計工況,還應(yīng)在最大工況下滿足換熱要求,根據(jù)表1中數(shù)據(jù),可按溫度差乘以流量作為系數(shù),找到最大工況作校核點,空冷器熱力計算按此作校核,校核點可不留裕度。
本文采用板翅式油冷器,按照JB/T7261《鋁制板翅式換熱器技術(shù)條件》及焊接的技術(shù)文件制造和驗收。設(shè)計參數(shù)從選型軟件GEPOWERFLOW -FRAMEDATASHEET中選?。毫髁浚担担蹋恚椋?,熱負
荷3520W,因現(xiàn)場無動力電,油冷器選用自然風(fēng)冷,放置于空冷器進風(fēng)口,提升換熱效果。
2.4.4 聯(lián)軸器選型
天然氣壓縮機組的成撬設(shè)計中,一般選用疊片撓性聯(lián)軸器,首先根據(jù)壓縮機和發(fā)動機的連接尺寸及傳遞功率,聯(lián)軸器廠家初步選型,然后根據(jù)扭振分析結(jié)果,最終確定聯(lián)軸器的性能參數(shù)及是否需要增加飛輪或慣量環(huán)。
本機組選用國產(chǎn)無錫創(chuàng)明,型號為TD8-3300R-F(Z)的撓性聯(lián)軸器,扭振分析廠家選用中加,按照API618和API684標(biāo)準、使用時域和頻域相結(jié)合的方法,依據(jù)壓縮機、發(fā)動機、聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動慣量,結(jié)合壓縮機組的運行工況,得出分析結(jié)果:聯(lián)軸器無需增加慣性環(huán),同時
給出了扭轉(zhuǎn)共振轉(zhuǎn)速,應(yīng)盡量避開。
2.4.5 高位油箱和集污罐選型
高位油箱主要用于給氣缸注油器和曲軸箱補油,應(yīng)能維持機組約10天連續(xù)工作。壓縮機潤滑油的消耗主要體現(xiàn)在氣缸潤滑和填料潤滑,用于氣缸潤滑的潤滑油隨工藝氣經(jīng)下一級分離器分離后排污,用于填料潤滑的潤滑油通過排污管引至集污罐,再有安裝在集污罐的排污閥定時排污。以下是根據(jù)GE成撬規(guī)范,計算填料和氣缸耗油量:單個填料耗油量(pint/d)=0.0000632×活塞桿直徑(in)×沖程(in)×轉(zhuǎn)速(r/min)氣缸耗油量(pint/d)=0.0000316×缸徑(in)×沖程(in)×轉(zhuǎn)速(r/min)注:1pint=0.568L,1in=25.4mm計算出每天的耗量,就能計算出供10天補油的高位油箱容積,集污罐容積僅考慮填料耗油即可,一般滿足7天儲存量。
2.5 壓縮機組總圖布置
本次設(shè)計有以下要點:
(1)本著布局合理,操作方便的原則,盡可能減小橇體尺寸,本機組外形尺寸:11m×3.3m×3.3m(長×寬×高),總重:43t;
(2)所有與外界相連的接口,配配對法蘭引至橇邊,且在橇座同一端,便于現(xiàn)場安裝;
(3)所有管線管卡均采用扁鋼制作,且管道與管卡之中墊襯一周2~3mm的四氟墊;
(4)所有管卡或支撐鋼結(jié)構(gòu)均安裝在底梁上;
(5)橇座下底梁選用型鋼HM294×200×8×12Q235B,壓縮機和發(fā)動機支撐梁選用型鋼HN500×200×10×16Q235B;
(6)橇座空地鋪設(shè)有5mm厚的花紋鋼板;
(7)所有安全閥均設(shè)有支撐,生根與就近管卡的扁鋼上;
(8)各級排氣緩沖罐安裝2個楔形支撐,靠近出口處安裝一個捆綁式支撐;
(9)壓縮機、發(fā)動機、中體支撐、各級分離器下方灌漿C30混凝土,以增加底座結(jié)構(gòu)的剛度,同時降低機組重心高,提供運行的穩(wěn)定性;
(10)壓縮機、發(fā)動機、中體支撐下方設(shè)有調(diào)整墊板,該調(diào)整墊板可用細牙頂絲頂起,對中完成后,在調(diào)整墊板與橇座中間灌漿環(huán)氧樹脂,最后將地腳螺栓打合適的扭振擰緊;
(11)空冷器的風(fēng)機是由發(fā)動機驅(qū)動的,發(fā)動機尾軸通過皮帶將扭矩傳遞給傳輸軸,該傳輸軸φ50mm×1400mm,設(shè)有安裝在底座上的2個滾動
軸承,最終傳輸軸再通過皮帶,帶動風(fēng)機旋轉(zhuǎn);
(12)油冷器為自然通風(fēng),將其布局在空冷器的入口,提高油冷器的換熱效果;
(13)本機組設(shè)置有集裝箱,考慮到發(fā)動機自帶風(fēng)機及水箱與空冷器的相對位置,無法將空冷器布局在集裝箱內(nèi),因此集裝箱尺寸設(shè)計為7.9m×3.3m×3.1m (長×寬×高),空冷器裸露在外面;集裝箱頂部設(shè)有2根方管100mm×6mm,一根用來做排煙管道支撐,一根上面焊有吊環(huán),用于起吊緩沖罐,2根方管的設(shè)計位置,剛好設(shè)置在現(xiàn)場單點吊裝壓縮機組時的吊繩處, 不至于使集裝箱變形;
(14)無固定基礎(chǔ)設(shè)計需考慮以下問題:(a)壓縮機組配重,成本在可控范圍內(nèi),盡量加大壓縮機組的重量,在關(guān)鍵部件下面灌漿混凝土;(b) 所有外接管口均采用柔性連接, 小管線且壓力5.0MPa以下的可以用法蘭式金屬軟管,DN80以上的管線,壓力5.0MPa以上,則選用帶防爆環(huán)的
大拉桿膨脹節(jié)。
2.6 基礎(chǔ)設(shè)計
本壓縮機組采用無固定連接,即橇座與地基沒有地腳螺栓相連,根據(jù)以往項目經(jīng)驗,為吸收壓縮機組振動,同時防止其產(chǎn)生的能量傳遞給地面,在現(xiàn)場硬化地面上設(shè)置基礎(chǔ),四周圍堰采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),內(nèi)部填充砂石。
3 結(jié)論
撬裝壓縮機即是指固定在可以方便移動、安裝的公共底座上的壓縮機組設(shè)備。撬裝壓縮機也就是已經(jīng)將壓縮機本體及附屬設(shè)備安裝好了的一個整體式集合,它具有較完整的功能性和自足性[7];本文依據(jù)國內(nèi)外成撬標(biāo)準,提供一套完整的撬裝天然氣壓縮機組,滿足用戶井口氣增壓的需求。
首先根據(jù)現(xiàn)場操作條件,利用GE選型軟件GEPROWERFLOW,對壓縮機進行選型,且對各個運行工況進行熱力計算,列舉出運行工況數(shù)據(jù)表,以
此為依據(jù),作各個輔機的選型;壓縮機定型后,為降低生產(chǎn)成本,消耗庫存,對庫存壓縮機進行重組,裝配時能考慮配重和油分配塊問題;然后根據(jù)項目特點,進行PID圖設(shè)計,用于井口氣增壓的壓縮機,進出口設(shè)計壓力應(yīng)是一樣的,橇外管線設(shè)計時,應(yīng)考慮壓縮機停機或者檢修時,具有“越站”功能;最后通過壓縮機組總體布置,提出一些設(shè)計要點,用于指導(dǎo)其相關(guān)設(shè)計。
參考文獻:
[1]?。樱伲裕保埃埃矗承箟汉蜏p壓系統(tǒng)指南[S].
[2]?。牵拢裕玻担常担故图疤烊粴夤I(yè)用集成撬裝往復(fù)壓縮機[S].
[3] HG/T20570.06化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)定管徑選擇[S].
[4] 張磊.天然氣壓縮機組放空系統(tǒng)設(shè)計[J].壓縮機技術(shù),2018.
[5] APIRP520煉油廠泄壓裝置的設(shè)置、選擇和安裝[S].
[6] API526鋼制法蘭連接泄壓閥[S].
[7] 馬天嬌,崔維,王國鵬.撬裝壓縮機優(yōu)點及注意事項[J].科技資訊,2014.
作者簡介:夏思訪(1985-),男,河南太康縣人,工程師,主要從事天然氣壓縮機組的成撬設(shè)計工作。
E-mail:xiasifang@jerrywon.com.cn