天然气压缩系统的工艺设计

第八节天然气（伴愤怒）压缩系统的工艺设计一、压缩机系统的工艺设计在海上，天然气作为一次开采（气井）或伴生开采（油井）被采出。天然气可通过管线输送到陆上，或用作气举（生产）、注气（保持油藏压力）或作为平台燃料。普通地，要把采出的气进行压缩，使压力增至可用的水平。天然气（伴愤怒）压缩机在油气田中重要用于三个目的：低压气的回收、天然气的中间过程的加压和外输气的输送。本节将讨论压缩机的类型、它们在海上油气工业中的应用，以及压缩机的工艺计算。设计人员可用这些资料选择特定用途的压缩机的型式和拟定压缩机的工艺参数。有关天然气（伴愤怒）压缩系统中的其它设备，例如洗涤器、中间冷却器、加热器等设备的设计，参见其它有关章节。1．伴愤怒解决由油气分离系统分离出来的天然气（伴愤怒），不同程度地携带着液体（油和水），会使管道或设备造成故障，特别在冬季，水结冰会阻塞管道。除去液体后的干燥天然气，能够用作燃料气、密封气、吹扫气，或压缩外输，多出的送入火炬系统烧掉。伴愤怒解决实例如图2-3-79所示。图2-3-79为涠12-1PUQ平台伴愤怒解决工艺流程图，系统由段塞流捕集器、气洗涤器、一级压缩机、一级冷却器、气分离器、二级压缩机、二级冷却器、进口洗涤器、三甘醇接触塔、三甘醇再生器和换热器构成。伴愤怒来源于涠10-3油田和涠12-1油田原油解决系统，在涠12-1平台经解决达成规定后部分供应透平机作燃料使用，大部分外输至涠州终端。从涠10-3A平台来的伴愤怒经清管球接受器旁通进入段塞流捕集器，伴愤怒在海底管线流动过程中，由于压力和温度的下降，将有凝析油析出，伴愤怒在进入段塞流捕集器后，进行气液两相分离，分离出来的液体排到闭式排放罐，分离出来的气则与来自涠12-1低压解决系统伴愤怒一起进入气洗涤器。经一级压缩机压缩增压和一级冷却器冷凝后，再与来自涠12-1高压解决系统伴愤怒一起进入二级压缩机压缩增压和二级冷却器冷凝。从二级压缩机出来的天然气通过进口涤气器后，进入三甘醇接触塔中，高纯度的贫甘醇和湿气逆向充足接触，从塔下部到上部，通过8级塔盘后，天然气同贫甘醇在接触中逐步失去水分，变成干燥的气体最后从塔顶出来，而贫甘醇则吸取了相称于它本身重量的4.2%的水分后变成富甘醇，从塔下部流出去再生器。图8-1涠11-4中心平台伴愤怒解决系统图8-1涠11-4中心平台伴愤怒解决系统图2-3-79涠12-1PUQ平台伴愤怒解决系统图2-3-79涠12-1PUQ平台伴愤怒解决系统2．典型活塞式压缩机的工艺流程典型活塞式压缩机的工艺流程如图2-3-80所示。每级压缩机分为一种撬块，各撬块都有入口涤气罐、压缩机、出口冷却器及出口涤气罐等。在控制方面各撬块又涉及入口压力循环控制、放空、关停及控制面板等。涠12-1平台伴愤怒解决压缩机即为活塞式两级压缩机组，参见图2-3-79涠12-1PUQ平台伴愤怒解决系统．图2-3-80典型两级压缩流程图图2-3-80典型两级压缩流程图3．典型离心式压缩机流程普通的离心式压缩机组都没有中间冷却器，其多级叶片都装在同一壳体内。和活塞式压缩机同样，离心式压缩机组都装有入口和出口涤气罐、出口冷却器、入口循环压力控制及放空控制等。所不同的是离心式压缩机特有的防喘振控制系统，其典型流程如图2-3-81所示。图2-3-82为崖13-1海上平台离心式压缩机组流程图。图2-3-81离心压缩机防喘振控制流程图喘振图2-3-81离心压缩机防喘振控制流程图喘振图2-3-82崖13-1离心式压缩机组流程图（干气）喘振图2-3-82崖13-1离心式压缩机组流程图（干气）喘振对于特定性质的气体和特定形状的离心叶轮，其每级的最大压缩比是有程度的。在某一固定的转速下，有一种最高的工作压力，在此压力下有一种对应的最低流量。当离心式压缩机的入口流量小到一定范畴，出口压力会升高，使压缩比超出某一种特定的值时，被压缩的气体就发生喘振，即高压气流从叶轮的周沿流回到叶轮的中心。在发生喘振时，压缩机转子的轴向和径向的振动加剧而造成压缩机的损坏。为了避免喘振的发生，必须使压缩机的工作点离开喘振点，普通采用循环的办法，将压缩机出口的一部分气体经冷却后返回压缩机入口。二、压缩机的工艺计算1．抱负气体的压缩过程等温压缩气体在等温压缩过程中，温度始终保持不变，应满足（2-3-49）在等温压缩过程中，所消耗的理论功率为（2-3-50）式中：——功率，kW；——吸入压力，kPa；——吸入状态下的体积流量，m3/min； ——压缩比，；——压缩机排气压力，kPa。气体在等温压缩中，功率消耗最小。等温压缩即使在事实上并不存在，但能够作为一种有用的理论分析办法。图2-3-83烃类气体的绝热指数绝热压缩图2-3-83烃类气体的绝热指数在绝热压缩过程中，气体同外界没有热交换，此时有（2-3-51）式中：——绝热指数，对抱负气体；——气体的比定压热容，kJ/（kg·℃）；——气体的比定容热容，kJ/（kg·℃）；、——符号阐明同式（2-3-50）。气体的绝热指数和温度有关，常压下，多个惯用气体在不同温度下的绝热指数可由有关数据手册查得。烃类气体的值可由图2-3-83和图2-3-84查知。图2-3-84烃类气体的绝热指数图2-3-84烃类气体的绝热指数烃类气体的绝热指数随温度的升高而减少，计算时应当选用出入口平均温度下的绝热指数。混合气体的绝热指数可按下式计算：（2-3-52）式中：——混合气体的绝热指数；——组分的绝热指数；——气体组分的摩尔分数；绝热压缩时，压缩终温为：（2-3-53）式中：——压缩机吸气温度，K；——压缩机排气温度，K。绝热压缩过程中所消耗的理论功率为：（2-3-54）式中符号同式（2-3-50）多变压缩。在多变压缩过程中，气体和外界有热交换，此时有（2-3-55）式中：为多变指数，多变指数与绝热指数之间有以下关系（2-3-56）式中：——多变效率。多变压缩的压缩终温可按下式计算：（2-3-57）多变压缩的理论功率消耗可按下式计算：（2-3-58）式中符号同前。2．压缩机的排气温度、功率和中间冷却压缩机的排气温度往复式活塞压缩机。往复式活塞压缩机的排气温度可按绝热公式计算：（2-3-59）也可由图2-3-85查得。图2-3-85压缩机排气温度计算图图2-3-85压缩机排气温度计算图离心式压缩机。离心式压缩机的排气温度按多变压缩计算：（2-3-60）也可由图2-3-85查得，只要将图2-3-85中的绝热指数用多变指数替代即可。压缩机的功率往复式压缩机。往复式压缩机的理论功率可按下式计算（2-3-61）（2-3-62）式中为涉及进、排气阀压力损失在内的往复式压缩机实际压缩比，和由图2-3-86查得。图2-3-86是根据空气以及密度靠近空气的气体，对活塞平均线速度为3.5m/s的机器作出的，当气体的密度不同或活塞速度不同时，应考虑修正。当活塞平均速度变化时，图中的值按下式修正：（2-3-63）式中：——压缩机的活塞速度，m/s。图2-3-86不同压力下的相对压力损失系数图2-3-86不同压力下的相对压力损失系数当气体的密度和空气相差较远时，值按下式修正：（2-3-64）式中：——实际气体的密度，1.293为空气的密度值。往复式压缩机的实际功率消耗可按下式计算（2-3-65）式中：——机械效率，大中型压缩机为0.9~0.95，小型压缩机为0.85~0.9；——传动效率，皮带传动为0.96~0.99，齿轮传动为0.97~0.99，直联为1.0。选择原动机的功率时，应考虑留10%~25%的裕量，即。离心压缩机。①多变能量头。对压缩机来说，能量头的概念相称于泵的扬程的概念。离心压缩机的多变能量头按下式计算：（2-3-66）式中：——多变能量头，kg•m/kg；——压缩系数；——气体常数，847.9kg•m/（kg•K）；、——进、出口压力，kPa;②马赫数。马赫数是气流速度和气体音速的比值，按下式计算：（2-3-67）式中：——马赫数；——叶轮圆周速度，m/s；——气体绝热指数；——重力加速度，9.81m/s2；——气体常数，847.9kg•m/（kg•k）；——气体入口温度，K。在给定介质的状况下，叶轮转速越高则马赫数越大。马赫数的变化会对离心压缩机的性能产生很大影响，是压缩机设计中的一种重要参数。③离心压缩机的功率。离心压缩机的功率用下列办法计算。理论功率：（2-3-68）式中：——多变效率。离心压缩机的实际消耗功率（）为：（2-3-69）为机械效率，普通遵从下列原则：N>kW=97%~98%N=1000~kW=96%~97%N<1000kW=94%~96%为传动效率，直拉接传动=1.0；用齿轮增速箱传动时，=0.93~0.98。压缩机的中间冷却。当工艺上规定的压缩比很大时，需要进行中间冷却。第一段压缩后的气体通过冷却后，再进入第二段压缩，这样能够减少气体出口温度，减少功率消耗。对于往复式压缩机，采用中间冷却能够避免气缸温度过高，超出润滑油的闪点。对于离心压缩机，随着各级进口温度的升高会使各级压缩比下降。因此，普通在压缩比较大时，都采用中间冷却。采用多段压缩后，当压缩机的各段入口温度相似以及各段压缩比相似时，压缩机的理论消耗功率以下。绝热压缩。（2-3-70）式中：——中间冷却器压力损失校正系数，对于二段压缩，=1.08；三段压缩，=1.10；——压缩段数；——总压缩比。多变压缩（2-3-71）式中符号同前，为多变率。3．真空气体压缩计算温升真实气体的绝热指数。真实气体的压缩遵从下列关系：（2-3-72）（2-3-73）式中，称为温度绝热指数，称为容积绝热指数。温度绝热指数可由图2-3-87根据常压下的绝热指数及对比温度、对比压力查得。和及k的关系可由图2-3-88查得。图2-3-87温度绝热指数k图2-3-87温度绝热指数kT计算图图2-3-88k图2-3-88kv和kT及k关系图功率绝热压缩时，理论功率为：（2-3-74）多变压缩时，理论功率为：（2-3-75）式中：——压缩机进口状态下的压缩系数；——压缩机出口状态下的压缩系数。4．压缩比压缩比是压缩机排气压力与压缩机吸入压力之比。普通用于单级压缩机，但也可用于多级压缩机。式中：压缩比P2=压缩机排气压力，kPaP1=压缩机吸入压力，kPa5.压缩机分级压缩机的各基本部件（不考虑类型），受操作条件所限。在操作条件超出了单级范畴时（即轮或汽缸），就需要进行多级压缩解决，即，为达成所规定的压力，增加两或更多的级数。拟定压缩机级数的界限依压缩机的类型而定，但最重要的界限以下：出口温度——各类压缩机容积效率——往复式机器（影响压缩比）节省动力的需要性（带中间冷却的多级，减少动力）机械载荷——往复式机器叶轮转动速度——（机械应力和气体马赫数）6．活塞式压缩机级数的选择设压缩机组的级间冷却为抱负冷却，级间无压力损失，此时所需的功率就是最小。在这种抱负状况下每级压缩比的选择由下列理论公式求得：（2-3-76）式中：——理论上最优的单级压缩比；——总压缩比；——级数。每级最佳设计成单独的压缩机，每级的压缩量都单独作计算，从第一级的实际进气量算起，一级一级往下算，其间要考虑到级间的压力损失，级间冷却、凝析液析出后气体体积的收缩量，最后得到压缩机的各级功耗和总功耗。由于温度过高和连杆的负载，每级压缩机的压缩比极少有不不大于4的。三、压缩机的类型和选用1．压缩机分类压缩机按工作原理可分辨为：容积型、速度（动力）型和热力型，基本类型如图2-3-89所示，在容积型压缩机中，气体压力的提高是由于压缩机气体的体积受压缩小，使单位体积内气体分子的密度增加所致。在速度型压缩机中，气体的压力是由气体分子的速度转化而来，即先使气体分子得到一种很高的速度，然后在固定元件中使一部分速度能转化为气体的压力能，喷射器是热力型压缩机，它采用高速气体或蒸汽的喷射携带向内流动的气体，然后在扩压器中把混合物的速度能转化为气体的压力能。图2-3-89压缩机的基本类型图2-3-89压缩机的基本类型油田惯用的压缩机为往复式压缩机（reciprocatingcompressor）、螺杆压缩机（screwcompressor）和离心式压缩机（centrifugalcompressor）。其中往复式压缩机由电动机或天然气发动机驱动；螺杆式压缩机由电动机驱动；离心式压缩机由燃气轮机或电机驱动。往复式、螺杆式和离心压缩机的普通使用范畴如图2-3-90所示。图2-3-90压缩机的使用范畴图2-3-90压缩机的使用范畴往复式压缩机用于进气流量约为300m3/min下列，特别合用于小流量、高压力的场合，普通每级最大压缩比为3：1到4：1。高的压缩比能引发容积效率和机械效率的下降，压缩机的排气温度也限制了压缩比的提高，因机械方面的因素普通限制温度在180~205℃下列，天然气压缩机对排气温度有规定，所选压缩机的每级压缩比普通不不不大于4：1。其特点是效率高，耐久可靠，压力范畴宽，流量调节方便，但构造复杂，体积庞大，振动大，维修工作量大，吸排气阀易磨损，零部件更换频繁。离心式压缩机用于进气流量为14.6~5660m3/min，其壳体分为水平和垂直剖分两种。按排量分为小排量（~254m3/min）、中排量（254.8~991m3/min）和大排量（单进口时991~5097.6m3/min）。每级的最高压力受出口温度的限制（205~232℃）。其优点是排量大，构造简朴紧凑，振动小，操作灵活，易于实现自控；缺点是效率较低。螺杆式压缩机是容积型压缩机的一种，分为干式和喷油螺杆式压缩机两种，喷油螺杆式压缩机最高排出压力可达5MPa。压缩机及其驱动机的选用气体性质对压缩机选用的规定安全问题。天然气压缩机压缩介质是烃类气体的混合物，表2-3-42列出了重要组分的爆炸极限。因此，安全问题比较突出。天然气所处压力、温度越高，则爆炸范畴越大，特别是压力影响很明显。随着压力的增高，爆炸下限差不多保持不变，而上限却大大增加。避免压缩机或管道内形成爆炸性混合物的方法是避免产生死角，压缩机开车前应置换气体。死角处置换可能不够充足，有可能在局部形成爆炸性混合物。表2-3-42天然气重要组分的爆炸极限限量（体积）主要组分CH4C2H6C3H8C4H10C5H12H2SH2爆炸范畴上限，%15.012.459.58.417.845.574.2下限，%5.03.222.371.861.44.34.1气体性质的影响。在天然气集输过程中，气体构成和性质往往会发生变化，所选机组对气体构成应有较大的适应能力。普通应给出一定的构成变化范畴，选用离心式压缩机时更应注意，否则将因气体分子量和绝热指数等参数的明显变化，对压缩机产生严重的影响。压缩过程中的液化问题。天然气在压缩过程中可能会有部分液化，因此应注意凝液的分离和排除。对于往复式压缩机，为了避免撞缸事故，压缩机的各级气缸余隙容积都应略大某些，凝液多的状况下出口阀应放在气缸下部，避免凝液积聚。同时曲轴箱应注意适宜的密封，以防液化后的气体渗漏到曲轴箱内，减少润滑油的闪点和粘度。对于喷油螺杆式压缩机，应根据气体构成规定最低的排气温度，以免有气体液化而稀释润滑油。一旦润滑油被稀释，必须重新恢复润滑油性质。选用离心式压缩机时，轴密封油中可能漏入气体而被稀释，为此系统中应有脱气分离器。为提高脱气效率，脱气器上应配备有电或蒸汽加热器以及搅拌器、抽气方法等。排气温度的限制。天然气构成重要是烷烃，为了减少油蒸气碳化和着火的危险，排气温度宜在140℃下列；现在部分压缩机厂家的产品出口温度可达150℃。压缩机的选型原则在选用压缩机时，首先满足工艺规定，重要有下列几方面：压缩介质对压缩机提出的规定，涉及能否允许介质有少量的泄漏，能否允许被润滑油污染以及排气温度限制等；压缩机的排气量；压缩机的出入口压力。在满足上述工艺规定的前提下，如果有几个类型的压缩机可供选择，再进一步对多个压缩机作选型比较。选型比较时，普通可参考：高压和超高压压缩时，普通采用往复式压缩机。但是随着工业装置向大型化方向发展，压缩机的排气量越来越大，选用离心式压缩机所含有的优点会增加，应考虑选择大型机组。离心式压缩机含有输气量大而持续，运转平稳，机组外形尺寸小，重量轻，占地面积小，设备的易损部件少，使用期限长，维修工作量小，气体不会被润滑油污染等优点。对于气量较大，且气量波动幅度不大，排气压力为中、低压的状况宜选用离心式压缩机。且应根据油田生产特点，选用专为油田生产用的离心式压缩机。由于速度型压缩机是先使气体得到动能，然后再把动能转化为压力能，因而相对空气密度小的气体，要得到同样的压缩比，必须使气体的速率更高才行，同时损耗又会增加，因此用离心式压缩机压缩低分子量的气体是不利的。但在高压下由于气体的密度增加，分子量小的缺点得以克服。当流量较小时，应选用往复式压缩机或螺杆式压缩机。喷油螺杆式压缩机由于兼有往复式和离心式压缩机的许多优点，可调范畴宽，操作平稳，不仅在制冷工业上有很大实用价值，并且在天然气集输和加工工业上也逐步得到应用。无油螺杆压缩机除气量调节、单级压缩比低等不如喷油螺杆压缩机外，也含有上述特点，并且能够解决湿气，是很有实用价值的机组。往复式压缩机采用多台安装，普通为3~4台，方便万一某台机组检修时，不致严重影响装置的生产。离心式