李治貴海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海洋平臺(tái)伴生氣回收中的無(wú)油噴液螺桿壓縮橇裝技術(shù)

李治貴
海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海上平臺(tái)伴生氣因其產(chǎn)量少，組分復(fù)雜，含液多，傳統(tǒng)處理方式多是排放至火炬系統(tǒng)燃燒掉，對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重污染的同時(shí)也造成能源的巨大浪費(fèi)。介紹了一種采用無(wú)油噴液螺桿壓縮裝置回收低壓伴生氣技術(shù)，對(duì)其典型工藝流程以及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了論述，并根據(jù)其在渤海某平臺(tái)的應(yīng)用，介紹了冷卻器、洗滌罐的設(shè)計(jì)，計(jì)算了安裝本橇裝設(shè)備后的平臺(tái)伴生氣回收收益。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)本裝置兼顧了實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，具有較好的推廣價(jià)值。

伴生氣回收；無(wú)油噴液螺桿壓縮機(jī)；節(jié)能減排

海上石油平臺(tái)對(duì)來(lái)自井口的油、氣、水三相混合物一般采用三級(jí)脫水、脫氣的穩(wěn)定處理流程，一級(jí)游離水分離器中分離出的大量天然氣多數(shù)能夠直接供應(yīng)鍋爐等低壓天然氣用戶，或者通過(guò)壓縮機(jī)增壓后供透平等高壓用戶利用及作為商品氣通過(guò)海底管道進(jìn)行外輸，而二級(jí)熱化學(xué)分離器中的低壓閃蒸伴生氣則很少配置專(zhuān)門(mén)的回收設(shè)備。

油田伴生氣也屬于天然氣資源的一種，組分復(fù)雜且含液多，因此，需要的加工處理工藝比一般的氣田氣和凝析氣的處理工藝更為復(fù)雜，加之低壓油田伴生氣的產(chǎn)量一般較小且不穩(wěn)定，可利用的壓能較低，在過(guò)去往往被誤認(rèn)為是沒(méi)有價(jià)值的，直接采用燃燒的方法處理，火炬產(chǎn)生的滾滾濃煙對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)也是能源的巨大浪費(fèi)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及國(guó)家“節(jié)能減排”政策的號(hào)召，海洋平臺(tái)越來(lái)越重視此部分伴生氣的挖潛增效工作。

目前，國(guó)內(nèi)陸地油田回收利用伴生氣已經(jīng)有了很大發(fā)展，有較多成熟可靠的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒［1］。陸地油田設(shè)備布置空間限制較小，根據(jù)油田的氣量情況可對(duì)回收設(shè)備進(jìn)行搬遷使用，但相對(duì)寸土寸金的海洋平臺(tái)，陸地的常規(guī)配置方案有較大的局限性，所以針對(duì)平臺(tái)的伴生氣回收方案要具體問(wèn)題具體分析，兼顧實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，海上伴生氣回收的常見(jiàn)方式有液化［2-3］、回注、發(fā)熱發(fā)電等，綜合技術(shù)比對(duì)及經(jīng)濟(jì)論證，將低壓伴生氣收集后增壓，使其進(jìn)入天然氣處理系統(tǒng)，經(jīng)洗滌和進(jìn)一步增壓后作為燃料，供透平發(fā)電及熱介質(zhì)鍋爐等裝置使用，而且僅需增加一套低壓天然氣增壓裝置。在考慮項(xiàng)目投資和收益率的前提下，此方式是目前海洋石油平臺(tái)推薦使用的最佳伴生氣回收再利用方式。

1 伴生氣的增壓裝置

對(duì)前述提到的增壓裝置，目前主要有往復(fù)式活塞壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)兩種。往復(fù)式活塞壓縮機(jī)對(duì)進(jìn)氣要求較高，級(jí)間需要冷卻、洗滌，對(duì)基礎(chǔ)要求高，占地面積大，而低壓伴生氣的產(chǎn)量通常并不高，因此采用往復(fù)式活塞壓縮機(jī)回收不具備經(jīng)濟(jì)性。而螺桿式壓縮機(jī)在處理低壓伴生氣方面，具有穩(wěn)定、節(jié)能、高效等優(yōu)勢(shì)條件，在海洋平臺(tái)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

螺桿壓縮機(jī)是一種作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械，如圖1所示，壓縮腔內(nèi)有一對(duì)相互嚙合且按一定傳動(dòng)比旋轉(zhuǎn)的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子，在原動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)下產(chǎn)生周期性的容積變化，完成氣體的吸入、壓縮和排出。

圖1　螺桿壓縮機(jī)工作原理

螺桿壓縮機(jī)主要分為噴油和無(wú)油兩種，最初海上平臺(tái)使用的螺桿壓縮機(jī)多為噴油型，由于噴油螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)，潤(rùn)滑油和氣體直接接觸，因此更適合于壓縮干凈的氣體，在海上平臺(tái)被廣泛用作空氣壓縮機(jī)或經(jīng)過(guò)脫烴、脫水、凈化之后的天然氣增壓。同時(shí)，由于噴油螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子之間的泄漏間隙更小，因此可以在出口壓力更高和進(jìn)出口壓差更大的工況下工作。但如果把噴油壓縮機(jī)用于海上油田伴生氣增壓工況，存在顯著的風(fēng)險(xiǎn)，排除實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況的差異，因伴生氣的含液量較大，經(jīng)常發(fā)生潤(rùn)滑油乳化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致停機(jī)故障，給平臺(tái)日常運(yùn)行和安全生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便及隱患。因此，無(wú)油螺桿壓縮在技術(shù)性能及安全性方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。無(wú)油螺桿壓縮機(jī)主要包括無(wú)油干式和無(wú)油濕式兩種，其中無(wú)油干式螺桿機(jī)排溫高、振動(dòng)大、適用范圍小，而無(wú)油濕式螺桿機(jī)能夠彌補(bǔ)干式的缺點(diǎn)，且具有容積效率高、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)油噴液螺桿壓縮機(jī)就屬于性能較全面的新型無(wú)油濕式設(shè)計(jì)產(chǎn)品，比較適合海洋平臺(tái)伴生氣回收工況。

2 無(wú)油噴液螺桿橇裝技術(shù)方案及特點(diǎn)

為了解決海上平臺(tái)低壓伴生氣回收利用難題，給平臺(tái)運(yùn)營(yíng)方提供整體工藝包解決方案，設(shè)計(jì)人員自主研發(fā)出無(wú)油噴液螺桿壓縮橇裝裝置。該橇裝裝置的核心部件——無(wú)油噴液螺桿壓縮機(jī)機(jī)頭，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一一研究所研發(fā)生產(chǎn)，機(jī)組具有安全可靠、性能優(yōu)良、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，與國(guó)外同類(lèi)橇裝產(chǎn)品相比具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1工藝方案

海洋平臺(tái)低壓伴生氣典型回收增壓橇裝工藝流程如圖2所示。

圖2　典型工藝處理流程

由圖2可知，該橇裝裝置工藝包由入口冷卻器、壓縮機(jī)、后冷卻器、出口洗滌器等主要設(shè)備組成。入口冷卻器用于降低氣源溫度，使其滿足機(jī)頭吸入溫度需求。由于開(kāi)機(jī)階段機(jī)頭內(nèi)部缺液，設(shè)置補(bǔ)液口用于開(kāi)機(jī)補(bǔ)液工況。伴生氣經(jīng)過(guò)螺桿機(jī)壓縮后，由于溫度升高，出口配置后冷卻器，將壓縮氣體溫度降低，進(jìn)入出口洗滌器進(jìn)行洗滌除液，分離出壓縮工藝氣中的液滴，使其含液量滿足后續(xù)流程需求。分離器收集的液體一部分用于回注機(jī)頭潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子，多余部分經(jīng)閉排管道排出橇外。

該方案優(yōu)化了正常流程需配置的前置洗滌罐及相關(guān)配套閥組，充分利用了機(jī)頭的噴液回注能力，使得流程簡(jiǎn)單可靠，操作控制方便。此外，壓縮機(jī)機(jī)頭需要配置一套潤(rùn)滑油系統(tǒng)，用于潤(rùn)滑機(jī)頭內(nèi)部可動(dòng)組件。機(jī)頭密封形式一般采用迷宮密封、碳環(huán)密封、機(jī)械密封的組合結(jié)構(gòu)，對(duì)于有毒有害等特殊工況采用干氣密封系統(tǒng)，壓縮機(jī)通過(guò)碟片式撓性聯(lián)軸器采用電機(jī)（或變頻電機(jī)）驅(qū)動(dòng)。

2.2主要技術(shù)特點(diǎn)

在工藝包自主研發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員全面調(diào)研國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，在充分考慮海洋工況特點(diǎn)的前提下，設(shè)計(jì)出的無(wú)油噴液螺桿壓縮橇裝設(shè)備具有穩(wěn)定可靠、配置簡(jiǎn)潔、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其主要技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：

（1）噴液技術(shù)可有效解決潤(rùn)滑油乳化問(wèn)題。在壓縮過(guò)程中噴入液體能夠起到冷卻和密封轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與殼體之間間隙的作用。

（2）流量采用變頻調(diào)節(jié)可以將壓縮機(jī)的吸氣能力在30％～100％范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，在入口條件變化以及部分變負(fù)載工況下，高效率地調(diào)節(jié)流量，減少用電消耗。

（3）具備氣液混輸能力，使用工況廣泛，允許氣體帶粉塵雜質(zhì)。

（4）級(jí)壓比可達(dá)11，由于向壓縮腔內(nèi)直接噴液冷卻被壓縮氣體，因此可以在壓縮過(guò)程中控制其溫度，變絕熱壓縮為等溫壓縮，從而避免了大壓比時(shí)高溫升情況的出現(xiàn)，通過(guò)兩級(jí)或者多級(jí)串聯(lián)可以達(dá)到更高的壓比。

（5）整橇尺寸小、質(zhì)量小，符合海上平臺(tái)對(duì)設(shè)備的基本要求。

3無(wú)油螺桿壓縮橇裝技術(shù)海上平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

以渤海某片區(qū)平臺(tái)為例，二級(jí)分離器溢出的低壓天然氣流量為1.5萬(wàn)m3/d，壓力為20 kPaG，如果進(jìn)入火炬系統(tǒng)處理將造成巨大能源浪費(fèi)，因此設(shè)置一套低壓天然氣壓縮機(jī)橇，將伴生氣冷卻、壓縮、洗滌后增壓至260 kPaG，并入天然氣處理系統(tǒng)處理，用以供給透平發(fā)電。

3.1工藝流程

為提供壓力及溫度穩(wěn)定、含水量達(dá)標(biāo)的穩(wěn)定氣源，保證各項(xiàng)控制指標(biāo)平穩(wěn)保持在高、低關(guān)斷范圍內(nèi)，橇內(nèi)各設(shè)備的處理能力需滿足主流程氣液處理需求，管道尺寸需滿足流量要求，并采取相應(yīng)控制邏輯，如回流、連鎖、調(diào)節(jié)控制等，使壓力、液位、溫度等被監(jiān)控參數(shù)正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)的主工藝流程如圖3所示。

本橇裝設(shè)備流量調(diào)節(jié)采用變頻與回流閥組合調(diào)節(jié)的方式。當(dāng)來(lái)氣量為設(shè)計(jì)氣量的30％～100％時(shí)，采用變頻調(diào)節(jié)；當(dāng)來(lái)氣量小于設(shè)計(jì)量的30％時(shí)，采用回流閥調(diào)節(jié)。

圖3　主工藝流程設(shè)計(jì)

3.2冷卻器的設(shè)計(jì)

在壓縮機(jī)之前設(shè)置一臺(tái)前冷卻器（WC-3104），其主要作用是冷卻上游流程輸送來(lái)的高溫氣體，將其溫度降至40℃以下，以滿足壓縮機(jī)入口溫度要求。該冷卻器換熱面積為27 m2，換熱量為396 kW。

由于壓縮機(jī)出口的高溫氣體對(duì)橇外主流程無(wú)影響，故在機(jī)頭與洗滌罐之間沒(méi)有設(shè)置冷卻器，但為保證洗滌罐內(nèi)凝析液溫度滿足機(jī)頭回注噴液溫度要求，在回注流程上設(shè)置一臺(tái)小型冷卻器，其換熱面積為7 m2，換熱量為31 kW。與圖2典型工藝包處理流程（機(jī)頭和洗滌罐主流程間設(shè)置較大冷卻器）相比，冷卻器設(shè)計(jì)成本大大降低。

在本實(shí)例中兩個(gè)冷卻器均采用海水冷卻式，換熱器形式為管殼式，高溫氣體走殼程，海水走管程。

3.3洗滌罐的設(shè)計(jì)

為便于回收洗滌液，洗滌罐通常采用臥式放置，罐內(nèi)設(shè)置絲網(wǎng)捕霧器。主要根據(jù)重力沉降原理將氣液進(jìn)行分離，液體聚集在罐底，為保證分離效果由液位調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)液面，使氣液界面維持在一定范圍內(nèi)。累積的液體一部分根據(jù)壓縮機(jī)出口管道上的溫度監(jiān)控調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度用于回注機(jī)頭，多余的部分直接排入閉排管道。

4 應(yīng)用效益情況

墾利一期、二期，錦州海上平臺(tái)先后采用上述工藝方案，應(yīng)用無(wú)油噴液螺桿增壓設(shè)備6臺(tái)套，用以回收平臺(tái)伴生天然氣為透平提供燃料。根據(jù)各平臺(tái)的氣量回收情況，以5年為統(tǒng)計(jì)期，天然氣價(jià)格按2元/m3計(jì)算，實(shí)際節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1　海上油田無(wú)油噴液螺桿壓縮技術(shù)應(yīng)用效益

5 結(jié)束語(yǔ)

以往海洋平臺(tái)開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的伴生氣直接進(jìn)入火炬系統(tǒng)燃燒，消耗能源的同時(shí)向大氣中排放了大量的CO2和NOx，無(wú)油噴液螺桿壓縮機(jī)技術(shù)的應(yīng)用為海洋石油平臺(tái)節(jié)能減排提供了新思路、新方法，具有一定的借鑒及推廣意義。相信在尚無(wú)更優(yōu)方案的情況下，無(wú)油噴液螺桿壓縮技術(shù)是海洋平臺(tái)伴生氣增壓利用的主流方案。

［1］蘇欣，王勝雷，張琳，等.油田伴生氣利用對(duì)策及現(xiàn)狀［J］.天然氣與石油，2008，26（2）：33-37.

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［3］劉祖仁，邵智生，謝協(xié)民.文昌13-1/2油田放空天然氣回收技術(shù)的應(yīng)用［J］.節(jié)能與環(huán)保，2010，（2）：36-38.

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Oil Free L iquid-injected Screw Compressor Skid-mounted Technique Used in Associated Gas Recoveryat Offshore Platform

LIZhigui
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Because of low production volume，multicomponent complexity and high liquid content of associated gas produced at offshore platform，the associated gas is discharged to a flare system to burn off in traditional approach，causing serious marine pollution and huge energy waste.This paper introduces the technique that uses the oil free liquid-injected screw compression apparatus to recover the low pressure associated gas，discusses its typical process flow and technical features，and describes the design of cooler and washing tank，then calculates the profits of the associated gas recovery after the skid-mounted apparatus was installed on the platform.The practice proves the apparatus has good practicability and economy，and promotionalvalue as well.

associated gas recovery；oilfree liquid-injected screw compressor；energyconservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.009

李治貴（1980-），男，山東濰坊人，工程師，2008年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋石油平臺(tái)天然氣壓縮機(jī)成橇設(shè)計(jì)工作。Email：lizhigui@mail.cooec.com.cn

2016-02-18