（中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085）

液環(huán)壓縮機(jī)目前在國內(nèi)主要用于2個(gè)方面，一是腐蝕性氣體輸送，例如氯堿工業(yè)中氯氣輸送［1］，化工行業(yè)中氯化氫氣體壓縮［2-3］；二是揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）回收治理，例如火炬氣回收［4-8］、油品罐區(qū)散排氣體回收及工廠異味治理等［9］。而在中東地區(qū)，液環(huán)壓縮機(jī)還用于油田產(chǎn)出氣體的處理。按照中東地區(qū)對(duì)原油處理過程中各類產(chǎn)出物的回收利用和環(huán)保要求，液環(huán)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)需要滿足相關(guān)歐美標(biāo)準(zhǔn)的要求。

文中以某中東國家高含硫油田增產(chǎn)項(xiàng)目為例，結(jié)合液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和性能特性，分析液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)，對(duì)其在高含硫油田的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和性能特性

液環(huán)壓縮機(jī)由進(jìn)氣口及進(jìn)氣腔、吸氣蓋、圓筒形殼體、帶葉片的轉(zhuǎn)子、排氣蓋、排氣腔及排氣口等組成，其工作原理見圖1。

圖1 液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理示圖

轉(zhuǎn)子偏心安裝在殼體中，殼體中液體在離心力作用下形成與殼體同心的液環(huán)，葉片端部浸沒在液環(huán)中，液環(huán)與相鄰2個(gè)葉片未浸沒部分形成密閉腔體。隨著葉片旋轉(zhuǎn)，葉片深入液環(huán)的長度不斷變化，密閉腔體大小也不斷變化。在吸入段，密閉腔體的容量由小變大，形成負(fù)壓，從而吸入氣體（圖1中A點(diǎn)）。在排氣段，腔體由大變小，從而壓縮氣體（圖1中B點(diǎn)），如此往復(fù)交替，形成連續(xù)的壓縮工藝。

根據(jù)吸氣蓋和排氣蓋結(jié)構(gòu)形式，目前市場上的液環(huán)壓縮機(jī)主要有2種主流結(jié)構(gòu)，一種是以德國NASH品牌為代表的圓形端板結(jié)構(gòu)，另一種是以GARO品牌為代表的錐形筒結(jié)構(gòu)。液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，采用液體密封，排氣溫度低，工作時(shí)氣體不與殼體接觸，汽缸不需要潤滑，可用于腐蝕性氣體介質(zhì)［10-11］。

2 中東地區(qū)某高含硫油田應(yīng)用分析

2.1 項(xiàng)目背景

波斯灣沿岸某國市中心西南方向160 km的沙漠腹地油田，面積45 km×25 km，產(chǎn)出的原油含硫量達(dá)11%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），屬于高含硫油田。該國陸上石油公司對(duì)此油田進(jìn)行開發(fā)，計(jì)劃將目前22.26×104m3/d（140萬桶 /d）的產(chǎn)能提高到28.62×104m3/d（180萬桶 /d），為此要改造已有中心處理站，新建中心處理站1座、預(yù)脫水站5座、注水系統(tǒng)、站外系統(tǒng)（包括單井、集油站）以及相關(guān)的電力系統(tǒng)、道路系統(tǒng)、管線連接等相關(guān)配套設(shè)施，總投資大約15.2億美元（折合人民幣約為100億元）。

該油田所產(chǎn)原油介質(zhì)中含有大量的H2S氣體，由于其壓力較低，需要收集后增壓輸送，液環(huán)壓縮機(jī)被選擇在本項(xiàng)目中執(zhí)行伴生氣輸送任務(wù)。

2.2 工況介紹

預(yù)脫水站工藝流程見圖2。液環(huán)壓縮機(jī)在本項(xiàng)目中執(zhí)行伴生氣輸送任務(wù)，是預(yù)脫水站的重要工藝設(shè)備，與流程中的空冷器、分離器、補(bǔ)液罐等構(gòu)成液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)［12-13］(圖3)。5座預(yù)脫水站均設(shè)置了液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)，以4號(hào)預(yù)脫水站的液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

圖2 預(yù)脫水站工藝流程簡圖

圖3 液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)流程簡圖

介質(zhì)在脫水站內(nèi)脫水分離器進(jìn)行油、氣、水的三相分離，分離出的伴生氣首先經(jīng)凝液罐脫水，除少量用于火炬長明燈及吹掃用氣外，其余大部分進(jìn)入撇油罐和回灌水罐，用于大罐氣封，出大罐后進(jìn)入液環(huán)壓縮機(jī)，經(jīng)增壓后輸送到中心處理站，最終送至天然氣處理廠。分離器出油直接進(jìn)入原油生產(chǎn)匯管去往中心處理站，分出的生產(chǎn)水則先進(jìn)入撇油罐撇油，撇出的油進(jìn)入回油罐，由回油泵打入主生產(chǎn)匯管，生產(chǎn)水則進(jìn)入回灌水罐，由回灌泵注入回灌井。

2.3 工藝參數(shù)

預(yù)脫水站所用液環(huán)壓縮機(jī)的額定氣體處理量為1 267.2 kg/h,壓縮機(jī)撬邊界入口絕對(duì)壓力為105.38 kPa(1.04 bar）,撬邊界出口儀表壓力為476.23 kPa（4.7 bar)，撬邊界出口溫度不大于65℃。設(shè)計(jì)溫度85℃?，F(xiàn)場可提供的工作液為飲用水。氣體組分及設(shè)計(jì)條件見表1，設(shè)計(jì)考慮的最大H2S體積分?jǐn)?shù)為2.5%。表1中，工況1和工況2分別為最大油氣液量年（2020年）的夏季工況和冬季工況，工況3和工況4分別為最大含水量年的夏季工況和冬季工況。

表1 液環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)氣組成（摩爾分?jǐn)?shù)） %

2.4 設(shè)備選型

根據(jù)工藝參數(shù)，螺桿壓縮機(jī)和液環(huán)壓縮機(jī)均可選用。螺桿壓縮機(jī)存在幾方面的不利情況，①螺桿壓縮機(jī)對(duì)輸送介質(zhì)的潔凈度要求高，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)氣體中夾帶不明顆粒。②螺桿壓縮機(jī)在壓縮C6～C12等重組分時(shí)容易結(jié)焦，焦炭附著在螺桿上容易造成螺桿卡死斷軸。③原油中含H2S較高，與氣體中水分遭遇，會(huì)形成酸性濕氣，造成硫化氫腐蝕，對(duì)轉(zhuǎn)子等高精度部件不利。要改善這種腐蝕情況，則轉(zhuǎn)子部分需要選用昂貴的耐蝕合金。④螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的制造水平要求高，部件多，維護(hù)保養(yǎng)工作量大。在其他幾個(gè)已運(yùn)行項(xiàng)目中，螺桿壓縮機(jī)故障發(fā)生率高，經(jīng)常造成停機(jī)檢修，給油田生產(chǎn)造成很大困難。而液環(huán)壓縮機(jī)中的氣體直接與工作液接觸，壓縮過程冷卻良好，接近等溫壓縮，葉輪與工作腔無摩擦，對(duì)氣體中含有的水分或者固體顆粒不敏感，工作腔密封性好，對(duì)零件的精度要求不高,結(jié)構(gòu)簡單［10］。根據(jù)比較結(jié)果，壓縮機(jī)選用液環(huán)式類型。

2.5 壓縮機(jī)方案及標(biāo)準(zhǔn)

招評(píng)標(biāo)后最終選擇GARO品牌壓縮機(jī)，產(chǎn)地意大利，采用錐形筒結(jié)構(gòu)分配器，單作用兩級(jí)壓縮?？紤]到沙漠腹地水源短缺，工作液采用如圖3所示全循環(huán)模式。

液環(huán)壓縮機(jī)符合 API 681-2010《Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors for Petroleum,Chemical,and Gas Industry Services》［12］要求，同時(shí)滿足業(yè)主石油公司的規(guī)格書。業(yè)主石油公司的技術(shù)規(guī)格書基于殼牌規(guī)范Shell DEP-31.29.42.30-2012 《Liquid Ring Vacuum Pumps and Compressors(Amend-ments/Supplements to API 681)》［14］編制，因此本項(xiàng)目壓縮機(jī)也是滿足殼牌標(biāo)準(zhǔn)要求的。

2.6 材質(zhì)選擇

根據(jù)工藝條件，預(yù)計(jì)離開撇油罐的氣體夾帶有約2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的液量，夾帶液中含有的氯離子最大質(zhì)量濃度為150 270 mg/L。同時(shí)考慮到H2S氣體在液環(huán)壓縮過程中會(huì)不斷溶入工作液，形成氫硫酸液腐蝕苛刻工況，提出對(duì)壓縮機(jī)殼體采用碳鋼襯825合金或者純825合金，對(duì)葉輪、軸等轉(zhuǎn)子部件采用純825合金，對(duì)管道/閥門等接觸液體部件均采用碳鋼襯ALLOY825或者純ALLOY825等材質(zhì)要求。

工作液補(bǔ)給系統(tǒng)和機(jī)械密封系統(tǒng)介質(zhì)均為飲用水，材質(zhì)采用SS316L。壓縮氣體中H2S分壓超過0.3 kPa(a)，形成酸性腐蝕工況，因此所有過流部件均要滿足NACE MR-017/ISO 15156-2015《Petroleum and Natural Gas Industries-Materials for Use in H2S-containing Environments in Oil and Gas Production》［15］酸性工況材料要求。

2.7 機(jī)械密封系統(tǒng)選擇

壓縮機(jī)輸送介質(zhì)為易燃、易爆的原油伴生氣，且含有高濃度的有毒氣體H2S，H2S溶于水后形成氫硫酸，氫硫酸溶液中H2S易揮發(fā)，對(duì)人體及周圍環(huán)境危害較大。根據(jù)業(yè)主提出的健康、安全、環(huán)境（HSE）要求，選擇雙端面機(jī)械密封，并采用plan53B沖洗方案。機(jī)械密封系統(tǒng)按照API 682-2014《Pumps-shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps》［16］選擇。隔離液采用飲用水及乙醇混合物。

2.8 空冷器選擇

空冷器設(shè)置在壓縮機(jī)出口，流程上位于分離器之前。按照項(xiàng)目的要求，采用API 661-2013《Petroleum,Petrochemical，and Natural Gas Industrial-Air-cooled Heat Exchangers》［17］及殼牌標(biāo)準(zhǔn) Shell DEP31.21.70.10-2012《Air-cooled Heat Exchangers:Selection and Application》［18］設(shè)計(jì)，選用強(qiáng)制通風(fēng)結(jié)構(gòu)?？绽淦髟O(shè)計(jì)中考慮環(huán)境溫度55℃，出口溫度不超過65℃，換熱負(fù)荷360 kW，總換熱面積1 357 m2。共設(shè)置3臺(tái)風(fēng)扇（2用1備），電機(jī)與風(fēng)扇采用皮帶傳動(dòng)，換熱管束總體尺寸(長度×寬度)8.55 m×2.13 m。

空冷器采用鋁制翅片管，管束及管箱材質(zhì)與壓縮機(jī)一致，選用UNS N08825金屬材料，并滿足NACE MR0175-2015要求。空冷器布置考慮了維、檢修空間，在風(fēng)扇下方及管束兩端設(shè)置檢修梯子平臺(tái)，總體布局見圖4。

圖4 空冷器布置及操作檢修空間示圖

2.9 分離器設(shè)計(jì)

壓縮氣體出口分離器為三相分離器 （圖5），容器按照 ASME Sec.Ⅷ,Div.1-2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》［19］及殼牌 DEP 31.22.20.31-2013《Pressure Vessels(Based on ASME Section Ⅷ)》［20］要求設(shè)計(jì)制造，臥式布置，直徑1 400 mm,長3 500 mm,設(shè)計(jì)壓力1 MPa/全真空，材質(zhì)選用UNS N08825，并且滿足NACE MR0175-2015的要求。分離器內(nèi)設(shè)置溢流堰板，分離出來的油到達(dá)堰板高度后溢流到后部收油區(qū)，前部為液環(huán)工作液區(qū)，回流到液環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)液。

圖5 分離器結(jié)構(gòu)簡圖

2.10 補(bǔ)液罐

根據(jù)液環(huán)壓縮機(jī)系統(tǒng)流程（圖3），液環(huán)壓縮機(jī)出口分離器分離出的油液基于油位從底部自動(dòng)排放，分離出來的工作液全部回流到液環(huán)壓縮機(jī)中，當(dāng)分離器中液位下降至儀表顯示工作液不足時(shí)，高架補(bǔ)液罐補(bǔ)液閥門打開，對(duì)液環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)液。

2.11 設(shè)備檢測保護(hù)系統(tǒng)

按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，液環(huán)壓縮機(jī)需要配置設(shè)備檢測保護(hù)系統(tǒng) （machine monitoring system，MMS），MMS 按 API 670-2014《Machinery Protection System》［21］規(guī)定執(zhí)行。

對(duì)液環(huán)壓縮機(jī)本體軸承設(shè)置測溫探頭和傳感器，設(shè)置x-y方向振動(dòng)探頭，軸向設(shè)置位移探頭，電機(jī)本體設(shè)置軸承測溫、測振探頭。最終選擇的MMS產(chǎn)品為Bently Nevada 3500，包含探頭、信號(hào)線及數(shù)據(jù)采集模塊。

2.12 特殊設(shè)計(jì)

油田操作和生產(chǎn)人員從實(shí)際運(yùn)行維、檢修角度提出，空冷器的檢修空間和工具要具體標(biāo)明，壓縮機(jī)其他部件的檢修需要配置手拉葫蘆或者需要用汽車吊的都要進(jìn)行明確定義，檢修通道以及檢修路徑也要標(biāo)明，這些在空冷器及操作檢修空間布置圖上均有體現(xiàn)。此外，還要準(zhǔn)備由業(yè)主審批的檢修吊裝研究報(bào)告。

3 結(jié)語

中東地區(qū)處理高含硫原油的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)參照采用了相關(guān)API標(biāo)準(zhǔn)及殼牌標(biāo)準(zhǔn)，相比國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)通常執(zhí)行的API標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)制造要求更高，檢驗(yàn)測試規(guī)定更嚴(yán)。相比螺桿壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)，液環(huán)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、造價(jià)低，更適合處理易燃、易爆、有毒性、腐蝕性、夾帶有顆粒物的氣體，已被中東地區(qū)油田業(yè)主接受。中東地區(qū)油田業(yè)主對(duì)設(shè)備的操作維護(hù)要求比較細(xì)致，維、檢修的方法、工具，維修人員的操作空間、路徑，維修件的安放、轉(zhuǎn)移等都要提供具體的技術(shù)方案，并經(jīng)業(yè)主審查得到其同意方可執(zhí)行。因此在進(jìn)行配管設(shè)計(jì)時(shí)需要熟悉殼牌相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮設(shè)備布局和空間預(yù)留，并設(shè)置完善的檢修平臺(tái)，配置檢修工具。