劉博（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

1 現(xiàn)狀

天然氣分公司組建于1973年，是集天然氣加工、凈化、原油穩(wěn)定、長(zhǎng)輸管道管理及儲(chǔ)運(yùn)銷售于一體的專業(yè)化公司，已建油氣處理裝置29套，其中天然氣深冷裝置8套，淺冷裝置9套，凈化裝置3套，原油穩(wěn)定裝置10套，承擔(dān)著為油田生產(chǎn)、工業(yè)用戶、城市居民提供燃料和原料的任務(wù)。

天然氣壓縮機(jī)是天然氣深冷和淺冷裝置的核心設(shè)備，主要作用是將低壓油田氣增壓后進(jìn)一步處理，壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中密封氣有一部分泄漏放空[1]，既污染了環(huán)境又浪費(fèi)資源。為干氣密封形式的壓縮機(jī)共有8臺(tái)，總密封泄漏量為每年36.7×104m3，直接放入火炬系統(tǒng)[2]。離心壓縮機(jī)放空密封氣泄漏情況見(jiàn)表1。

表1 離心壓縮機(jī)放空密封氣泄漏情況Tab.1 Leakage of venting seal gas in centrifugal compressor

2 壓縮機(jī)密封氣回收工藝介紹

通過(guò)研究離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)原理、工藝流程和運(yùn)行參數(shù)等，分別在北Ⅰ-2深冷、北Ⅱ-2深冷和南八深冷應(yīng)用了射流工藝、增壓工藝、雙端面密封結(jié)構(gòu)改造，三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了密封泄漏氣回收[3]。

2.1 射流回收工藝

射流回收工藝主要是將低壓放空氣通過(guò)噴射式混合器轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簹怏w，然后進(jìn)入管網(wǎng)回收[4]。其中噴射式混合器是由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓管三部分組成，設(shè)備沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)具有一定壓力的工作流體通過(guò)噴嘴高速噴出，將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?，使吸氣區(qū)壓力降低產(chǎn)生真空，被抽介質(zhì)順利進(jìn)入吸入室，兩股介質(zhì)在擴(kuò)散段內(nèi)混合，最后以高壓排出。射流原理見(jiàn)圖1。

圖1 射流原理Fig.1 Schematic diagram of jet principle

2020年北Ⅰ-2深冷離心壓縮機(jī)應(yīng)用雙射流（串聯(lián)2個(gè)噴射混合器）回收技術(shù)后年回收天然氣約3.4×104m3，熄滅了火炬長(zhǎng)明燈[5]。其工藝流程是利用增壓機(jī)出口的高壓天然氣為工作流體，經(jīng)過(guò)調(diào)壓至2.2 MPa進(jìn)入噴射器，將干氣密封泄漏氣吸入噴射器，然后進(jìn)入壓縮機(jī)入口，完成泄漏氣回收。北Ⅰ-2深冷射流回收裝置流程見(jiàn)圖2。

2.2 增壓回收工藝

增壓回收工藝探索了兩種形式將密封氣引至裝置入口實(shí)現(xiàn)回收，一種是采用小型壓縮機(jī)將泄漏密封氣增壓后回收至裝置入口；另一種是當(dāng)密封氣壓力高時(shí)，可將泄漏氣的壓力適當(dāng)升高，然后引至壓力相對(duì)較低的裝置入口。

第一種工藝，北Ⅱ-2深冷自主設(shè)計(jì)工藝流程，采用增壓工藝回收放空密封氣。北Ⅱ-2深冷為干氣深冷，入口壓力高達(dá)0.8 MPa，除了壓縮機(jī)密封氣泄漏，還存在膨脹機(jī)密封氣泄漏，因此，使用增設(shè)小型壓縮機(jī)的方式回收泄漏密封氣。工藝流程為原料氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)密封泄漏氣進(jìn)入緩沖罐后經(jīng)變頻螺桿壓縮機(jī)壓縮至1.0 MPa，空冷器冷卻在35℃左右進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)入口?；厥昭b置設(shè)計(jì)了變頻、回流、溢流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保證了回收裝置平穩(wěn)運(yùn)行，避免了對(duì)裝置的影響，實(shí)現(xiàn)了小流量且不穩(wěn)定密封氣的安全回收，應(yīng)用后年回收壓縮機(jī)放空氣2×104m3、膨脹機(jī)放空氣約79×104m3，熄滅了火炬長(zhǎng)明燈。北Ⅱ-2深冷密封氣增壓回收流程見(jiàn)圖3。

第二種工藝，南八深冷壓縮機(jī)高壓缸上通過(guò)增設(shè)壓力調(diào)節(jié)閥，將密封氣泄漏氣的壓力穩(wěn)定在0.18 MPa，將泄漏氣回收至壓力相對(duì)較低的低壓缸入口，完成泄漏氣回收。年回收天然氣約1.7×104m3，熄滅了火炬長(zhǎng)明燈。南八深冷壓縮機(jī)高壓缸密封泄漏氣回收流程見(jiàn)圖4。

圖2 北Ⅰ-2深冷射流回收裝置流程Fig.2 Jet recovery device in NorthⅠ-2 cryogenic station

圖3 北Ⅱ-2深冷密封氣增壓回收流程Fig.3 Pressurized recovery of sealed gas in NorthⅡ-2 cryogenic station

圖4 南八深冷壓縮機(jī)高壓缸密封泄漏氣回收流程Fig.4 Recovery of leakage gas from compressor high-pressure cylinder seal in Nanba cryogenic station

2.3 壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)改造

南八深冷壓縮機(jī)低壓缸雙端面干氣密封結(jié)構(gòu)改造，主要是將原來(lái)串聯(lián)的單端面密封改為雙端面密封[6-8]。

串聯(lián)式干氣密封，相當(dāng)于兩組單端面干氣密封，主要工作原理是注入密封氣（天然氣）使密封系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)、靜密封環(huán)之間產(chǎn)生約3μm的氣膜，防止密封環(huán)磨損。運(yùn)行時(shí)一部分氣體進(jìn)入工藝介質(zhì)，一部分氣體（天然氣和氮?dú)獾幕旌蠚猓┙?jīng)一級(jí)動(dòng)靜環(huán)后，進(jìn)入干氣密封一級(jí)泄漏（泄漏量約10 Nm3/h，其中天然氣含量約占21%），從放空管線去火炬燃燒掉，形成火炬長(zhǎng)明燈。

雙端面密封相當(dāng)于面對(duì)面布置兩套單端面密封，兩個(gè)密封共用一個(gè)動(dòng)環(huán)[9-10]。采用氮?dú)庾鳛樽枞麣怏w，控制主密封氣（氮?dú)猓┑膲毫κ冀K維持在比工藝氣體壓力高于0.2～0.3 MPa，通過(guò)主密封氣封住泄漏的工藝氣體。干氣密封結(jié)構(gòu)工藝見(jiàn)圖5。

南八深冷離心壓縮機(jī)干氣密封改造前后流程對(duì)比見(jiàn)圖6，采用了雙端面干氣密封技術(shù)，將原一級(jí)泄漏口封堵，通過(guò)主密封氣（氮?dú)猓┓庾⌒孤┑墓に嚉怏w，隨前置密封氣一同進(jìn)入工藝介質(zhì)。投用后無(wú)泄漏，密封狀況良好，年回收密封氣約3.4×104m3，熄滅火炬長(zhǎng)明燈。

圖5 干氣密封結(jié)構(gòu)Fig.5 Schematic diagram of dry gas seal structure

圖6 南八深冷離心壓縮機(jī)干氣密封改造前后流程對(duì)比Fig.6 Schematic diagram of centrifugal compressor dry gas seal before and after modification in Nanba cryogenic station

3 應(yīng)用效果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，射流回收工藝、增壓回收工藝、干氣密封結(jié)構(gòu)改造都適合壓縮機(jī)密封泄漏氣回收。三種技術(shù)壓縮機(jī)密封氣回收工藝對(duì)比情況見(jiàn)表2，射流回收工藝具有不改造壓縮機(jī)密封結(jié)構(gòu)、無(wú)動(dòng)設(shè)備、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但需大量高壓氣體攜帶，全部氣體回到壓縮機(jī)入口，年增加壓縮機(jī)耗電約43×104kWh；增壓回收工藝具有不改造壓縮機(jī)密封結(jié)構(gòu)，螺桿機(jī)出口壓力高，不受回收壓力限制，但是設(shè)備多，投資較大，運(yùn)維費(fèi)用相對(duì)大，年約3萬(wàn)元。干氣密封結(jié)構(gòu)改造具有不新增設(shè)備、不增加能耗、不增加操作內(nèi)容等優(yōu)點(diǎn)，但是需要依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作，難度大，配件成本相對(duì)較高。

表2 壓縮機(jī)密封氣回收工藝對(duì)比情況Tab.2 Process comparison of compressor sealing gas recovery

4 結(jié)論

通過(guò)在生產(chǎn)裝置上應(yīng)用新技術(shù)和工藝方式的改進(jìn)等措施回收放空天然氣，見(jiàn)到了明顯成效。

1）射流回收工藝、增壓回收工藝、雙端面密封改造三種回收工藝均能解決離心壓縮機(jī)密封氣泄漏放空問(wèn)題，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

2）上述三種技術(shù)應(yīng)用后年收放空天然氣89.5×104m3，其中壓縮機(jī)密封放空10.5×104m3，膨脹機(jī)放空氣79×104m3，避免了放空氣污染。根據(jù)大慶油田天然氣成本核算價(jià)格1.64元/m3，可增加經(jīng)濟(jì)效益147萬(wàn)元/a。

3）射流工藝適合于老型壓縮機(jī)的泄漏氣改造，增壓回收工藝適合回收至背壓相對(duì)較高的裝置，雙端面密封改造適合軸端布置緊湊型壓縮機(jī)組的改造。