席治國

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營 257026

集氣站壓縮機(jī)節(jié)能改造分析

席治國

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營 257026

油氣田進(jìn)入開發(fā)后期，產(chǎn)氣量受輸氣壓力和用戶用氣情況的影響而隨時(shí)發(fā)生變化，按照原來生產(chǎn)規(guī)模設(shè)計(jì)的天然氣壓縮機(jī)組，需要通過旁通打回流運(yùn)行才能解決輸氣量的變化問題，存在很大的能量浪費(fèi)，因而需要節(jié)能改造。結(jié)合某集氣站天然氣壓縮機(jī)組出現(xiàn)的運(yùn)行問題，分析了采用不同氣量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行節(jié)能改造的可行性，提出和確定了液壓可變余隙調(diào)節(jié)法作為節(jié)能改造的方案，并對(duì)改造內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)介紹。對(duì)比改造前后壓縮機(jī)組的運(yùn)行功率發(fā)現(xiàn)，改造后壓縮機(jī)組節(jié)能效果明顯。

天然氣壓縮機(jī)；氣量調(diào)節(jié)；液壓可變余隙；節(jié)能改造

某油田壓氣站主要負(fù)責(zé)周圍幾家采油廠的天然氣加工處理及升壓外輸任務(wù)，進(jìn)站氣體有低壓進(jìn)站的伴生氣、高壓進(jìn)站的氣井氣及海上來氣。其中低壓天然氣需要進(jìn)天然氣壓縮機(jī)增壓后方可進(jìn)凝液回收裝置進(jìn)行處理。伴隨油氣田的生產(chǎn)開發(fā)，產(chǎn)氣量因受輸氣壓力和用戶用氣情況的影響而隨時(shí)發(fā)生變化，夏季氣量為壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)排氣量的65%～90%，冬季氣量僅為壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)排氣量的15%～50%，壓縮機(jī)組需要通過旁通打回流運(yùn)行，存在巨大的能量浪費(fèi)。為了最大限度節(jié)約能源，需要進(jìn)行節(jié)能改造。

1 天然氣壓縮機(jī)簡介

1.1 機(jī)組主要參數(shù)

天然氣壓縮機(jī)組選用的為國內(nèi)某壓縮機(jī)廠生產(chǎn)的電驅(qū)、三級(jí)、四缸往復(fù)式壓縮機(jī)，共2臺(tái)，天然氣壓縮機(jī)組主要參數(shù)見表1。

表1 天然氣壓縮機(jī)組主要參數(shù)

1.2 機(jī)組現(xiàn)狀及存在問題

已建天然氣壓縮機(jī)組流量調(diào)節(jié)方式為手動(dòng)余隙調(diào)節(jié)和旁通管路調(diào)節(jié)。手動(dòng)余隙調(diào)節(jié)范圍為設(shè)計(jì)點(diǎn)排量的77%～100%，在不打回流時(shí)，壓縮機(jī)組最小排量為17.82萬Nm3/d。由于夏季氣量為壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)排氣量的65%～90%，冬季氣量僅為壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)排氣量的15%～50%，因此，無論夏季和冬季，天然氣壓縮機(jī)組都需要打回流運(yùn)行，特別是冬季氣量最小時(shí)，回流量達(dá)到了設(shè)計(jì)排量的62%。

針對(duì)來氣量的急劇下降，目前機(jī)組已經(jīng)無法滿足氣量調(diào)節(jié)的需要，需要對(duì)機(jī)組的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以期最大限度地降低能耗。

2 氣量調(diào)節(jié)方式的選擇

2.1 變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要配套變頻器和變頻電機(jī)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，受壓縮機(jī)曲軸和十字頭潤滑的限制，一般調(diào)節(jié)范圍在額定排氣量的40%～100%。該機(jī)組改為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，需要完成的工程量為：

（1）主電機(jī)改為變頻電機(jī)，投資240萬元。

（2） 增加變頻器。國產(chǎn)該功率變頻器約需80萬元，且外形尺寸較大，需要較大的占地面積。

（3）機(jī)組控制柜需要重新設(shè)計(jì)。

（4）現(xiàn)有機(jī)組潤滑油系統(tǒng)未考慮變速運(yùn)行，因此需要取消機(jī)組現(xiàn)有潤滑油主油泵，增加大排量外置油泵，潤滑油管道需重新布置。

（5）改為變頻電機(jī)后，外形尺寸及中心高與以前有區(qū)別，電機(jī)底座及機(jī)組中心需重新設(shè)計(jì)。

（6）流量調(diào)節(jié)范圍為40%～100%，改為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后可以滿足機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍要求。

雖然將機(jī)組改造為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式可以滿足流量調(diào)節(jié)要求，但是投資高，需要改造內(nèi)容多且復(fù)雜，施工周期長，對(duì)正常生產(chǎn)運(yùn)行影響大。

2.2 吸氣閥調(diào)節(jié)

吸氣閥調(diào)節(jié)包括比列調(diào)節(jié)和無級(jí)調(diào)節(jié)兩種方式[1-2]。

（1）比例調(diào)節(jié)。天然氣壓縮機(jī)一級(jí)壓縮為2個(gè)26.5 in（1 in=25.4 mm）雙作用氣缸，共16個(gè)進(jìn)氣閥，而二、三級(jí)氣缸分別為1個(gè)17.5 in雙作用氣缸、1個(gè)10.5 in雙作用氣缸，各有4個(gè)進(jìn)氣閥。改造時(shí)，需要對(duì)各級(jí)每個(gè)進(jìn)氣閥均設(shè)置卸荷器，可實(shí)現(xiàn)0%、50%、100%的比例流量調(diào)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)；又由于機(jī)組一級(jí)氣缸的活塞較重，往復(fù)力較大，在小排量下工作，氣體作用力只能抵消很小部分的往復(fù)力，這樣長期工作對(duì)機(jī)組的負(fù)載、潤滑有較大影響；再則由于已建機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮安裝卸荷器，因而一級(jí)氣缸不具備安裝空間。鑒于上述的不利于機(jī)組長期運(yùn)行及安裝空間不足，因此不建議采用比例調(diào)節(jié)方式。

（2）無級(jí)調(diào)節(jié)。需要增加一套無級(jí)調(diào)節(jié)裝置，費(fèi)用約200萬～300萬元，價(jià)格較高。同時(shí)，因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下運(yùn)行，氣體的作用力較小，往復(fù)力大，活塞桿的綜合桿載接近機(jī)組的設(shè)計(jì)上限，長期運(yùn)行對(duì)機(jī)組的可靠性和使用壽命有較大影響，因此不建議采用無級(jí)調(diào)節(jié)。

2.3 將氣缸由雙作用改為單作用氣缸

在排氣量較小時(shí)，可以將各氣缸由雙作用改為單作用氣缸，電機(jī)可以節(jié)省一半功率。理論上，這種組合調(diào)節(jié)是可行的，但實(shí)際上由于氣缸進(jìn)氣閥數(shù)量較多（對(duì)于本機(jī)組進(jìn)氣氣閥共24個(gè)），拆裝非常麻煩；同時(shí)，這種調(diào)節(jié)可操作性較差，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)；再者由于本機(jī)組為微油潤滑，拆掉進(jìn)氣閥，仍然會(huì)有潤滑油進(jìn)入該側(cè)氣缸，因此需要考慮潤滑油的排放問題。鑒于可操作性差，且需要對(duì)潤滑油進(jìn)行回收，因此不建議采用將氣缸由雙作用改為單作用調(diào)節(jié)方式。

2.4 液壓可變余隙調(diào)節(jié)

已建機(jī)組在一級(jí)氣缸設(shè)置了手動(dòng)余隙調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍80%～100%。對(duì)于手動(dòng)可變余隙調(diào)節(jié)方式，由于手輪操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力小，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)不能根據(jù)工藝要求進(jìn)行在線自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此大大地降低了其實(shí)用性。液壓可變余隙調(diào)節(jié)法是通過在壓縮機(jī)各級(jí)氣缸蓋端增加余隙腔，同時(shí)將可變余隙氣量調(diào)節(jié)裝置同電子與液壓控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)在線跟蹤控制，氣量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)60%～100%。主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)在線氣量調(diào)節(jié)，改造成本較低，約70萬元；缺點(diǎn)是蓋端氣缸容積效率較低，氣缸相當(dāng)于單作用缸。鑒于液壓可變余隙調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)在線氣量調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為13.8萬～23萬Nm3/d，基本可以滿足要求，同時(shí)改造工程量相對(duì)較小，價(jià)格便宜，因此確定選用液壓可變余隙調(diào)節(jié)作為本機(jī)組節(jié)能改造的方案。以上4種調(diào)節(jié)方式的對(duì)比見表2。

表2 各種調(diào)節(jié)方式的對(duì)比分析

3 節(jié)能改造方案的實(shí)施

3.1 改造的基本原則

對(duì)于天然氣壓縮機(jī)組按照液壓可變余隙調(diào)節(jié)法進(jìn)行節(jié)能改造的基本原則：

（1）在不改變壓縮機(jī)原主體結(jié)構(gòu)的前提下，僅對(duì)壓縮機(jī)缸蓋（含余隙閥）進(jìn)行改造。

（2）可變余隙容積采用電液控制方式。

（3）排氣量在60%～100%內(nèi)，可進(jìn)行可變余隙容積自動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)。

3.2 改造內(nèi)容

液壓可變余隙氣量調(diào)節(jié)裝置由可變余隙腔氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電液控制柜兩大部分組成。對(duì)于每臺(tái)天然氣壓縮機(jī)，需要對(duì)每級(jí)均增加可變余隙氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所有氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)共用一套電液控制柜。

可變余隙腔氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)見圖1。

圖1 液壓可變余隙氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

電液控制柜由液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。

4 節(jié)能效果

在天然氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況下，即設(shè)計(jì)排氣量為23.02萬Nm3/d時(shí)，流量的變化與壓縮機(jī)軸功率的關(guān)系見表3。從表3可以看到，節(jié)能改造的效果明顯。

表3 設(shè)計(jì)工況下節(jié)能分析

5 結(jié)束語

本文結(jié)合某集氣站天然氣壓縮機(jī)組使用情況，分析了采用不同氣量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行節(jié)能改造的可行性，經(jīng)對(duì)比分析，推薦采用液壓可變余隙氣量調(diào)節(jié)裝置。

[1]張煒森，于彥恒，吉寧.HydroCOM氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在天然氣處理裝置閃蒸氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2015（10）：26-30.

[2]朱赫禮，王世華，呂晨昊.可變余隙容積調(diào)節(jié)在往復(fù)式壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].齊魯石油化工，2013，41（3）：236-239.

Analysis on energy-saving retrofit ofcompressor in gas gathering station

XIZhiguo
Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257026，China

During the later stage of oil and gas field development，the gas production varies at any time due to changes of gas pressure and users’ gas needs.As a result，the compressor units designed and selected according to the original production scale have been unable to meet the current production needs.They require bypass-backflow operation to solve production capacity variation problem.This paper introduces the operation problems of naturalgas compressor units in a gas gathering station，and analyzes the feasibility of energy-saving with different capacity control methods.Through the analysis，the hydraulic variable clearance adjustment method is proposed and identified as the energy-saving retrofit scheme，and the reformation content is described in detail.Through comparing the compressor operational power difference before and after the reformation，it is found that the energy-saving effect is obvious.

naturalgas compressor；capacity adjustment；hydraulic variable clearance；energy-saving retrofit

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.020

席治國（1972-），男，山東樂陵人，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于西安交通大學(xué)焊接工藝及設(shè)備專業(yè)，本刊編委會(huì)委員，現(xiàn)主要從事設(shè)計(jì)管理工作。Email：sygcsj.osec@sinopec.com

2017-04-16