高 華，李東芳，辛 順，鄭曉娟，張守森

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

1 低壓天然氣壓縮工藝流程

某海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置（FPSO）上部模塊設(shè)置有一套低壓氣螺桿壓縮機(jī)。該低壓氣螺桿壓縮機(jī)主要用于回收處理低壓天然氣，其工藝流程圖見圖1。

圖1 低壓天然氣壓縮工藝流程圖

來自二、三級分離器的天然氣經(jīng)過低壓壓縮機(jī)入口冷卻器進(jìn)入滌氣罐進(jìn)行氣液分離，分離得到的液相經(jīng)增壓泵Ⅰ增壓后進(jìn)入凝析油分離器，分離得到的氣相進(jìn)入一級螺桿壓縮機(jī)。氣相壓力被一級螺桿壓縮機(jī)從30 kPa（G）壓縮到850 kPa（G），經(jīng)過一級壓縮后海水冷卻器進(jìn)入二級螺桿壓縮機(jī)，壓力被壓縮到2 400 kPa（G）后再經(jīng)過二級壓縮后海水冷卻器冷卻進(jìn)入凝析油分離器分離。分離出的天然氣主要用作鍋爐的燃料氣，分離出的凝液經(jīng)增壓泵進(jìn)入凝析油分離器處理后進(jìn)入液化石油氣（LPG）回收系統(tǒng)。

為了保證后續(xù)浮式LPG生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，該套低壓氣螺桿壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

2 低壓氣螺桿壓縮機(jī)工況分析

該低壓氣螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)處理氣量為25×104m3/d（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），氣體壓力從 30 kPa（G）兩級壓縮到 2 400 kPa（G），進(jìn)口壓力 30 kPa（G），出壓力口2 400 kPa（G），出口壓力較高，屬于兩級壓縮的高壓比工況。這種工況在以往海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目中未出現(xiàn)過。

該低壓氣螺桿壓縮機(jī)的處理工況有如下特點(diǎn)：①伴生氣中的C3和C4組分較多，壓縮過程易凝析出重?zé)N，重?zé)N要進(jìn)入輕烴回收系統(tǒng)進(jìn)行回收，需確保重?zé)N的品質(zhì)不被污染。這也是該壓縮機(jī)處理要求的關(guān)鍵。②壓縮機(jī)逐年運(yùn)行的低壓氣處理量是變化的，見表1。

表1 低壓氣螺桿壓縮機(jī)逐年運(yùn)行處理氣量 ×104m3/h

螺桿壓縮機(jī)一般主要分為無油和噴油[1-2]兩大類，無油螺桿壓縮機(jī)又可以分為無油純干式和無油噴液式[2-5]。

該低壓氣螺桿壓縮機(jī)使用工況特殊，筆者在調(diào)研壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家技術(shù)資源的基礎(chǔ)上，開展了螺桿壓縮機(jī)的具體選型方案分析。

3 低壓氣螺桿壓縮機(jī)選型方案

3.1 方案一——兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)

兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)為符合API 619—2010 “Rotary-type Positive Displacement Compressors for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries”[6]的干式壓縮機(jī)。由于沒有噴油進(jìn)行冷卻，因此氣體受壓縮產(chǎn)生的熱量及轉(zhuǎn)子承受的載荷均較大，對轉(zhuǎn)子力學(xué)性能要求較高，軸承選型較嚴(yán)苛。同時，由于單級壓縮的進(jìn)出口壓差大，故需要選擇抗大壓差的機(jī)械密封。

國內(nèi)壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家還沒有兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)制造能力，而國外生產(chǎn)廠家，如德國曼透平公司和日本神鋼公司可以制造供貨。兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示圖

3.2 方案二——兩級無油噴液式螺桿壓縮機(jī)

無油噴液式螺桿壓縮機(jī)為國產(chǎn)無油螺桿壓縮機(jī)，是為適應(yīng)無油干式螺桿壓縮機(jī)研發(fā)的[7-8]。噴液式螺桿壓縮機(jī)通過向壓縮腔內(nèi)噴入軟化水、輕質(zhì)柴油或者壓縮過程中的凝析油等不與壓縮工藝介質(zhì)反應(yīng)的液體[9-11]，來起到一定的冷卻、潤滑和降噪作用，從而降低排氣溫度。經(jīng)了解，目前國內(nèi)還沒有出口壓力2 400 kPa（G）無油噴液式螺桿壓縮機(jī)成功應(yīng)用的案例[12-13]，無油噴液式螺桿壓縮機(jī)最大出口壓力一般能達(dá)到1 600 kPa（G）。由此，考慮降低壓縮機(jī)出口壓力的方案，并評估出口壓力對LPG回收產(chǎn)量的影響是否在可接受范圍內(nèi)。

維持原低壓天然氣壓縮流程，將二級螺桿壓縮機(jī)出口壓力降低到1 600 kPa（G），通過典型年份的工藝模擬，得到LPG回收系統(tǒng)的主要工藝參數(shù)變化，見表2。

表2 采用方案二模擬得到的LPG回收產(chǎn)量

分析表2可以知道，壓縮機(jī)出口壓力降低后，LPG回收系統(tǒng)的操作壓力及進(jìn)液量都會降低。LPG的回收產(chǎn)量會降低約5%，合格輕油的產(chǎn)量降低約0.5%。按照LPG、合格輕油價格分別為4 000元/t、3 000元/t計(jì)算，LPG、合格輕油產(chǎn)量減少造成的損失分別約為900萬元 /a、190萬元/a。由此可知，方案二對LPG回收系統(tǒng)的影響較大，不建議采用。

3.3 方案三——兩級噴油式螺桿壓縮機(jī)

與無油干式螺桿壓縮機(jī)相比，噴油式螺桿壓縮機(jī)壓縮腔內(nèi)噴入冷卻油，壓縮產(chǎn)生的熱量被冷卻油帶走，不會產(chǎn)生顯著溫升，單級壓縮比較高。因此，采用噴油式螺桿壓縮機(jī)能達(dá)到本項(xiàng)目要求的高壓比的處理要求，國內(nèi)外也至少有3家廠家具有類似項(xiàng)目壓縮機(jī)生產(chǎn)業(yè)績。

但該低壓氣螺桿壓縮機(jī)處理工況特殊，采用兩級噴油式螺桿壓縮機(jī)存在一些風(fēng)險[4]：①噴入壓縮腔內(nèi)的潤滑油被壓縮過程析出的重?zé)N稀釋，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時的振動、噪聲都比較大。②壓縮過程產(chǎn)生的重?zé)N會夾帶潤滑油，不易被分離，進(jìn)入下游LPG回收系統(tǒng)后對LPG回收品質(zhì)產(chǎn)生影響。

3.4 方案四——低壓螺桿壓縮機(jī)加往復(fù)式壓縮機(jī)

調(diào)整原低壓天然氣壓縮流程，將兩級螺桿壓縮機(jī)改為一級壓縮采用低壓螺桿壓縮機(jī)、二級壓縮采用往復(fù)式壓縮機(jī)，具體流程見圖3。

圖3 采用方案四的低壓天然氣壓縮工藝流程圖

采用方案四之后兩級壓縮的出口排壓可以達(dá)到2 600 kPa（G），可以省去下游LPG回收系統(tǒng)的增壓泵。

與采用兩級螺桿壓縮機(jī)相比，二級壓縮使用往復(fù)式壓縮機(jī)在流程上存在差異：①需額外增加1套現(xiàn)場控制盤，一級螺桿壓縮機(jī)與二級往復(fù)式壓縮機(jī)各自獨(dú)立控制。②需分別設(shè)置回流控制一級壓縮機(jī)與二級壓縮機(jī)，且二級壓縮機(jī)入口必須增加滌氣罐將液體分離。如果使用兩級螺桿壓縮機(jī)，該滌氣罐在某些工況下不是必須的，且兩級壓縮機(jī)之間只需要設(shè)置一路大回流管線。③二級壓縮使用往復(fù)式壓縮機(jī)時，二級壓縮機(jī)與一級壓縮機(jī)需各自配置獨(dú)立的電機(jī)。若兩級均采用螺桿壓縮機(jī)，則可以共用1套電機(jī)。

3.5 方案對比

以上4種低壓氣壓縮機(jī)選型方案對比分析見表3。

表3 低壓氣壓縮機(jī)選型方案對比

從表3可以看出，選用兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)最具技術(shù)綜合優(yōu)勢，只是需從國外采購設(shè)備，初始投入費(fèi)用較高。在項(xiàng)目費(fèi)用允許的情況下，最終選擇兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)作為低壓氣壓縮機(jī)。

4 低壓氣無油純干式螺桿壓縮機(jī)介紹

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過對壓縮機(jī)選型方案的對比分析，最終確定的低壓氣兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為，一級處理量25×104m3/d，一級壓縮進(jìn)氣壓力 30 kPa（G）、排氣壓力 850 kPa（G），一級壓縮進(jìn)氣溫度40℃、排氣溫度85℃；二級處理量15×104m3/d，二級壓縮進(jìn)氣壓力 800 kPa（G）、排氣壓力2 400 kPa（G），二級壓縮進(jìn)氣溫度40℃、排氣溫度85℃。一級轉(zhuǎn)子長徑比2.0、二級轉(zhuǎn)子長徑比1.2。壓縮機(jī)軸功率1 735 kW，撬塊質(zhì)量126 t，撬塊尺寸 13 m×5 m×9 m，流量控制方式為回流控制。

4.2 相關(guān)控制配置

為防止無油純干式螺桿壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)，減小啟動力矩和軸承載荷，壓縮機(jī)停機(jī)時盡快平衡進(jìn)出口壓力，增設(shè)了反應(yīng)速度快的卸載閥，做到兩平衡、一泄放、兩回流（圖4）。即將設(shè)置有卸載閥的管路連接到每一級壓縮出口管道的入口，并在二級壓縮機(jī)出口設(shè)置泄放閥以保證整個壓縮機(jī)系統(tǒng)的安全泄放，為滿足不同年份的流量調(diào)節(jié)設(shè)置兩回流控制。

圖4 無油純干式螺桿壓縮機(jī)兩級壓縮系統(tǒng)相關(guān)控制配置示圖

4.3 潤滑及機(jī)械密封系統(tǒng)

無油純干式螺桿壓縮機(jī)機(jī)組有1套潤滑油系統(tǒng)為壓縮機(jī)和齒輪箱提供潤滑及密封。無油純干式螺桿奪縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)主要包括潤滑油箱、潤滑油泵、潤滑油冷卻器及雙聯(lián)濾器等，見圖5。

圖5 無油純干式螺桿壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)組成

無油純干式螺桿壓縮機(jī)機(jī)械密封為接觸油密封，機(jī)械密封供油壓力需高于每級工藝氣入口壓力250 kPa（G）且消耗潤滑油、工藝氣。采用同一潤滑油系統(tǒng)分別向無油純干式螺桿壓縮機(jī)軸承及齒輪箱、一級壓縮機(jī)機(jī)械密封、二級壓縮機(jī)機(jī)械密封提供3種油壓。主要通過調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)油壓調(diào)節(jié)，主油路調(diào)壓采用壓力止回閥，分支油路調(diào)壓采用壓差止回閥。

4.4 浮式液位晃動影響

無油純干式螺桿壓縮機(jī)組為雙機(jī)頭供油，加上齒輪箱散熱，因此需要的潤滑油油箱體積較大?？紤]浮式液位晃動的影響，油箱及相關(guān)儀表的設(shè)計(jì)需做特殊考慮[14]。

在油箱內(nèi)部設(shè)置了多個開孔擋板，以減少液位晃動帶來的吸空，減少油液對油箱壁的沖擊?？紤]到浮式LPG裝置沿FPSO船左右弦方向（橫向）的晃動更為明顯，液位計(jì)A、B的安裝位置宜取油箱橫向上的中心點(diǎn)（圖6），以避免晃動造成的誤差乃至誤關(guān)。

同時，進(jìn)行壓縮機(jī)各部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時考慮了爆炸載荷的影響。

圖6 液位計(jì)安裝位置圖

4.5 出口管道消音器特殊設(shè)計(jì)

該低壓氣無油純干式螺桿壓縮機(jī)的下游背壓高達(dá)2 500 kPa（G），而壓縮機(jī)內(nèi)部的壓力并未達(dá)到2 500 kPa（G），所以壓縮機(jī)處于一種欠壓縮狀態(tài)，壓縮機(jī)會通過不斷向出口外排氣而維持住下游2 500 kPa（G）的壓力。無油純干式螺桿壓縮機(jī)1個轉(zhuǎn)子上有4個螺線，每旋轉(zhuǎn)1周，壓縮機(jī)出口處就會開啟4次，欠壓縮會造成4次瞬時的反流，形成很強(qiáng)的脈動沖擊，對壓縮機(jī)出口及消音器產(chǎn)生很強(qiáng)的作用力。

為解決由欠壓縮帶來的低頻率脈動產(chǎn)生的噪聲問題，采用了特殊設(shè)計(jì)的由共振器和減振器組成的消除脈動沖擊系統(tǒng)，見圖7。該消除脈動沖擊系主要由填充物層、消音柵等組成，進(jìn)口形式設(shè)計(jì)特殊。

圖7 低壓氣螺桿壓縮機(jī)消除脈動沖擊系統(tǒng)

4.6 機(jī)組罩殼設(shè)計(jì)

無油純干式螺桿壓縮機(jī)的低頻噪聲可以高達(dá)110 dB，為了降低噪聲帶來的影響，考慮在壓縮機(jī)機(jī)頭及齒輪箱噪聲較大的設(shè)備上加裝隔音罩[15]。如果將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)在封閉的罩殼內(nèi)，則罩殼的相關(guān)配套設(shè)計(jì)會比較復(fù)雜，罩殼內(nèi)需設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)、逃生系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及維修滑道梁等，占地空間將較大。

綜合考慮壓縮機(jī)安裝位置上部空間沒有遮擋、相關(guān)人員活動區(qū)域及噪聲傳播路徑，將壓縮機(jī)設(shè)計(jì)在1個頂部敞開的半封閉式罩殼內(nèi)（圖8），由此可規(guī)避封閉罩殼設(shè)計(jì)帶來的設(shè)備質(zhì)量及成本增加等問題。

圖8 低壓氣壓縮機(jī)整撬布置圖

4.7 整撬緊湊布置設(shè)計(jì)

該低壓氣壓縮機(jī)整撬內(nèi)包含設(shè)備較多，有壓縮機(jī)主體、電機(jī)、隔音罩、一級冷卻器、二級冷卻器、級間洗滌罐、齒輪箱、油箱、油冷卻器及控制盤等。壓縮機(jī)管線尺寸也較大，為充分利用平臺有限的布置空間，將壓縮機(jī)整撬設(shè)計(jì)為2層緊湊布置（圖 8）[16-21]。

5 結(jié)語

近年來，隨著海上油氣田開發(fā)朝深水領(lǐng)域發(fā)展及國家對海上環(huán)保要求的提高，對海上油氣處理設(shè)備提出了高參數(shù)化要求，其使用工況也越發(fā)嚴(yán)苛。文中選用的高壓比兩級無油純干式螺桿壓縮機(jī)在FPSO上應(yīng)用效果良好，LPG生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。說明無油純干式螺桿壓縮機(jī)適用于油氣田項(xiàng)目中的低壓天然氣特殊處理工況，可為浮式LPG生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行提供有力保障，具有重要的推廣應(yīng)用價值。