天然氣壓縮系統(tǒng)的工藝設(shè)計

第八節(jié)天然氣（伴生氣）壓縮系統(tǒng)的工藝設(shè)計一、壓縮機系統(tǒng)的工藝設(shè)計在海上，天然氣作為一次開采（氣井）或伴生開采（油井）被采出。天然氣可通過管線輸送到陸上，或用作氣舉（生產(chǎn)）、注氣（保持油藏壓力）或作為平臺燃料。一般地，要把采出的氣進行壓縮，使壓力增至可用的水平。天然氣（伴生氣）壓縮機在油氣田中主要用于三個目的：低壓氣的回收、天然氣的中間過程的加壓和外輸氣的輸送。本節(jié)將討論壓縮機的類型、它們在海上油氣工業(yè)中的應(yīng)用，以及壓縮機的工藝計算。設(shè)計人員可用這些資料選擇特定用途的壓縮機的型式和確定壓縮機的工藝參數(shù)。關(guān)于天然氣（伴生氣）壓縮系統(tǒng)中的其它設(shè)備，例如洗滌器、中間冷卻器、加熱器等設(shè)備的設(shè)計，參見其它相關(guān)章節(jié)。.伴生氣處理由油氣分離系統(tǒng)分離出來的天然氣（伴生氣），不同程度地攜帶著液體（油和水），會使管道或設(shè)備造成故障，尤其在冬季，水結(jié)冰會阻塞管道。除去液體后的干燥天然氣，可以用作燃料氣、密封氣、吹掃氣，或壓縮外輸，多余的送入火炬系統(tǒng)燒掉。伴生氣處理實例如圖2-3-79所示。圖2-3-79為潿12-1PUQ平臺伴生氣處理工藝流程圖，系統(tǒng)由段塞流捕集器、氣洗滌器、一級壓縮機、一級冷卻器、氣分離器、二級壓縮機、二級冷卻器、進口洗滌器、三甘醇接觸塔、三甘醇再生器和換熱器組成。伴生氣來源于潿10-3油田和潿12-1油田原油處理系統(tǒng)，在潿12-1平臺經(jīng)處理達到要求后部分供給透平機作燃料使用，大部分外輸至潿州終端。從潿10-3A平臺來的伴生氣經(jīng)清管球接收器旁通進入段塞流捕集器，伴生氣在海底管線流動過程中，由于壓力和溫度的下降，將有凝析油析出，伴生氣在進入段塞流捕集器后，進行氣液兩相分離，分離出來的液體排到閉式排放罐，分離出來的氣則與來自潿12-1低壓處理系統(tǒng)伴生氣一起進入氣洗滌器。經(jīng)一級壓縮機壓縮增壓和一級冷卻器冷凝后，再與來自潿12-1高壓處理系統(tǒng)伴生氣一起進入二級壓縮機壓縮增壓和二級冷卻器冷凝。從二級壓縮機出來的天然氣經(jīng)過進口滌氣器后，進入三甘醇接觸塔中，高純度的貧甘醇和濕氣逆向充分接觸，從塔下部到上部，通過8級塔盤后，天然氣同貧甘醇在接觸中逐漸失去水分，變成干燥的氣體最后從塔頂出來，而貧甘醇則吸收了相當于它本身重量的4.2%的水分后變成富甘醇，從塔下部流出去再生器。

.典型活塞式壓縮機的工藝流程典型活塞式壓縮機的工藝流程如圖2-3-80所示。每級壓縮機分為一個撬塊，各撬塊都有入口滌氣罐、壓縮機、出口冷卻器及出口滌氣罐等。在控制方面各撬塊又包括入口壓力循環(huán)控制、放空、關(guān)停及控制面板等。潿12-1平臺伴生氣處理壓縮機即為活塞式兩級壓縮機組，參見圖2-3-79潿12-1PUQ平臺伴生氣處理系統(tǒng).圖2-3-80典型兩級壓縮流程圖.典型離心式壓縮機流程一般的離心式壓縮機組都沒有中間冷卻器，其多級葉片都裝在同一殼體內(nèi)。和活塞式壓縮機一樣，離心式壓縮機組都裝有入口和出口滌氣罐、出口冷卻器、入口循環(huán)壓力控制及放空控制等。所不同的是離心式壓縮機特有的防喘振控制系統(tǒng)，其典型流程如圖2-3-81所示。圖2-3-82為崖13-1海上平臺離心式壓縮機組流程圖。圖2-3-81離心壓縮機防喘振控制流程圖壓縮機風冷機圖2-3-81離心壓縮機防喘振控制流程圖壓縮機風冷機后潦氣器喘振低壓放空桂外輸管桀入口附圖2-3-82崖13-1離心式壓縮機組流程圖（干氣）高壓放空胃"-"1防射脫閥循環(huán)閥水冷器聞壓陶喘振低壓放空桂外輸管桀入口附圖2-3-82崖13-1離心式壓縮機組流程圖（干氣）高壓放空胃"-"1防射脫閥循環(huán)閥水冷器聞壓陶壓縮機入口濠氣球―鬲后放空網(wǎng)—低壓放空物L二、壓縮機的工藝計算1.理想氣體的壓縮過程1）等溫壓縮氣體在等溫壓縮過程中，溫度始終保持不變，應(yīng)滿足PX=P2V2=常數(shù) （2-3-49）在等溫壓縮過程中，所消耗的理論功率為N=0.0167p1V11n￡式中：N——功率，kW；P1——吸入壓力，kPa；V]——吸入狀態(tài)下的體積流量，m3/min；￡——壓縮比，￡=P2/P1；P2——壓縮機排氣壓力，kPa。氣體在等溫壓縮中，功率消耗最小。等溫壓縮雖然在實際上并不存在，但可以作為一種有用的理論分析方法。2）絕熱壓縮在絕熱壓縮過程中，氣體同外界沒有熱交換，此時有柜對世，屋圖2-3-83烴類氣體的絕熱指數(shù)(2-3-51柜對世，屋圖2-3-83烴類氣體的絕熱指數(shù)C式中：k——絕熱指數(shù)，對理想氣體k=-；；VC——氣體的比定壓熱容，kJ/(kg?°c)；Cv——氣體的比定容熱容，kJ/(kgr)；J、P2——符號說明同式(2-3-50)。氣體的絕熱指數(shù)k和溫度有關(guān)，常壓下，各種常用氣體在不同溫度下的絕熱指數(shù)k可由有關(guān)數(shù)據(jù)手冊查得。烴類氣體的k值可由圖2-3-83和圖2-3-84查知。140⑻河河140⑻河河2卻3疝施如Q300痂FfFFtf捻do必謹乜皚時也加.K圖2-3-84烴類氣體的絕熱指數(shù)烴類氣體的絕熱指數(shù)隨溫度的升高而降低，計算時應(yīng)該選用出入口平均溫度下的絕熱指數(shù)。混合氣體的絕熱指數(shù)可按下式計算：丁 (2-3-52)k一1k一1式中：k——混合氣體的絕熱指數(shù)；k——i組分的絕熱指數(shù)；y——氣體i組分的摩爾分數(shù)；i絕熱壓縮時，壓縮終溫為：T=Tsk (2-3-53)2 1式中：T1——壓縮機吸氣溫度，K；T2——壓縮機排氣溫度，K。絕熱壓縮過程中所消耗的理論功率為：k k一1N=0.0167pV——(sk-1) (2-3-54)11k-1式中符號同式(2-3-50)3)多變壓縮。在多變壓縮過程中，氣體和外界有熱交換，此時有PVm=pVm式中符號同式(2-3-50)3)多變壓縮。在多變壓縮過程中，氣體和外界有熱交換，此時有PVm=pVm=常數(shù)11 22式中：m為多變指數(shù)，多變指數(shù)m與絕熱指數(shù)k之間有如下關(guān)系(2-3-55)m m一1n=—PkE式中：np——多變效率。多變壓縮的壓縮終溫可按下式計算：m-1T=T：m多變壓縮的理論功率消耗可按下式計算：(2-3-56)(2-3-57)m m一10.0167pV (￡m-1)N= 1m-1 np式中符號同前。2.壓縮機的排氣溫度、功率和中間冷卻1)壓縮機的排氣溫度(1)往復式活塞壓縮機。往復式活塞壓縮機的排氣溫度可按絕熱公式計算(2-3-58)T2也可由圖2-3-85查得。k-1T2=T：k(2-3-59)圖2-3-85壓縮機排氣溫度計（2）離心式壓縮機。離心式壓縮機的排氣溫度按多變壓縮計算:(2-3-60)丁2也可由圖2-3-85查得,只要將圖2-3-85中的絕熱指數(shù)k用多變指數(shù)m代替即可。2）壓縮機的功率（1）往復式壓縮機。往復式壓縮機的理論功率可按下式計算k k-1N:0.0167p乂E歸/-1] (2-3-61)(2-3-62)式中sa為包括進、排氣閥壓力損失在內(nèi)的往復式壓縮機實際壓縮比，a1和a2由圖2-3-86查得。圖2-3-86是根據(jù)空氣以及密度接近空氣的氣體，對活塞平均線速度為3.5m/s的機器作出的，當氣體的密度不同或活塞速度不同時，應(yīng)考慮修正。當活塞平均速度改變時，圖中的a值按下式修正:，fC丫a=af （2-3-63）13.5J式中：Cm——壓縮機的活塞速度，m/so圖2-3-86不同壓力下的相對壓力損失系數(shù)

當氣體的密度和空氣相差較遠時，a值按下式修正:(當氣體的密度和空氣相差較遠時，a值按下式修正:(1.293；(2-3-64)式中：P——實際氣體的密度，1.293為空氣的密度值。往復式壓縮機的實際功率消耗N^可按下式計算"NN= (2-3-65)gc式中：ng——機械效率，大中型壓縮機”g為0.9?0.95，小型壓縮機"g為0.85?0.9；nc——傳動效率，皮帶傳動nc為0.96?0.99,齒輪傳動nc為0.97-0.99,直聯(lián)nc為1.0。選擇原動機的功率,時，應(yīng)考慮留10%?25%的裕量，即\=1.10Ns?1.25N、。(2)離心壓縮機。一1一1(2-3-66)式中：hp 多變能量頭，kg-m/kg；Z——壓縮系數(shù)；R——氣體常數(shù)，847.9kg?m/(kg?K)；PjP2——進、出口壓力，kPa;②馬赫數(shù)。馬赫數(shù)是氣流速度和氣體音速的比值，按下式計算：uM卜= 女& (2-3-67)式中：Mh——馬赫數(shù)；u2——葉輪圓周速度，m/s；k——氣體絕熱指數(shù)；g——重力加速度，9.81m/s2；R 氣體常數(shù)，847.9kg?m/(kg?k)；T1——氣體入口溫度，K。在給定介質(zhì)的情況下，葉輪轉(zhuǎn)速越高則馬赫數(shù)越大。馬赫數(shù)的變化會對離心壓縮機的性能產(chǎn)生很大影響，是壓縮機設(shè)計中的一個重要參數(shù)。③離心壓縮機的功率。離心壓縮機的功率用以下方法計算。理論功率：式中：n多變效率。m0.0167pV 11式中：n多變效率。m0.0167pV 11m一1[P21IP1J(2-3-68)p離心壓縮機的實際消耗功率（Ns）為:nxn(2-3-69)n為機械效率，一般遵從下列原則:gN>2000kWN=1000?2000kWN<1000kWN>2000kWN=1000?2000kWN<1000kWn為傳動效率，直拉接傳動n=1.0；ng=97%?98%ng=96%?97%n=94%?96%用齒輪增速箱傳動時，n=0.93?0.98。c(2-3-70)式中：(2-3-70)式中：FB(2-3-71)(2-3-72)3）壓縮機的中間冷卻。當工藝上要求的壓縮比很大時，需要進行中間冷卻。第一段壓縮后的氣體經(jīng)過冷卻后，再進入第二段壓縮，這樣可以降低氣體出口溫度，減少功率消耗。對于往復式壓縮機，采用中間冷卻可以避免氣缸溫度過高，超過潤滑油的閃點。對于離心壓縮機，隨著各級進口溫度的升高會使各級壓縮比下降。因此，一般在壓縮比較大時，都采用中間冷卻。采用多段壓縮后，當壓縮機的各段入口溫度相同以及各段壓縮比相同時，壓縮機的理論消耗功率如下。（1）絕熱壓縮。k k—1N=0.0167F-B-pV——[￡b.k—1]11k—1一中間冷卻器壓力損失校正系數(shù)，對于二段壓縮，F(xiàn)=1.08；三段壓縮，F(xiàn)=1.10；-壓縮段數(shù)；總壓縮比。（2）多變壓縮k k—10.0167F?B?pV——[￡b.k■—1]N= 11k—1 np式中符號同前，np為多變率。3.真空氣體壓縮計算1）溫升真實氣體的絕熱指數(shù)k豐Cp/Cv。真實氣體的壓縮遵從以下關(guān)系:k—1一一TT=T￡kt2 1

pVk=pVk=常數(shù)11v 22v(2-3-73)式中，（稱為溫度絕熱指數(shù)，勺稱為容積絕熱指數(shù)。溫度絕熱指數(shù)屋可由圖2-3-87根據(jù)常壓下的絕熱指數(shù)k及對比溫度、對比壓力查得。勺和'及k的關(guān)系可由圖(2-3-73)對比溫度丫；O.tiri圖2-3-88kv和kT及k圖2-3-88kv和kT及k關(guān)系圖2）功率絕熱壓縮時，理論功率為:10

k1N=0.0167pV——(￡kT-1)11kT-1Z+Zx12Z+Zx12Z21(2-3-74)kN=0.0167pV——11kT-1式中：Z1——壓縮機進口狀態(tài)下的壓縮系數(shù);Z2——壓縮機出口狀態(tài)下的壓縮系數(shù)。k一1T(￡kTq,-1-1)xZ+Z―1 22Z1(2-3-75)4.壓縮比壓縮比是壓縮機排氣壓力與壓縮機吸入壓力之比。通常用于單級壓縮機，但也可用于多級壓縮機。式中：￡=壓縮比P2=壓縮機排氣壓力，kPaP1=壓縮機吸入壓力，kPa5.壓縮機分級壓縮機的各基本部件（不考慮類型），受操作條件所限。在操作條件超過了單級范圍時（即輪或汽缸），就需要進行多級壓縮處理，即，為達到所要求的壓力，增加兩或更多的級數(shù)。確定壓縮機級數(shù)的界限依壓縮機的類型而定，但最主要的界限如下：A.B.C.DA.B.C.D.E.6.出口溫度一一各類壓縮機容積效率一一往復式機器（影響壓縮比）節(jié)省動力的需要性（帶中間冷卻的多級，降低動力）機械載荷一一往復式機器葉輪轉(zhuǎn)動速度一一（機械應(yīng)力和氣體馬赫數(shù)）活塞式壓縮機級數(shù)的選擇設(shè)壓縮機組的級間冷卻為理想冷卻，級間無壓力損失，此時所需的功率就是最小。在這種理想情況下每級壓縮比的選擇由以下理論公式求得：式中：￡￡=式中：￡￡=Q）/N理論上最優(yōu)的單級壓縮比；(2-3-76)總壓縮比;級數(shù)。每級最好設(shè)計成單獨的壓縮機，每級的壓縮量都單獨作計算，從第一級的實際進氣量算起，一級一級往下算，其間要考慮到級間的壓力損失，級間冷卻、凝析液析出后氣體體積的收縮量，最后得到壓縮機的各級功耗和總功耗。由于溫度過高和連桿的負載，每級壓縮機的壓縮比很少有大于4的。三、壓縮機的類型和選用.壓縮機分類11

壓縮機按工作原理可區(qū)分為：容積型、速度(動力)型和熱力型，基本類型如圖2-3-89所示，在容積型壓縮機中，氣體壓力的提高是由于壓縮機氣體的體積受壓縮小，使單位體積內(nèi)氣體分子的密度增加所致。在速度型壓縮機中，氣體的壓力是由氣體分子的速度轉(zhuǎn)化而來，即先使氣體分子得到一個很高的速度，然后在固定元件中使一部分速度能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，噴射器是熱力型壓縮機，它采用高速氣體或蒸汽的噴射攜帶向內(nèi)流動的氣體，然后在擴壓器中把混合物的速度能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能。圖2-3-89壓縮機的基本類型油田常用的壓縮機為往復式壓縮機(reciprocatingcompressor)、螺桿壓縮機(screwcompressor)和離心式壓縮機(centrifugalcompressor)。其中往復式壓縮機由電動機或天然氣發(fā)動機驅(qū)動；螺桿式壓縮機由電動機驅(qū)動；離心式壓縮機由燃氣輪機或電機驅(qū)動。往復式、螺桿式和離心壓縮機的一般使用范圍如圖2-3-90所示。00一三七宅也剌圖2-3-90壓縮機的使用范圍往復式壓縮機用于進氣流量約為300m3/min以下，特別適用于小流量、高壓力的場合，通常每級最大壓縮比為3：1到4：1。高的壓縮比能引起容積效率和機械效率的下降，壓縮機的12排氣溫度也限制了壓縮比的提高，因機械方面的原因通常限制溫度在180?205℃以下，天然氣壓縮機對排氣溫度有要求，所選壓縮機的每級壓縮比一般不大于4：1。其特點是效率高，耐久可靠，壓力范圍寬，流量調(diào)節(jié)方便，但結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，振動大，維修工作量大，吸排氣閥易磨損，零部件更換頻繁。離心式壓縮機用于進氣流量為14.6?5660m3/min，其殼體分為水平和垂直剖分兩種。按排量分為小排量(?254m3/min)、中排量(254.8?991m3/min)和大排量(單進口時991?5097.6m3/min)。每級的最高壓力受出口溫度的限制(205?232℃)。其優(yōu)點是排量大，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，振動小，操作靈活，易于實現(xiàn)自控；缺點是效率較低。螺桿式壓縮機是容積型壓縮機的一種，分為干式和噴油螺桿式壓縮機兩種，噴油螺桿式壓縮機最高排出壓力可達5MPa。.壓縮機及其驅(qū)動機的選用1)氣體性質(zhì)對壓縮機選用的要求(1)安全問題。天然氣壓縮機壓縮介質(zhì)是烴類氣體的混合物，表2-3-42列出了主要組分的爆炸極限。因此，安全問題比較突出。天然氣所處壓力、溫度越高，則爆炸范圍越大，特別是壓力影響很顯著。隨著壓力的增高，爆炸下限差不多保持不變，而上限卻大大增加。防止壓縮機或管道內(nèi)形成爆炸性混合物的措施是避免產(chǎn)生死角，壓縮機開車前應(yīng)置換氣體。死角處置換可能不夠充分，有可能在局部形成爆炸性混合物。表2-3-42 天然氣主要組分的爆炸極限限量(體積)主要組分CH4C2H6C3H&C4H10C5H12h2sH2爆炸范圍上限，％下限，％15.05.012.453.229.52.378.411.867.81.445.54.374.24.1(2)氣體性質(zhì)的影響。在天然氣集輸過程中，氣體組成和性質(zhì)往往會發(fā)生變化，所選機組對氣體組成應(yīng)有較大的適應(yīng)能力。一般應(yīng)給出一定的組成變化范圍，選用離心式壓縮機時更應(yīng)注意，否則將因氣體分子量和絕熱指數(shù)等參數(shù)的顯著變化，對壓縮機產(chǎn)生嚴重的影響。(3)壓縮過程中的液化問題。天然氣在壓縮過程中可能會有部分液化，因此應(yīng)注意凝液的分離和排除。對于往復式壓縮機，為了避免撞缸事故，壓縮機的各級氣缸余隙容積都應(yīng)略大一些，凝液多的情況下出口閥應(yīng)放在氣缸下部，防止凝液積聚。同時曲軸箱應(yīng)注意適當?shù)拿芊?，以防液化后的氣體滲漏到曲軸箱內(nèi)，降低潤滑油的閃點和粘度。對于噴油螺桿式壓縮機，應(yīng)根據(jù)氣體組成規(guī)定最低的排氣溫度，以免有氣體液化而稀釋潤滑油。一旦潤滑油被稀釋，必須重新恢復潤滑油性質(zhì)。選用離心式壓縮機時，軸密封油中可能漏入氣體而被稀釋，為此系統(tǒng)中應(yīng)有脫氣分離器。為提高脫氣效率，脫氣器上應(yīng)配備有電或蒸汽加熱器以及攪拌器、抽氣措施等。(4)排氣溫度的限制。天然氣組成主要是烷烴，為了減少油蒸氣碳化和著火的危險，排氣溫度宜在140c以下；目前部分壓縮機廠家的產(chǎn)品出口溫度可達150℃。2)壓縮機的選型原則在選用壓縮機時，首先滿足工藝要求，主要有以下幾方面：(1)壓縮介質(zhì)對壓縮機提出的要求，包括能否允許介質(zhì)有少量的泄漏，能否允許被潤滑油污染以及排氣溫度限制等；13(2)壓縮機的排氣量；(3)壓縮機的出入口壓力。在滿足上述工藝要求的前提下，如果有幾種類型的壓縮機可供選擇，再進一步對各種壓縮機作選型比較。選型比較時，一般可參考：(1)高壓和超高壓壓縮時，一般采用往復式壓縮機。但是隨著工業(yè)裝置向大型化方向發(fā)展，壓縮機的排氣量越來越大，選用離心式壓縮機所具有的優(yōu)點會增加，應(yīng)考慮選擇大型機組。(2)離心式壓縮機具有輸氣量大而連續(xù)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機組外形尺寸小，重量輕，占地面積小，設(shè)備的易損部件少，使用期限長，維修工作量小，氣體不會被潤滑油污染等優(yōu)點。對于氣量較大，且氣量波動幅度不大，排氣壓力為中、低壓的情況宜選用離心式壓縮機。且應(yīng)根據(jù)油田生產(chǎn)特點，選用專為油田生產(chǎn)用的離心式壓縮機。u2(3)由于速度型壓縮機是先使氣體得到動能2g，然后再把動能轉(zhuǎn)化為壓力能，因而相對空氣密度小的氣體，要得到同樣的壓縮比，必須使氣體的速率更高才行，同時損耗又會增加，因此用離心式壓縮機壓縮低分子量的氣體是不利的。但在高壓下由于氣體的密度增加，分子量小的缺點得以克服。(4)當流量較小時，應(yīng)選用往復式壓縮機或螺桿式壓縮機。(5)噴油螺桿式壓縮機由于兼有往復式和離心式壓縮機的許多優(yōu)點，可調(diào)范圍寬，操作平穩(wěn)，不但在制冷工業(yè)上有很大實用價值，而且在天然氣集輸和加工工業(yè)上也逐漸得到應(yīng)用。無油螺桿壓縮機除氣量調(diào)節(jié)、單級壓縮比低等不如噴油螺桿壓縮機外，也具有上述特點，而且可以處理濕氣，是很有實用價值的機組。(6)往復式壓縮機采用多臺安裝，一般為3?4臺，以便萬一某臺機組檢修時，不致嚴重影響裝置的生產(chǎn)。離心式壓縮機一般不考慮備用機型。3)驅(qū)動機的類型與選用用來帶動壓縮機驅(qū)動機的有蒸汽輪機、柴油機、燃氣輪機、電動機和燃氣發(fā)動機等幾種，蒸汽輪機一般是在有蒸汽的工廠中使用，柴油機主要在小型的移動式壓縮機上使用。(1)電動機在燃氣發(fā)動機和燃氣輪機被廣泛應(yīng)用之前，使用電動機較多，電動機既可驅(qū)動往復式壓縮機，也可驅(qū)動離心式壓縮機，在容易獲得電源，且電價便宜的地方目前仍有使用。它的優(yōu)點明顯；如：結(jié)構(gòu)緊湊，投資省(總投資只相當于裝備燃氣輪機壓縮站的1/