章向榮，高 鵬，惠 寧，張艷春，單曉亮

● （海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

荔灣3-1燃?xì)馔钙綁嚎s機(jī)的選型及維修方案研究

章向榮，高 鵬，惠 寧，張艷春，單曉亮

● （海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

本文以荔灣3-1平臺(tái)上的天然氣壓縮機(jī)為研究對(duì)象，概述了天然氣壓縮機(jī)的選型、配置和維修方案，并確定了索拉TITAN250為最優(yōu)機(jī)型。用于其吊裝維修的滑道梁由于超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，因此項(xiàng)目采用了有限元分析法確定了滑道梁翼緣及腹板的厚度，并通過(guò)板拼接方式組成。

天然氣壓縮機(jī)；TITAN250；有限元

0 引言

荔灣3-1氣田是中國(guó)第一個(gè)真正意義上的深水油氣田，位于我國(guó)南海，是國(guó)家南海能源戰(zhàn)略的重要組成部分。荔灣3-1中心平臺(tái)是中國(guó)第一個(gè)深水氣田中心平臺(tái)[1]，從設(shè)計(jì)、建造到安裝均由中國(guó)海油自主完成。就位后的荔灣3-1中心平臺(tái)組塊為我國(guó)最大、世界第二大組塊，最高點(diǎn)距海床300米，相當(dāng)于100層樓高。

天然氣壓縮機(jī)是荔灣3-1平臺(tái)上的主要設(shè)備，為了控制整個(gè)平臺(tái)的重量，在對(duì)設(shè)備的選型中，其重量和尺寸成為需要考慮的重點(diǎn)內(nèi)容。為了既能滿足平臺(tái)天然氣處理要求，也盡量減少設(shè)備的重量及占地面積，在設(shè)計(jì)中遵循了以下幾點(diǎn)原則：滿足復(fù)雜的工藝條件要求；較高的機(jī)組運(yùn)行效率、節(jié)能減排；減少平臺(tái)壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)，控制平臺(tái)設(shè)備重量；合理處理實(shí)際產(chǎn)量與預(yù)留之間的關(guān)系。

1 工況說(shuō)明

荔灣3-1平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)生產(chǎn)工況較為復(fù)雜，其建設(shè)分為以下三個(gè)階段：

A階段：投產(chǎn)階段濕氣處理量為36億方/年；

B階段：一期能力增加到66億方/年濕氣；

圖1 壓縮機(jī)流程圖

C階段：二期新增33億方/年深水濕氣，即處理量增加到100億方/年。

考慮到不同年份深水天然氣登陸平臺(tái)的壓力不同[2][3]，因此工藝整體流程設(shè)計(jì)如圖1所示：

流程1：A階段，荔灣3-1深水氣田濕氣登陸CEP平臺(tái)壓力較高，約為7500kPaG，因此，荔灣3-1的天然氣直接進(jìn)入三甘醇脫水系統(tǒng)，經(jīng)三甘醇脫水后與來(lái)自番禺平臺(tái)的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。

流程2：B階段，荔灣3-1深水氣田濕氣登陸平臺(tái)壓力降為2500kPaG，此時(shí)，需設(shè)置濕氣壓縮機(jī)，荔灣3-1天然氣經(jīng)濕氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來(lái)自番禺的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。

流程3：C階段，荔灣3-1深水氣田濕氣登陸平臺(tái)壓力降為1000kPaG，此時(shí)需增設(shè)預(yù)增壓壓縮機(jī)，天然氣壓力被增壓升至2500kPaG，然后進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)增壓，增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來(lái)自番禺的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。需要說(shuō)明的是，預(yù)增壓壓縮機(jī)僅僅針對(duì)荔灣3-1氣田的天然氣，因?yàn)殡m然CEP平臺(tái)一期設(shè)計(jì)規(guī)模為80億方/年處理量，但是荔灣 3-1氣田從配產(chǎn)上看僅有 36億方/年的產(chǎn)量，且后期氣源的來(lái)源及氣體性質(zhì)、登平臺(tái)壓力都無(wú)法確定。因此對(duì)于后期的實(shí)際情況，要根據(jù)后期實(shí)際的氣源情況再確定。

由以上描述可以看出，荔灣氣田的生產(chǎn)工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)壽命內(nèi)產(chǎn)量、壓力等變化較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)選型困難。因此，需綜合考慮工藝、經(jīng)濟(jì)、操作維修等方面對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行選型。

2 天然氣壓縮機(jī)選型

2.1 壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)裝置選型

常用的壓縮機(jī)組型式有往復(fù)式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)兩種。往復(fù)式壓縮機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是，壓力適應(yīng)范圍寬，流量調(diào)節(jié)范圍較大。缺點(diǎn)是機(jī)組結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，尺寸重量較大，運(yùn)動(dòng)部件多，機(jī)組日常維護(hù)工作量多。離心式壓縮機(jī)組排量大，運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)組外形尺寸小，占地面積少，設(shè)備重量輕；易損件和摩擦件少，運(yùn)行周期長(zhǎng)，日常維護(hù)工作量小[4]。由于平臺(tái)外輸氣量較大，故采用離心式壓縮機(jī)組。

壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)方式可以是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或直接由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。原動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)組的型式相對(duì)應(yīng)，可以選擇燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)或者往復(fù)式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。一般往復(fù)式壓縮機(jī)由往復(fù)式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；離心式壓縮機(jī)由燃?xì)馔钙桨l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)方式優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)組維護(hù)工作量小，振動(dòng)噪音小。但是當(dāng)功率較大時(shí)，大電機(jī)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊。本項(xiàng)目壓縮機(jī)最大功率約為10000kW到25000kW左右，功率較大，因此采用燃?xì)馔钙阶鳛轵?qū)動(dòng)。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪梢酝ㄟ^(guò)余熱回收裝置進(jìn)行回收，從而為平臺(tái)提供廉價(jià)熱源，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.2 壓縮機(jī)廠家選取及裝置配備

根據(jù)上述平臺(tái)生產(chǎn)工況，在對(duì)比了各個(gè)廠家的方案并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性做了論證之后，荔灣3-1平臺(tái)選用了索拉公司的TITAN250型壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)為索拉公司功率最大的燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)組，TITAN250的設(shè)計(jì)是基于其他索拉燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型已經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)。與海洋平臺(tái)常用的TITAN130相比，TITAN 250具有同樣的占地面積而出力提高50%，同時(shí)它具有40%的軸效率并將污染排放量降低達(dá)30%，最大功率可達(dá)24000kW，能夠滿足平臺(tái)生產(chǎn)工藝要求。

不同生產(chǎn)階段的TITAN250壓縮機(jī)配備情況如下：

A階段：配置兩臺(tái)TITAN250壓縮機(jī)，一用一備；

B階段：增加兩臺(tái)TITAN250壓縮機(jī)，兩用兩備；

C階段：增加一臺(tái)TITAN250壓縮機(jī)，四用一備。

3 機(jī)組維修方案

荔灣氣田是該機(jī)組在亞太地區(qū)的首次使用，也是在海洋平臺(tái)上的首次使用。由于在設(shè)計(jì)中沒(méi)有可參考的先例，所以無(wú)論在對(duì)設(shè)備的認(rèn)識(shí)、性能的了解，還是設(shè)備的布置、安裝和維修的相關(guān)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員遇到了許多難題，需要結(jié)合荔灣3-1平臺(tái)特性對(duì)其進(jìn)行研究。

TITAN250壓縮機(jī)相對(duì)于以往平臺(tái)上使用的TITAN130壓縮機(jī)，其維修重量要大很多，不僅設(shè)計(jì)人員沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，就連廠家都沒(méi)有一套普遍適用的方案，且以往的壓縮機(jī)透平裝置都是用海洋平臺(tái)吊機(jī)吊出機(jī)組罩殼，而 TITAN250壓縮機(jī)是用導(dǎo)軌將機(jī)組運(yùn)出罩殼。再加之平臺(tái)大小的限制，機(jī)組之上還有二層操作維修平臺(tái)，使得維修部件不能使用吊機(jī)直接吊出。經(jīng)過(guò)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)及廠家的多次溝通，設(shè)計(jì)人員確定了先在二層平臺(tái)上安裝滑道梁，將維修部件運(yùn)送到機(jī)組橇邊，再用廠家提供的維修小車(chē)將其移動(dòng)到吊機(jī)起吊范圍之內(nèi)的方案。這種方案，不僅減少了對(duì)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，滿足了廠家對(duì)機(jī)組維修的各種要求，而且也考慮到了項(xiàng)目二期工況下，其余壓縮機(jī)的維修方案。

根據(jù)機(jī)組特性，其重量最大的維修部件為透平轉(zhuǎn)子，其維修所需的滑道梁及小車(chē)葫蘆的載荷為50t。根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7332-2007，其僅對(duì)40t及以下噸位的小車(chē)所適用的型鋼有明確要求，而荔灣項(xiàng)目所使用的50t小車(chē)葫蘆已經(jīng)超出了標(biāo)準(zhǔn)的使用范圍，在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)的條件下，設(shè)計(jì)人員采用采用鋼板拼接形式作為滑道梁，通過(guò)ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析，確定在滿足力學(xué)性能條件下的腹板和翼緣板的厚度。如圖2所示。

圖2 50t滑道梁有限元分析受力

滑道梁材質(zhì)選用高強(qiáng)度船用結(jié)構(gòu)鋼 D36，通過(guò)分析最終確定的滑道梁翼緣厚度為32mm，腹板厚度為18mm?？紤]到安全性、操作空間、易操作性、使用頻率及后期維護(hù)等問(wèn)題，最終選用50t的氣動(dòng)葫蘆及氣動(dòng)小車(chē)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)荔灣 3-1平臺(tái)天然氣處理工況的分析及相應(yīng)處理設(shè)備的研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理配備，TITAN250壓縮機(jī)能夠滿足荔灣3-1平臺(tái)復(fù)雜的生產(chǎn)工況。對(duì)于40t以上滑道梁，在無(wú)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可依的情況下可通過(guò)有限元應(yīng)力分析計(jì)算受力及形變，由鋼板焊接制成。TITAN250壓縮機(jī)是該機(jī)組在亞太地區(qū)的首次使用，也是在海洋平臺(tái)上的首次使用。其操作維修方案的確定將為后期大型氣田的開(kāi)發(fā)提供理論及實(shí)踐指導(dǎo)。

[1]黃冬云.荔灣3-1淺水平臺(tái)設(shè)備布置研究[J].中國(guó)造船.2011(52):321-326.

[2]安維崢,趙新君.海上平臺(tái)多工況大型離心壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù).2013(2):15-18.

[3]周曉紅,郝蘊(yùn),衣華磊.荔灣 3-1深水氣田開(kāi)發(fā)中心平臺(tái)工藝設(shè)計(jì)若干問(wèn)題研究[J].中國(guó)海上油氣.2011(5):43-46.

[4]蔡曉君,馬強(qiáng).海上平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)選型關(guān)鍵技術(shù)研究[J].壓縮機(jī)技術(shù).2011(5):25-27.

Type Selection and Maintenance of Gas Turbine Compressors on LIWAN 3-1 Offshore Platforms

ZHANG Xiang-rong,GAO Peng,HUI Ning,ZHANG Yan-chun,SHAN Xiao-liang(Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin 300451,China)

This paper mainly discusses the type selection,number determent and maintenance of natural gas compressors on Liwan 3-1 offshore platforms.After selection,TITAN 250,made by SOLAR,has been chosen finally.The section steel type of monorail used for turbines repair is out of the range of JB/T7332-2007 covered.So in this project,designers use finite element method to determine the flange and web thickness and weld the section steel by steel plates.

natural gas compressor; TITAN 250; finite element method

TE974

A

章向榮（1963-），男，本科。主要從事生產(chǎn)項(xiàng)目、技術(shù)管理工作。