葉永平，羅 倩，王 欣，何 偉，盧福志

(1.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司成都?jí)嚎s機(jī)分公司，四川 成都 610100；2.中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司，卡爾加里 加拿大)

1 引言

在油氣開采領(lǐng)域，天然氣凈化廠經(jīng)常使用MDEA脫碳工藝進(jìn)行脫碳凈化。其中凈化出來(lái)的二氧化碳可以通過(guò)再生、脫水及壓縮等工藝進(jìn)行循環(huán)利用，也可以注入地下進(jìn)行CO2-EOR二氧化碳驅(qū)油。與一般的天然氣相比，再生二氧化碳有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)壓力一般20～60 kPa；

(2)CO2含量約90%；

(3)含飽和水蒸汽；

(4)分子量大；

(5)高壓時(shí)容易液化；

(6)腐蝕性強(qiáng)。

當(dāng)再生二氧化碳需要循環(huán)利用進(jìn)行壓縮時(shí)，這些因素為壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致其機(jī)組布局、分離器設(shè)計(jì)、冷卻器選擇以及振動(dòng)控制措施等與常規(guī)天然氣壓縮機(jī)有很大不同。如何在設(shè)計(jì)階段充分考慮這些關(guān)鍵因素，并采取相應(yīng)創(chuàng)新性措施解決其帶來(lái)的問(wèn)題，是保證二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

本文以某油田天然氣乙烷回收工程二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組DGY1120M600×600×540×360×230×160(如圖1所示5級(jí)壓縮、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速750 r/min)為例，說(shuō)明在往復(fù)式二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組成撬設(shè)計(jì)中，如何根據(jù)再生二氧化碳的特點(diǎn)進(jìn)行機(jī)組布局、如何進(jìn)行振動(dòng)控制以及如何合理設(shè)計(jì)分離器和冷卻器等，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)相關(guān)分析對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估及優(yōu)化以滿足二氧化碳?jí)嚎s的工藝及相關(guān)規(guī)范要求，可為同類壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

圖1 設(shè)計(jì)機(jī)組的撬體總圖布置

2 機(jī)組設(shè)計(jì)

某油田天然氣乙烷回收工程利用MDEA脫碳工藝將乙烷中的二氧化碳提取出來(lái)，達(dá)到凈化乙烷氣的目的，然后將提取出來(lái)的二氧化碳增壓后注入地下或者其他用途。二氧化碳經(jīng)過(guò)MDEA脫碳工藝提取出來(lái)后的壓力為80 kPa，經(jīng)過(guò)管路損失后，進(jìn)入壓縮機(jī)約20～40 kPa，含飽和水蒸氣，最高需要壓縮至6.9 MPa，單機(jī)最大排量12×104Nm3/d，六列五級(jí)壓縮，國(guó)內(nèi)外均無(wú)此類機(jī)組的應(yīng)用，因此需要對(duì)CO2壓縮機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)采用管殼式換熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳冷卻后溫度的自動(dòng)控制。

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)場(chǎng)站具備循環(huán)水系統(tǒng)，采用了水冷管殼式換熱器進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w的冷卻，通過(guò)物性計(jì)算和露點(diǎn)分析，末級(jí)排氣CO2在6.9 MPa時(shí)，當(dāng)溫度低于30 ℃就會(huì)液化，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)組出現(xiàn)排氣壓力突降、液態(tài)二氧化碳沖刷管路系統(tǒng)等故障。四級(jí)進(jìn)氣狀態(tài)的CO2在3.0 MPa時(shí)，當(dāng)溫度低于5 ℃就會(huì)液化，此時(shí)壓縮機(jī)組就會(huì)出現(xiàn)壓力突降，液態(tài)二氧化碳沖擊氣閥，導(dǎo)致氣閥損壞，液態(tài)二氧化碳進(jìn)入壓縮缸，發(fā)生頂缸事故，導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生。為了控制CO2冷卻后的溫度，本機(jī)組采用自動(dòng)調(diào)節(jié)水流量的方式達(dá)到溫度控制的目的。

(2)用于除去級(jí)間析出的大量液態(tài)水的分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過(guò)露點(diǎn)分析，每級(jí)壓縮冷卻后會(huì)析出大量的液態(tài)水，一級(jí)壓縮冷卻后析出水約150～390 kg/h，二級(jí)壓縮冷卻后會(huì)析出水約50～140 kg/h，三級(jí)壓縮冷卻后析出水約30～70 kg/h，四級(jí)壓縮冷卻后析出水約0～28 kg/h，五級(jí)壓縮冷卻后析出水約0～12 kg/h，如果大量的水滴沖擊氣閥，會(huì)導(dǎo)致氣閥壽命降低，甚至氣閥損壞，液態(tài)水進(jìn)入壓縮缸也會(huì)出現(xiàn)頂缸，因此一級(jí)進(jìn)氣、二級(jí)進(jìn)氣和三級(jí)進(jìn)氣分離器的內(nèi)部分離效率及分離精度都需要內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用重力分離及高效率的捕霧器保障分離效果，從而保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

(3)二氧化碳?jí)嚎s機(jī)停機(jī)后的防腐蝕處理。

二氧化碳?jí)嚎s機(jī)停機(jī)后，機(jī)組內(nèi)會(huì)儲(chǔ)存有二氧化碳?xì)怏w，且含有很多殘留的液態(tài)水和水蒸氣。如果長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，殘留在機(jī)組內(nèi)的氣體會(huì)對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生持續(xù)的腐蝕。為了預(yù)防此類問(wèn)題，機(jī)組設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)置換的功能，用于壓縮機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)情況下對(duì)殘留氣體進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，保證壓縮機(jī)停機(jī)后的防腐蝕。

(4)六列五級(jí)壓縮機(jī)的活塞配重及壓縮缸布局。

壓縮機(jī)組采用五級(jí)壓縮，缸徑分別為2×φ600，φ540，φ360，φ230，φ160。高轉(zhuǎn)速往復(fù)式壓縮機(jī)的所有列的往復(fù)質(zhì)量配重要求為偏差不超過(guò)1.1 kg，根據(jù)活塞設(shè)計(jì)，φ600與φ230，φ160均無(wú)法達(dá)到這個(gè)配重要求，因此優(yōu)化布局后，采用對(duì)稱兩列配重。遵循配重要求，五級(jí)壓縮列的活塞重量與六級(jí)壓縮列的活塞重量匹配，并兼顧管路連接的合理性，配置出壓縮缸最合理的布局。

(5)基于脈動(dòng)分析的六列五級(jí)壓縮機(jī)組的壓力容器及工藝管路布局。

撬裝式六列五級(jí)壓縮的壓力容器布局較困難，尤其是位于中間列的緩沖罐及分離器的方位及布局很受限制，既要考慮不影響活塞組件的抽芯檢修和管路連接，還需要考慮振動(dòng)問(wèn)題和干涉問(wèn)題，因此需要結(jié)合脈動(dòng)和振動(dòng)分析，將緩沖罐的方位及分離器的布局做一個(gè)最優(yōu)配置。

(6)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型。

管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)有很多型式，但是大氣量，大管徑的管殼式換熱器用于撬裝式設(shè)備上的較少，由于撬裝式設(shè)備的占地面積及高度空間均有限制，無(wú)法容納常規(guī)結(jié)構(gòu)的換熱器，因此需要設(shè)計(jì)一種方便配管，占空間較小，適用于撬裝配套的管殼式換熱器。

(7)常壓進(jìn)氣的工藝卸載流程的優(yōu)化及閥門配置。

針對(duì)進(jìn)氣壓力很接近大氣壓的壓縮機(jī)組，在卸載時(shí)會(huì)出現(xiàn)進(jìn)氣壓力被高壓的排氣端氣體沖高，而導(dǎo)致壓縮機(jī)因超負(fù)荷而劇烈抖動(dòng)的現(xiàn)象，產(chǎn)生巨大的安全隱患。為了避免卸載時(shí)出現(xiàn)這個(gè)情況，需要合理配置閥門以及卸載工藝流程。

(8)分段旁通管路設(shè)計(jì)。

壓縮機(jī)組的氣體組分中，含有大量的水和二氧化碳，均容易在低溫下液化和冰堵，因此高壓端旁通回流到低壓端的降壓過(guò)程需要分段旁通，保證每段的壓力降低和溫度降低均不會(huì)導(dǎo)致液態(tài)組分的形成。

3 機(jī)組分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 機(jī)組振動(dòng)控制分析

機(jī)組振動(dòng)控制分析主要包括氣流脈動(dòng)分析及機(jī)械振動(dòng)分析，首先根據(jù)機(jī)組布置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模并計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化并提出振動(dòng)控制設(shè)計(jì)建議，達(dá)到控制系統(tǒng)振動(dòng)的目的。

氣流脈動(dòng)分析方面，3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的進(jìn)氣匯管及排氣匯管系統(tǒng)分析模型分別如圖2、3所示。實(shí)施氣流脈動(dòng)控制措施后，進(jìn)、排氣匯管中氣流脈動(dòng)計(jì)算結(jié)果與API 618標(biāo)準(zhǔn)允許值的比值分別在圖4、5中給出。從圖中可以看出，進(jìn)、排氣匯管中氣流脈動(dòng)值均低于標(biāo)準(zhǔn)值。該氣流脈動(dòng)在進(jìn)、排氣匯管中產(chǎn)生的脈動(dòng)不平衡力分別在圖6和圖7中顯示，其幅值遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)允許值。

圖2 進(jìn)氣匯管系統(tǒng)氣流脈動(dòng)分析模型

圖3 排氣匯管系統(tǒng)氣流脈動(dòng)分析模型

圖4 進(jìn)氣匯管系統(tǒng)氣流脈動(dòng)比值

圖5 排氣匯管系統(tǒng)氣流脈動(dòng)比值

機(jī)械振動(dòng)分析方面，3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)械振動(dòng)分析模型如圖8所示。振動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化后計(jì)算得到的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)如圖9所示，最大動(dòng)態(tài)位移0.07 mm，滿足機(jī)組振動(dòng)要求。

圖8 機(jī)組機(jī)械振動(dòng)分析模型

圖9 計(jì)算的機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)分析結(jié)果，對(duì)該機(jī)組的驅(qū)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、容器和管道分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的支撐。作為示例，圖10和圖11分別顯示了排氣緩沖罐加楔形支撐以及在分離器支撐底梁上加筋板等措施。

圖10 排氣緩沖罐加楔形支撐

圖11 分離器支撐底梁加筋板

3.2 機(jī)組熱應(yīng)力控制分析

單從振動(dòng)控制的角度，機(jī)組布局及支撐的剛度越大越好。但如果只從機(jī)組振動(dòng)的角度來(lái)布局機(jī)組和設(shè)計(jì)支撐，往往容易導(dǎo)致系統(tǒng)熱應(yīng)力超標(biāo)等問(wèn)題。這就要求對(duì)機(jī)組進(jìn)行熱應(yīng)力分析，確保系統(tǒng)在滿足振動(dòng)控制的同時(shí)，也不發(fā)生系統(tǒng)熱應(yīng)力超標(biāo)等問(wèn)題。

熱應(yīng)力分析是采用圖8所示機(jī)械分析模型進(jìn)行的。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)支撐設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施包括采用可橫向移動(dòng)管夾代替普通管夾、使用法蘭抓手代替原管夾支撐等。圖12顯示了支撐優(yōu)化后3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力比。從圖中可以看出，系統(tǒng)熱應(yīng)力得到有效控制，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。計(jì)算結(jié)果同時(shí)表明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)管道發(fā)生熱變形后，管道無(wú)碰撞，管道支架無(wú)脫空，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)由于熱變形產(chǎn)生相關(guān)安全問(wèn)題。

圖12 3臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力比

3.3 分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

對(duì)重力氣液分離器而言，其分離效果主要由氣體流動(dòng)速度、分離器高度及分離絲網(wǎng)來(lái)決定。在氣體流量一定時(shí)，其流動(dòng)速度直接由分離器直徑確定。因此重力氣液分離器的關(guān)鍵參數(shù)是直徑、高度和絲網(wǎng)類型。

根據(jù)分離器計(jì)算結(jié)果，對(duì)分離器尺寸及絲網(wǎng)類型進(jìn)行了優(yōu)化。作為示例，圖13和圖14分別顯示了一級(jí)分離器和五級(jí)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到一級(jí)分離器氣量大和含液量高的特點(diǎn)，選擇了大直徑筒體以及網(wǎng)格狀絲網(wǎng)；根據(jù)五級(jí)分離器氣體壓力高和含液量低的特點(diǎn)，選擇了小直徑筒體以及葉片狀絲網(wǎng)。

圖13 一級(jí)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖14 五級(jí)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)論

對(duì)再生二氧化碳往復(fù)式壓縮機(jī)組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)機(jī)組進(jìn)行合理布局及支撐優(yōu)化，既控制了機(jī)組振動(dòng)，又滿足機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力和變形要求；應(yīng)用重力分離及高效率的捕霧器，保障了對(duì)飽和水蒸氣分離效果；采用管殼式換熱器實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳冷卻后溫度的自動(dòng)控制，避免了高壓二氧化碳的液化問(wèn)題；設(shè)置一個(gè)自動(dòng)氮?dú)庵脫Q的程序，預(yù)防機(jī)組停機(jī)后的腐蝕問(wèn)題。

同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)機(jī)組進(jìn)行了振動(dòng)以及熱應(yīng)力控制分析，以及對(duì)分離器分離效果進(jìn)行了評(píng)估，確保機(jī)組滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。本文工作可為再生二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組的成撬設(shè)計(jì)和安全使用提供技術(shù)參考依據(jù)。