席治國

中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026

集氣站壓縮機節(jié)能改造分析

席治國

中石化石油工程設(shè)計有限公司，山東東營 257026

油氣田進入開發(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發(fā)生變化，按照原來生產(chǎn)規(guī)模設(shè)計的天然氣壓縮機組，需要通過旁通打回流運行才能解決輸氣量的變化問題，存在很大的能量浪費，因而需要節(jié)能改造。結(jié)合某集氣站天然氣壓縮機組出現(xiàn)的運行問題，分析了采用不同氣量調(diào)節(jié)方式進行節(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，并對改造內(nèi)容進行了詳細介紹。對比改造前后壓縮機組的運行功率發(fā)現(xiàn)，改造后壓縮機組節(jié)能效果明顯。

天然氣壓縮機；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責周圍幾家采油廠的天然氣加工處理及升壓外輸任務(wù)，進站氣體有低壓進站的伴生氣、高壓進站的氣井氣及海上來氣。其中低壓天然氣需要進天然氣壓縮機增壓后方可進凝液回收裝置進行處理。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發(fā)生變化，夏季氣量為壓縮機組設(shè)計排氣量的65%～90%，冬季氣量僅為壓縮機組設(shè)計排氣量的15%～50%，壓縮機組需要通過旁通打回流運行，存在巨大的能量浪費。為了最大限度節(jié)約能源，需要進行節(jié)能改造。

1 天然氣壓縮機簡介

1.1 機組主要參數(shù)

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

表1 天然氣壓縮機組主要參數(shù)

1.2 機組現(xiàn)狀及存在問題

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

針對來氣量的急劇下降，目前機組已經(jīng)無法滿足氣量調(diào)節(jié)的需要，需要對機組的流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行升級改造，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來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，受壓縮機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%。該機組改為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，需要完成的工程量為：

（1）主電機改為變頻電機，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）機組控制柜需要重新設(shè)計。

（4）現(xiàn)有機組潤滑油系統(tǒng)未考慮變速運行，因此需要取消機組現(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）改為變頻電機后，外形尺寸及中心高與以前有區(qū)別，電機底座及機組中心需重新設(shè)計。

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

雖然將機組改造為變轉(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，對正常生產(chǎn)運行影響大。

2.2 吸氣閥調(diào)節(jié)

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

（1）比例調(diào)節(jié)。天然氣壓縮機一級壓縮為2個26.5 in（1 in=25.4 mm）雙作用氣缸，共16個進氣閥，而二、三級氣缸分別為1個17.5 in雙作用氣缸、1個10.5 in雙作用氣缸，各有4個進氣閥。改造時，需要對各級每個進氣閥均設(shè)置卸荷器，可實現(xiàn)0%、50%、100%的比例流量調(diào)節(jié)，無法實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)；又由于機組一級氣缸的活塞較重，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，這樣長期工作對機組的負載、潤滑有較大影響；再則由于已建機組在設(shè)計時未考慮安裝卸荷器，因而一級氣缸不具備安裝空間。鑒于上述的不利于機組長期運行及安裝空間不足，因此不建議采用比例調(diào)節(jié)方式。

（2）無級調(diào)節(jié)。需要增加一套無級調(diào)節(jié)裝置，費用約200萬～300萬元，價格較高。同時，因為在高轉(zhuǎn)速下運行，氣體的作用力較小，往復(fù)力大，活塞桿的綜合桿載接近機組的設(shè)計上限，長期運行對機組的可靠性和使用壽命有較大影響，因此不建議采用無級調(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，可以將各氣缸由雙作用改為單作用氣缸，電機可以節(jié)省一半功率。理論上，這種組合調(diào)節(jié)是可行的，但實際上由于氣缸進氣閥數(shù)量較多（對于本機組進氣氣閥共24個），拆裝非常麻煩；同時，這種調(diào)節(jié)可操作性較差，無法實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)；再者由于本機組為微油潤滑，拆掉進氣閥，仍然會有潤滑油進入該側(cè)氣缸，因此需要考慮潤滑油的排放問題。鑒于可操作性差，且需要對潤滑油進行回收，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)

已建機組在一級氣缸設(shè)置了手動余隙調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍80%～100%。對于手動可變余隙調(diào)節(jié)方式，由于手輪操作機構(gòu)驅(qū)動力小，壓縮機運行時不能根據(jù)工藝要求進行在線自動調(diào)節(jié)，因此大大地降低了其實用性。液壓可變余隙調(diào)節(jié)法是通過在壓縮機各級氣缸蓋端增加余隙腔，同時將可變余隙氣量調(diào)節(jié)裝置同電子與液壓控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了自動在線跟蹤控制，氣量調(diào)節(jié)范圍可達60%～100%。主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)在線氣量調(diào)節(jié)，改造成本較低，約70萬元；缺點是蓋端氣缸容積效率較低，氣缸相當于單作用缸。鑒于液壓可變余隙調(diào)節(jié)可以實現(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，同時改造工程量相對較小，價格便宜，因此確定選用液壓可變余隙調(diào)節(jié)作為本機組節(jié)能改造的方案。以上4種調(diào)節(jié)方式的對比見表2。

表2 各種調(diào)節(jié)方式的對比分析

3 節(jié)能改造方案的實施

3.1 改造的基本原則

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

（1）在不改變壓縮機原主體結(jié)構(gòu)的前提下，僅對壓縮機缸蓋（含余隙閥）進行改造。

（2）可變余隙容積采用電液控制方式。

（3）排氣量在60%～100%內(nèi)，可進行可變余隙容積自動無級調(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)機構(gòu)和電液控制柜兩大部分組成。對于每臺天然氣壓縮機，需要對每級均增加可變余隙氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)，所有氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)共用一套電液控制柜。

可變余隙腔氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)見圖1。

圖1 液壓可變余隙氣量調(diào)節(jié)機構(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

在天然氣壓縮機設(shè)計工況下，即設(shè)計排氣量為23.02萬Nm3/d時，流量的變化與壓縮機軸功率的關(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組使用情況，分析了采用不同氣量調(diào)節(jié)方式進行節(jié)能改造的可行性，經(jīng)對比分析，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上的應(yīng)用[J].機械與電子，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)，本刊編委會委員，現(xiàn)主要從事設(shè)計管理工作。Email：sygcsj.osec@sinopec.com

2017-04-16