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第三章 天然气压缩增压第一节 气田天然气增压一、气田天然气增压的必要性随着气田天然气的不断开采，气井天然气压力逐渐降低，当降至低于集气管线压力时，便不能输入集气管网。这种低压气在我国开采较早的天然气生产基地四川气田正在逐年增多。对于气井压降不一致的气田，如果条件许要时，应昼实行高、低压管分输。低压天然气输给当地用户，高压天然气进入集气干线；若因种种原因，气田气以建一个系统为宜时，则需建气田天然气增压站，将低压气增压后进入管网。在发现天然气以前，压缩机主要用于采矿和冶金工业。随着天然气的出现将其作为燃料，需将天然气从井口输至较远的用户。在气井井口压力能使气体通过管线输送到目的地时，不需要压缩机。一旦气井压力降低，即需要用外界的措施来提高压力。为了将气体输送到很远的地方，而气井压力又不能使足够的气量通过管线供用户所需时，也必须使用压缩机。总之，当气井的能量不能满足输气要求时，必须使用压缩机站。通常使用的压缩机站有五种：矿场或者集气站压缩机站，在井口压力不足以使气体以期望的流量进入输气和配气系统通过此站将各个井产出的气汇集起来。输气管线上的中转或干线增压站，这类压缩机站通常为大的气体处理量，并在低压缩比下工作，压缩比小于2，其压力范围一般在1.36MPa和6.8MPa之间，有时可以高达8.84MPa。恢复地层压力或循环注气压缩机站，是调整或二次开采方案的一个部份，一般不涉及将天然气输至市场问题，排气压力可达40.8MPa以上。矿场储气库压缩机站，是压缩干线气注入储气库井。这类站排气压力可高达27.2MPa，压缩比高达4。一些储气库压缩机站的设计，可将储气库中采出的气体加压后进入高压管线。因为矿场储气库压缩机站工作的压-容工况范围宽，所以该站需要精确的技术设计。配气站的压缩机站，通常将气体从气柜以约0.1360.68MPa压力送入中压或高压配气管线或以高达17MPa的压力压入气罐。二、气田天然气增压方法气田天然气增压的方法，一般有两种。1机械增压法机械增压法所使用的设备是天然气压缩机。压缩机在原动机的驱动下运转，将天然气引入压缩机，在压缩机转子或活塞的运转过程中，通过一定的机械能转换和热力变换过程，使天然气的压能增加，从而达到增压目的。气体压缩机的种类很多，如往复式、离心式、螺杆式等等。本章仅对气田天然气增压常用的往复式压缩机的有关问题进行论述。2高、低压气压能传递增压法高、低压气压能传递增压法所使用的设备是喷射器（亦称增压喉），用高压天然气通过喷射器以很高的速度喷出，并把在喷射器喷嘴前的低压气带走。即根据高压气引射低压气的原理，使低压气达到升压的目的。它的特点是不需外加能源，结构简单，喷嘴可更换调节，操作使用方便，但效率低，且需高、低压气层同时存在并同时开采，才能使用。虽然在国内外油气田均有应用，但不普遍。三、我国气田天然气增压现状自1982年7月，我国首次安装试支于天然气集输工程的燃气发动机压缩机组在四川兴3井建成投产以来，天然气气田增压工作得到了迅速发展，不仅在四川13个气田建了增压站，而且在中原、辽河、大庆、胜利、华北、大港等油田，增压站也迅速增加。据不完全统计，到1993年底，全国共有气田天然气增压机组226套，装机容量（轴功率）约12104kW（详见表3-1）。仅四川就有92套压缩机组对13个气田的142口井进行增压，年增压天然气产量达6108m3。四、压缩机的类型原始的压缩机由一个带有膨胀和压缩部件的皮革袋构成。这类压缩机的残存者是风箱。目前用于气体工业的压缩机归纳为三种不同的类型：引射式压缩机，回转式压缩机和往复式压缩机。1 引射式压缩机在使用引射式压缩机时，动力和吸入气压力变化不很大。例如，在同时具有高压气和低压气的两层完井的气井上，管线压力为二者的中间值。2 回转式压缩机回转式压缩机分为两种等级：回转式风机和离心式压缩机。回转式风机（图3-1）主要用于分配系统，其吸入和排出间的压差不超过0.1MPa。也可用于致冷和吸收装置的闭式循环中。风机的结构为一外壳和置于壳中的一级或多级的相对旋转的转子。回转式风机的优点：在较低的功率下可处理大量低压气，一次投资和维修费用较低，安装简单，易于操作和管理，对输气量来说，设备要求占地面积最小，几乎无波动流。它的缺点是：不能承受高压，齿轮和转子工作时会发出噪声，转子和壳体之间的间隙密封不好，如果工作超过安全压力就会产生过热现象。通常回转式风机处理量可达481m3/分，最小吸入压力为0.07MPa的压差。图3-1 回转式风机结构图3-2 离心式压缩机剖面图图3- 3 离心式压缩机的内部构件离心式压缩机是利用离心力的作用，以压缩气体或空气。在这类压缩机中转子对气体作功，气体在转子的作用下形成高速，然后进入扩压器使速度降低，将动能变为压能。所有的工作都在没有封闭限制和物理挤压的情况下进行的，它不同于变容压缩机。离心式压缩机（图3-2和图3-3）基本上由一个带通道的室和装有转子的轴、轴承及防止气体沿轴泄漏的密封装置组成。不同的离心式压缩机具有不同形状的蜗壳、转子和扩压器。离心式压缩机中只有转子和轴转动，故运动部件很少，因此，润滑油耗量和维修费用均低。离心式压缩机为连续式排出，无周期性的脉动。通常由于压缩比较低和摩擦损耗较小而不需冷却（多级压缩则需要某种型式的冷却）。因为没有容积变化，故压缩比较低。因为离心式压缩机有不受限制的通道和连续流动的特点，所以它是排量大、压缩比低的一类机械，容易在站内以串联方式来安装。用这种方式每台压缩机只需要承担压缩机站的总压缩比的一部分。此类压缩机的工作容积超过283m3/分，排出压力高达0.68MPa。3 往复式压缩机往复式压缩机在气体工业中使用最为普遍。实际上这类压缩机的结构可以适应各种压力和排量。往复式压缩机（图3-4）具有许多运动部件，因此，机械效率比离心式要低。往复式压缩机每个汽缸装置都有活塞、汽缸、汽缸头、吸入和排出阀，以及将旋转运动转变为往复运动所需的部件（连杆、十字头、曲柄销、活塞杆）组成。往复式压缩机的设计是在一定的压缩比范围内，选择适当的活塞排容和汽缸间隙容积。此间隙容积可以是固定的，也可以是可变的，它取决于工作范围的大小程度和达到的荷载变化百分数等情况。常用的往复式压缩机具有高达850m3/分的排量，和高达68MPa的排气压力。图3-4在选用压缩机时，必须考虑到压-容特性曲线和驱动设备的型式。小型回转式压缩机（叶片或转子式）通常用电机驱动。大排量变容压缩机在低转速下工作，往往用蒸汽或燃汽发动机驱动，还可用蒸汽透平或电动机经减速齿轮来驱动。在气体工业中，最广泛使用的往复式压缩机是常规的高速机器，通常用蒸汽透平或电动机驱动。往复式和离心式压缩机均广泛用于天然气工业。压缩机规格有适用于单独的油、气井的小型机（往往是撬装）及用于管线增压的大型机械。技术人员要确定一定量的气体从低压到压缩到高压时所需的近似功率，或者对已知规格的压缩机在一定吸入和排出条件下，估算其排量。表3-1 国内气田天然气增压压缩机使用现状表制造厂机 型排 量m3/min压力，MPa轴功率kW驱动机型号或类型使用油田名称台数台进气排气上海压缩机厂H22()-260/152601.52000TDK260/55-24大庆/大港11/6沈阳气体压缩机厂4M12-100/421004.21000电动机辽河/胜利16/11北京第一通用机械厂2D12-70/0.113700.011.3500JB500-12大庆10北京第一通用机械厂4L-28/0.35280.030.5120电动机大庆3北京第一通用机械厂4L-45/1-6450.10.6150电动机辽河13北京第一通用机械厂P-5/0.3-2.550.030.2555JDO315S-14P辽河8北京第一通用机械厂P-28/2-8280.20.890电动机胜利3四川空气压缩机厂2MT10-2.8-11.4/452.811.40.130.80.54.5174天然气发动机大港/胜利/四川1/3/22四川空气压缩机厂MT10-1.4-5.7/451.45.70.130.80.54.587天然气发动机四川7北京第一通用机械厂2D12-150/2-81500.20.8500电动机中原8四川空气压缩机厂2D16-10.4-14.4/5-6810.414.40.56.06.8283757TDF800-16/2150四川2美国艾瑞尔公司JGR/2-H150G329天然气发动机四川2美国艾瑞尔公司JGR/2-L150G379天然气发动机四川2美国艾瑞尔公司JG/4300G3408天然气发动机四川11美国库伯能源服务公司C-4231二冲程天然气发动机大庆美国库伯能源服务公司DPC-6045二冲程天然气发动机四川6制造厂机 型排 量m3/min压力，MPa轴功率kW驱动机型号或类型使用油田名称台数台进气排气美国库伯能源服务公司DPC-8060二冲程天然气发动机大庆15美国库伯能源服务公司DPC-11585二冲程天然气发动机四川6美国库伯能源服务公司DPC-230172二冲程天然气发动机四川8美国库伯能源服务公司DPC-360269二冲程天然气发动机四川13美国英格索兰公司2KDA/G342NA8.258.254.527.70.351.05149G342天然气发动机华北2美国英格索兰公司2KDA/G379NA7.57.54.569.450.952.7246G379天然气发动机华北2美国英格索兰公司2KDA/G379NA664.5118.052.54246G379天然气发动机华北4美国英格索兰公司2K0A-1200.050.150.80632天然气发动机胜利3美国英格索兰公司4K0A-3690.050.152.2632天然气发动机胜利5美国英格索兰公司3RDS-31040.71.2703中原3美国德莱赛兰公司2RDS-186.10.31.2700G399天然气发动机中原16美国德莱赛兰公司2RDS-147.20.71.6700G399天然气发动机中原4第二节 往复式压缩机一、压缩机的工作原理往复式压缩机（如图3-5）由曲柄连杆机构将驱动机的回转运动变为活塞的往复运动。气缸和活塞共同组成实际气体压缩的工作腔，活塞在气缸作往复运动，使气体在气缸内完成进气、压缩、排气等过程，由进、排气阀控制气体进入与排出气缸。气体在被压缩过程中压力升高，因而实现对气体增压的目的。图35 活塞式压缩机示意图活塞式压缩机的压力范围十分广泛，其进气压力低至真空，排气压力高达2100MPa以上。当压缩机的排气量在310m3/min时，气缸的冷动一般采用风冷，活塞杆与曲轴直联，无十字头。当排气量在10m3/min以上时，大多为水冷，有十字头。往复式压缩机的气缸有单作用和双作用两种。单作用是只有气缸一端才有进、排气阀，活塞往复一次，只能压缩一次气体（一次吸、排气）。双作用则是指气缸两端都有进、排气阀，活塞往返运动时，都可以压缩气体（两次吸、排气）。活塞式压缩机可以制成单级或多级压缩。气缸通常采用有油润滑，必要时也可采用无油润滑气缸。三、压缩机的结构形式及特点用于气田天然气增压的活塞式压缩机主要结构型式有卧式、立式、角度式和对称平衡型四种。1卧式压缩机气缸均布置在曲轴同一侧，气缸中心线与地面平行，分单列和两列。其特点是装卸、操作、检修比较方便，对厂房高度要求低，辅机设备及管路的安装布置方便，机身、曲轴结构简单；气缸串联多，填料数目少，可避免高压增料泄漏；转速低，易损件磨损少，技术要求低，使用寿命长。但由于在同一列中的串联多，且各列之间难以相互平衡，故机器具有很大的不平衡惯性力；压缩机的重量和尺寸大，占地面积大，往复运动零部件重量很大，装卸维修困难，垂直度、同心度、平行度不易保证；活塞轩、活塞环、缸套、填料磨损较快，基础投资费用大。2立式压缩机各列气缸中心线均与地面垂直。其特点是活塞和气缸镜面磨损小且均匀，活塞环使用寿命长；占地面积小；多列结构惯性力平衡好，动力性能好；机身形状简单，轻巧，比重量小；最适宜迷宫密封和无油润滑结构。但对厂房的要求较高，同时装卸、操作、维修、管道布置困难；横向振动大、管系防振效果差。3角度式压缩机各列气缸中心线之间相互成一定的夹角，但不等于180。按不同的气缸中心线夹角，又分为L型、V型、W型、扇形等。除L型外，其余各型均为小型机组。角度式压缩机的结构如图3-6所示。图3-6 角度式压缩机的结构型式其特点是：动力性能好，重量和体积相对较小；结构紧凑，布局合理，曲轴主轴承可采用滚动轴承，机械性能好。除以上优点外，L型压缩机还有独特的优点：两列往复运动质量相等时，运转较平衡；两列90夹角，立式列为大直径缸，水平列为小直径气缸，大缸磨损较上，机身受力较好；中间冷却器和级间管道直接安装在机器上，结构更合理。但是，角度式压缩机机身受力较复杂，不宜做成大型机器，管道架空安装，维修不便，L型立式列具有立式压缩机的特点。4对称平衡型压缩机对称平衡型压缩机的气缸布置在曲轴两侧，两相对列的曲柄错角为180。这种结构型式是本世纪40年代才出现的，优点十分显著，发展很快，是气田天然气增压中采用的最主要的型式。四列以上的对称平衡型压缩机，据驱动机设置的位置可分为M型，H型等型式，如图3-7所示。其特点：、阶惯性力完全平衡，惯性力矩小，甚至为零，机器运转平稳，振动极小；每两个相对列的曲柄错角为180，两侧活塞力全抵消，主轴承受力良好，主轴瓦的使用寿命长；机器转速高，重量和体积都很小，造价低，基础重量轻、体积小；安装检修方便，对流程变化的适应性强；对驱动机械的性能要求不高。但运动部位和