【壓縮機(jī)網(wǎng)】基于南海某大型氣田的實(shí)際工程需求，作者對多種工況下大型氣田外輸離心壓縮機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析說明。在壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)考慮了實(shí)際配產(chǎn)的逐年流量和壓力以及z*大規(guī)模下的流量與壓力。同時(shí)，海洋平臺對機(jī)組的數(shù)量要求嚴(yán)格，過多的機(jī)組數(shù)量將導(dǎo)致平臺面積增大，采用較少的機(jī)組并滿足所有工況點(diǎn)的運(yùn)行才是合理可行的選型方案。本文通過選型分析，論證了在減少機(jī)組數(shù)量的前提下，完成海上平臺外輸壓縮機(jī)組的合理與配置，機(jī)組選型兼顧了實(shí)際配產(chǎn)與設(shè)計(jì)規(guī)模，該方案不僅降低了項(xiàng)目投資，還使得機(jī)組在不同運(yùn)行工況下保持較高的運(yùn)行效率。
引言
南海是我國海上z*大的天然氣生產(chǎn)基地，隨著勘探開發(fā)技術(shù)進(jìn)步和工作量進(jìn)一步增加，預(yù)計(jì)未來南海天然氣儲量和生產(chǎn)能力將會快速增長。同時(shí)，隨著深水開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的海上天然氣也將被開發(fā)出來[1]。2006年，在位于南海珠江口盆地深水區(qū)的某構(gòu)造區(qū)塊獲得了重大天然氣發(fā)現(xiàn)，預(yù)測地質(zhì)儲量規(guī)模為1000×108～1500×108m3。該構(gòu)造位置深1500m，這標(biāo)志著我國海上油氣勘探作業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了由淺水向深水的跨越，也迎來了南海深水勘探的熱潮。目前,深水油氣田的勘探開發(fā)已成為世界跨國石油公司的投資熱點(diǎn),而深水油氣勘探開發(fā)也將成為我國海上未來z*重要的領(lǐng)域之一[2] 。
該大型氣田離淺水區(qū)不到100km，因而應(yīng)該采取水下井口的方式對該氣田進(jìn)行開發(fā)（圖1） ：將開采出的油氣混合物通過管線沿陸坡輸送到淺海，在淺海區(qū)域建立固定平臺進(jìn)行處理，再將天然氣輸送到陸地。這樣既可以加快油氣田的開采速度，又可以降低開發(fā)成本。
該模式已經(jīng)形成南海天然氣開發(fā)的主要模式，對于淺海區(qū)域的固定平臺，將作為深水天然氣輸往終端的加壓站，為深水天然氣的增壓輸送起到了至關(guān)重要的作用。此中轉(zhuǎn)增壓平臺的增壓工況既要考慮深水氣田開發(fā)的復(fù)雜性，又要為周邊其他氣田接入預(yù)留一定的能力，同時(shí)還需要考慮機(jī)組數(shù)量和重量對平臺面積及重量的影響，因此外輸壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)極其復(fù)雜[3-4]。
配置原則
外輸氣壓縮機(jī)位于海洋平臺上，該平臺屬于天然氣中轉(zhuǎn)平臺，接收周邊各深水氣田的天然氣，如圖2所示。
按照目前的工藝設(shè)置，中轉(zhuǎn)平臺接收來自氣區(qū)1的天然氣（濕氣），進(jìn)行脫水處理，同時(shí)接收來自氣區(qū)2的天然氣（干氣），兩者混合后經(jīng)增壓一同輸往陸上終端，此外，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮預(yù)留氣區(qū)的接入。海洋平臺區(qū)別于陸上的一個(gè)重要因素是空間限制，采用較多的機(jī)組固然可以提高靈活性，但是會造成平臺面積過大，成本大增，因此本壓縮機(jī)的配置原則如下：
1）滿足工藝條件要求；
2）減少平臺壓縮機(jī)臺數(shù)，控制平臺設(shè)備重量（在海洋工程項(xiàng)目中，重量的控制是項(xiàng)目管理中極其重要的一項(xiàng)內(nèi)容，重量控制的好壞直接影響整個(gè)項(xiàng)目是否成功[5]）；
3）合理處理實(shí)際產(chǎn)量與預(yù)留之間的關(guān)系（實(shí)際產(chǎn)量與平臺預(yù)留規(guī)模存在較大的差異）；
4）提高機(jī)組運(yùn)行效率、節(jié)能減排。
工況分析
由于氣田開發(fā)項(xiàng)目海上工程分兩期建設(shè)，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為濕氣增壓80億方/年，干氣增壓100億方/年，二期建成后總設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到濕氣增壓120億方/年，干氣增壓120億方/年[2]。但是初期投產(chǎn)時(shí)，氣區(qū)1和氣區(qū)2的實(shí)際產(chǎn)量只有50億方/年，長距離、多工況海上增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的主要任務(wù)。本中轉(zhuǎn)平臺的壓縮流程如圖3所示。
圖中流程1：
由于2013～2015年，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力較高，約為7500kPa（G），因此，天然氣直接進(jìn)入三甘醇脫水塔，經(jīng)三甘醇脫水后與來自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。
圖中流程2：
從2016年開始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力降為2500kPa（G），此時(shí)，需設(shè)置濕氣壓縮機(jī)，天然氣經(jīng)濕氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。
圖中流程3：
預(yù)計(jì)從2019年開始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力將降為1000kPa（G）（與此同時(shí)產(chǎn)量也有所下降），此時(shí)需增設(shè)預(yù)增壓壓縮機(jī)，天然氣壓力被增壓升至2500kPa（G），然后進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)增壓，增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。
由于濕氣壓縮機(jī)的壓比穩(wěn)定，只進(jìn)行簡單流量分配即可，本文著重分析干氣壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)，在干氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以上所有工況，其工況匯總?cè)缦拢簩?shí)際配產(chǎn)的逐年氣量及外輸壓力；設(shè)計(jì)規(guī)模下的逐年氣量及外輸壓力。
本平臺設(shè)計(jì)時(shí)，外輸管道的管徑z*終確定為762mm，在外輸管道管徑確定的情況下，外輸壓力隨著輸氣量的增加而增加，通過計(jì)算得出，外輸氣量為50億方/年時(shí)，外輸壓力約為11.2MPa（G）；外輸氣量為100億方/年時(shí)，外輸壓力約為19.5MPa（G）；外輸氣量達(dá)到120億方/年時(shí)，外輸壓力將達(dá)到22.8MPa（G），可以看出，其外輸壓力增加了一倍以上。同時(shí)，在考慮實(shí)際配產(chǎn)時(shí)，還需要考慮逐年的變化量，在可以確定的投產(chǎn)氣量中，2021年，氣量將下降到31億方/年，此時(shí)的外輸壓力僅為8.9MPa（G）。實(shí)際配產(chǎn)的逐年輸氣量及外輸壓力見圖4所示，從圖中可以看出，壓比變化范圍為1.2～1.6；實(shí)際工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的對比見圖5所示，點(diǎn)1表示實(shí)際配產(chǎn)時(shí)的輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)2和3表示中間選取校核流量情況下的外輸氣量和外輸壓力（66億方/年和86億方/年），點(diǎn)4為設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到100億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)5表示設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到120億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，從圖中可以看出，統(tǒng)籌考慮實(shí)際配產(chǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)模時(shí)，其外輸壓力和壓比變化范圍過大，壓力從1.58變化到3.2。
本項(xiàng)目的難點(diǎn)在于，如何在滿足設(shè)計(jì)規(guī)模的條件下兼容z*小氣量要求。機(jī)組要求能夠滿足流量變化30～120億方/年的處理范圍，同時(shí)又對壓縮機(jī)的臺數(shù)有嚴(yán)格的限制，成為本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)瓶頸[7] 。
選型分析
離心壓縮機(jī)都有一個(gè)可以保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的工況范圍[8]。通常情況下，壓縮機(jī)的選型目標(biāo)為：1)希望效率z*高；2)希望工況范圍覆蓋盡量大；3)希望有z*低的成本；4)希望設(shè)備數(shù)量z*少。事實(shí)上，無論從優(yōu)化的理論分析或是從實(shí)際設(shè)計(jì)考慮，這幾個(gè)目標(biāo)是不可能同時(shí)達(dá)到z*優(yōu)的[9]。
本項(xiàng)目也是如此，壓縮機(jī)的選型原則和工況適應(yīng)性是不能同時(shí)達(dá)到z*優(yōu)的，如果考慮選型原則，為了減少平臺面積，必須減少運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量；如果考慮工況的適應(yīng)性，其運(yùn)行工況點(diǎn)多，參數(shù)變化大，必須設(shè)置較多的機(jī)組，才能夠使機(jī)組在較高的效率點(diǎn)運(yùn)行，并能覆蓋著所有工況點(diǎn)。本項(xiàng)目在與外方簽訂合同時(shí)，明確要求投產(chǎn)建造時(shí)，必須滿足一期的設(shè)計(jì)工況，即能夠達(dá)到100億方/年的壓縮能力，因此壓縮機(jī)的配置也必須能夠在該工況下運(yùn)行[10]。
表1列出了逐年氣量變化情況下及設(shè)計(jì)工況下干氣壓縮機(jī)組的壓比及所需的總軸功率。
從表1中可以看成，干氣壓縮機(jī)壓比變化范圍太大，只能采用分級壓縮，或者更換機(jī)組及后期換芯的方式實(shí)現(xiàn)，針對兩種不同的配置方式，進(jìn)行以下詳細(xì)比較。
1、方案一
由于壓比高，對干氣壓縮進(jìn)行兩級壓縮配置。綜合一期、二期外輸壓力要求，充分照顧壓比均分原則，按干氣一級壓縮機(jī)進(jìn)口壓力7.13MPa（G），出口19.5MPa（G）考慮，壓比2.71。干氣二級壓縮機(jī)進(jìn)口壓力19.5MPa（G），出口22.8MPa（G），壓比1.17。
1.1 干氣一級壓縮機(jī)
單臺流量約為25億方/年。按功率均分，驅(qū)動器選擇10MW等級燃汽輪機(jī)。一期考慮設(shè)置5臺機(jī)組，滿足一期外輸流量100億方/年時(shí)，4臺機(jī)組運(yùn)行，1臺備用。滿足z*初投產(chǎn)時(shí)，2臺機(jī)組運(yùn)行，3臺備用。二期預(yù)留1臺相同規(guī)格的壓縮機(jī)，二期達(dá)到120億方/年規(guī)模時(shí)，5臺機(jī)組運(yùn)行，1臺備用。
1.2 干氣二級壓縮機(jī)
干氣二級壓縮機(jī)為二期預(yù)留壓縮機(jī)組，當(dāng)產(chǎn)量超過100億方/年時(shí)，需要設(shè)置干氣二級壓縮機(jī)，用來給干氣一級壓縮機(jī)出口干氣增壓。單臺流量約為120億方/年，共設(shè)置2臺，1用1備，驅(qū)動器選擇10MW等級燃機(jī)。
1.3 匯總
方案一中，一期需要配置5臺機(jī)組，驅(qū)動器規(guī)模約在10MW級別，二期需要設(shè)置3臺機(jī)組，驅(qū)動器規(guī)模約在10MW級別。同時(shí)還需配置2臺后期的預(yù)增壓壓縮機(jī)，即方案一壓縮機(jī)總共需要設(shè)置10臺壓縮機(jī)組，單臺機(jī)組規(guī)模約為10MW級別。
2、方案二
由于可見產(chǎn)量遠(yuǎn)達(dá)不到一期及二期規(guī)模，因此，前期在壓縮機(jī)的配置上充分考慮目前實(shí)際的配產(chǎn)情況，并為后期預(yù)留一定的空間。
根據(jù)實(shí)際配產(chǎn)的情況，機(jī)組的軸功率較小，不到10MW，且2013年到2018年機(jī)組流量運(yùn)行較為穩(wěn)定，在46～50億方/年，2019年到2022年流量穩(wěn)定在30億方/年上下。根據(jù)項(xiàng)目需要，50億方/年和66億方/年流量是項(xiàng)目投產(chǎn)后z*有可能實(shí)現(xiàn)的工況點(diǎn)，而86億方/年、100億方/年和120 億方/年是項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)，因此保證這些流量點(diǎn)應(yīng)具有較高的壓縮機(jī)效率和燃機(jī)負(fù)荷率。
綜合考慮流量、壓比及實(shí)際配產(chǎn)情況，考慮配置2大2小的組合方案，即2臺小機(jī)組（10MW）滿足實(shí)際配產(chǎn)的運(yùn)行工況，且機(jī)組處于比較高效的運(yùn)行區(qū)間，2臺大機(jī)組(25MW)能夠兼顧實(shí)際配產(chǎn)的運(yùn)行，同時(shí)可以滿足100億方/年的外輸能力，此時(shí)需要增加1臺機(jī)組作為備用，二期產(chǎn)量能夠達(dá)到120億方/年時(shí)，將3臺大機(jī)組機(jī)芯進(jìn)行更換，增加壓比，同時(shí)再增加1臺大機(jī)組作為備用，而2臺小機(jī)組將考慮作為濕氣預(yù)增壓使用。因此，方案二總共需要配置6臺壓縮機(jī)組，其中2臺為預(yù)增壓壓縮機(jī)。這種方案針對不同階段特點(diǎn)采用不同的壓縮機(jī)策略方案，z*大優(yōu)點(diǎn)是: 1) 資源配置合理: 前期按照實(shí)際配產(chǎn)進(jìn)行配置，待氣量得到落實(shí)后進(jìn)一步設(shè)置機(jī)組；2) 壓縮機(jī)臺數(shù)少。
3、選型結(jié)論
從分析結(jié)果可以看出，方案一和方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)。
方案一機(jī)組適應(yīng)范圍較廣，一期按規(guī)模設(shè)置的機(jī)組能夠滿足前6年的實(shí)際配產(chǎn)要求，且達(dá)到100億規(guī)模時(shí)不需更換機(jī)組。但是方案一有以下缺點(diǎn)；
1）由于按照100億方/年規(guī)模的外輸壓力設(shè)置一級壓縮機(jī)，其壓比高達(dá)2.71，當(dāng)實(shí)際配產(chǎn)為50億方/年時(shí)，運(yùn)行工況下，壓比只有1.56，使得機(jī)組處于低效工況下運(yùn)行，燃機(jī)效率也較低，增加了平臺的能耗，在氣量得不到落實(shí)的情況下，機(jī)組將長期處于高能耗階段；
2）機(jī)組數(shù)量較多，機(jī)組數(shù)量達(dá)到了10臺，平臺占地面積較大，總重量較大，對平臺結(jié)構(gòu)的影響較大，也造成平臺投資的增加；
3）一級壓縮機(jī)按照高壓頭設(shè)置，當(dāng)流量小于50億方/年時(shí)，外輸壓頭降低，壓縮機(jī)無法正常運(yùn)行，必須提高壓頭，然后降壓外輸。
方案二的優(yōu)點(diǎn)如下：
1）2臺小壓縮機(jī)組滿足實(shí)際配產(chǎn)需求，機(jī)組效率高，運(yùn)行工況點(diǎn)好，機(jī)組占地空間小，待后期氣量落實(shí)后，2臺小壓縮機(jī)被4臺大壓縮機(jī)組替換，2臺小壓縮機(jī)組作為濕氣預(yù)增壓壓縮機(jī)使用；
2）2臺小機(jī)組工作范圍內(nèi)，壓比在1.51～1.57，換芯后壓比在1.20～1.30，運(yùn)行工作點(diǎn)相對集中，機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，逐年變化小，機(jī)組效率高；
3）4臺大機(jī)組在工作范圍內(nèi)，壓比在2.02～3.19，壓比在壓縮機(jī)可調(diào)范圍內(nèi)，運(yùn)行較為穩(wěn)定，覆蓋工況多。能夠滿足后期不同流量及壓比的運(yùn)行條件；
4） 該配置方案不僅減少了壓縮機(jī)臺數(shù)，而且有效的預(yù)防了在氣量得不到落實(shí)的情況下，一期盲目購買過多機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)。
其缺點(diǎn)為：
1）管線配置較為復(fù)雜；
2）一期氣量達(dá)到100億方/年運(yùn)行時(shí)，需要更換機(jī)組，對平臺的改造較為復(fù)雜。
綜合比較來看，方案二在機(jī)組數(shù)量、投資及運(yùn)行工況上均具有優(yōu)勢，且能夠同時(shí)滿足實(shí)際配產(chǎn)與設(shè)計(jì)規(guī)模的運(yùn)行工況，小機(jī)組的運(yùn)行效率較高，壓縮機(jī)處于高效區(qū)運(yùn)行，只是在實(shí)現(xiàn)操作過程中需要進(jìn)行更換機(jī)組和機(jī)芯，是能夠通過現(xiàn)場解決的，故推薦采用方案二作為干氣壓縮機(jī)配置方案，機(jī)組配置情況如圖6所示。
運(yùn)行工況點(diǎn)分析
雖然方案二的機(jī)組數(shù)量z*少，但是由于機(jī)組的運(yùn)行覆蓋范圍太廣，機(jī)組能否滿足所有工況點(diǎn)的運(yùn)行條件，還需要進(jìn)一步論證。根據(jù)z*終選擇的機(jī)組方案，對其運(yùn)行的各工況點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，圖7為小機(jī)組和大機(jī)組的性能曲線圖，圖中下面左側(cè)的性能曲線為小機(jī)組性能曲線，上部的為大機(jī)組性能曲線。
如圖7所示，下部50億的點(diǎn)為實(shí)際配產(chǎn)流量下的運(yùn)行點(diǎn)，此時(shí)，2臺小機(jī)組運(yùn)行，單臺機(jī)組流量約為25億方/年；當(dāng)產(chǎn)量為66億方/年時(shí)，小機(jī)組運(yùn)行工況區(qū)間為圖中標(biāo)志壓比為2.02的橫線（在小機(jī)組性能曲線內(nèi)），此時(shí)小機(jī)組流量區(qū)間約為25～29億方/年，同種工況下，大機(jī)組運(yùn)行工況區(qū)間為圖中標(biāo)志壓比為2.02的橫線（在大機(jī)組性能曲線內(nèi)），此時(shí)大機(jī)組流量區(qū)間約為37～41億方/年；當(dāng)流量超過66億方/年時(shí)，需要新增1臺大壓縮機(jī)組，在校核點(diǎn)工況，即86億方/年工況下，2臺大機(jī)組運(yùn)行，單臺機(jī)組流量約為43億方/年；在一期設(shè)計(jì)工況點(diǎn)2，即100億方/年產(chǎn)量時(shí)，2臺大壓縮機(jī)組運(yùn)行，單臺流量約為50億方/年；在二期工況時(shí)，再新增1臺大壓縮機(jī)組，單臺機(jī)組流量約為40億方/年。
下面對在50億方/年工況下大機(jī)組給小機(jī)組備用的工況進(jìn)行分析，如大壓縮機(jī)性能曲線所示，當(dāng)大機(jī)組給小機(jī)組做備用時(shí)，考慮大機(jī)組在32億方/年的流量下運(yùn)行，其外輸壓力約為11 200kPa（G），運(yùn)行點(diǎn)將落在大壓縮機(jī)運(yùn)行曲線內(nèi)，此時(shí)，小壓縮機(jī)的流量為18億方/年，也能夠正常運(yùn)行。不過此時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在運(yùn)行曲線的邊緣，但仍能包含在曲線范圍內(nèi)，大機(jī)組轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的60%，小機(jī)組轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的70%。上述分析說明，在該工況下大機(jī)組可以給小機(jī)組作為備用。如果參數(shù)稍有變化，其運(yùn)行點(diǎn)跳出性能曲線運(yùn)行范圍，也可以通過節(jié)流或打回流的方式來實(shí)現(xiàn)備用。
通過分析，所選壓縮機(jī)在實(shí)際配產(chǎn)及設(shè)計(jì)工況下均可以正常運(yùn)行，機(jī)組的運(yùn)行情況匯總?cè)绫?所示。
結(jié)論
1）本文詳細(xì)分析了多工況下大型離心壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，選擇出適合本項(xiàng)目的外輸天然氣壓縮機(jī)組配置方案；
2）對于實(shí)際配產(chǎn)與設(shè)計(jì)規(guī)模差距較大的外輸氣壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)，可采用大、小機(jī)組相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，充分利用小機(jī)組的便利性，提高機(jī)組運(yùn)行效率，同時(shí)采用大機(jī)組作為補(bǔ)充，當(dāng)氣量提升時(shí)，可切換到大機(jī)組運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 周守為. 南中國海深水開發(fā)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè),2008(12):10-15.
[2] 張鳳久.我國南海天然氣開發(fā)前景展望[J]. 天然氣工業(yè),2009(1):18-20.
[3] 王桂林,段夢蘭，馮瑋等.深海油氣田開發(fā)模式及控制因素分析 [J]. 海洋工程, 2011(3):139-145.
[4] 周曉紅,郝蘊(yùn)，衣華磊，等.荔灣3-1深水氣田開發(fā)中心平臺工藝設(shè)計(jì)若干問題研究[J]. 中國海上油氣, 2011(5):341-343.
[5] 徐志海.海洋平臺建造中重量、重心控制的意義和基本方法[J].船舶設(shè)計(jì)通訊, 2011(1):12-15.
[6] 王建豐,吳堯增.南海某深水氣田中心平臺天然氣外輸增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國海上油氣, 2012(1):55-59.
[7] 蔡曉軍,馬強(qiáng).海上平臺天然氣壓縮機(jī)選型關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].壓縮機(jī)技術(shù), 2011(5):25-27.
[8] 王雙全.離心壓縮機(jī)選型對使用效率的影響[J].風(fēng)機(jī)技術(shù), 1999(3):45-46.
[9] 王彤,谷傳綱.多工況多級離心壓縮機(jī)總體優(yōu)化命題的建模與數(shù)值方法[J]. 流體機(jī)械, 2002(2):21-26.
[10] 詹俊鋒.離心壓縮機(jī)優(yōu)化運(yùn)行[D].華東理工大學(xué)，2012.
[11] 王傳鑫.離心壓縮機(jī)綜合控制方法研究[D].大連理工大學(xué)， 2010.
[12] 王博,郭振霞.離心壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù), 2009(2):53-5
引言
南海是我國海上z*大的天然氣生產(chǎn)基地，隨著勘探開發(fā)技術(shù)進(jìn)步和工作量進(jìn)一步增加，預(yù)計(jì)未來南海天然氣儲量和生產(chǎn)能力將會快速增長。同時(shí)，隨著深水開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的海上天然氣也將被開發(fā)出來[1]。2006年，在位于南海珠江口盆地深水區(qū)的某構(gòu)造區(qū)塊獲得了重大天然氣發(fā)現(xiàn)，預(yù)測地質(zhì)儲量規(guī)模為1000×108～1500×108m3。該構(gòu)造位置深1500m，這標(biāo)志著我國海上油氣勘探作業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了由淺水向深水的跨越，也迎來了南海深水勘探的熱潮。目前,深水油氣田的勘探開發(fā)已成為世界跨國石油公司的投資熱點(diǎn),而深水油氣勘探開發(fā)也將成為我國海上未來z*重要的領(lǐng)域之一[2] 。
該大型氣田離淺水區(qū)不到100km，因而應(yīng)該采取水下井口的方式對該氣田進(jìn)行開發(fā)（圖1） ：將開采出的油氣混合物通過管線沿陸坡輸送到淺海，在淺海區(qū)域建立固定平臺進(jìn)行處理，再將天然氣輸送到陸地。這樣既可以加快油氣田的開采速度，又可以降低開發(fā)成本。
該模式已經(jīng)形成南海天然氣開發(fā)的主要模式，對于淺海區(qū)域的固定平臺，將作為深水天然氣輸往終端的加壓站，為深水天然氣的增壓輸送起到了至關(guān)重要的作用。此中轉(zhuǎn)增壓平臺的增壓工況既要考慮深水氣田開發(fā)的復(fù)雜性，又要為周邊其他氣田接入預(yù)留一定的能力，同時(shí)還需要考慮機(jī)組數(shù)量和重量對平臺面積及重量的影響，因此外輸壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)極其復(fù)雜[3-4]。
配置原則
外輸氣壓縮機(jī)位于海洋平臺上，該平臺屬于天然氣中轉(zhuǎn)平臺，接收周邊各深水氣田的天然氣，如圖2所示。
按照目前的工藝設(shè)置，中轉(zhuǎn)平臺接收來自氣區(qū)1的天然氣（濕氣），進(jìn)行脫水處理，同時(shí)接收來自氣區(qū)2的天然氣（干氣），兩者混合后經(jīng)增壓一同輸往陸上終端，此外，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮預(yù)留氣區(qū)的接入。海洋平臺區(qū)別于陸上的一個(gè)重要因素是空間限制，采用較多的機(jī)組固然可以提高靈活性，但是會造成平臺面積過大，成本大增，因此本壓縮機(jī)的配置原則如下：
1）滿足工藝條件要求；
2）減少平臺壓縮機(jī)臺數(shù)，控制平臺設(shè)備重量（在海洋工程項(xiàng)目中，重量的控制是項(xiàng)目管理中極其重要的一項(xiàng)內(nèi)容，重量控制的好壞直接影響整個(gè)項(xiàng)目是否成功[5]）；
3）合理處理實(shí)際產(chǎn)量與預(yù)留之間的關(guān)系（實(shí)際產(chǎn)量與平臺預(yù)留規(guī)模存在較大的差異）；
4）提高機(jī)組運(yùn)行效率、節(jié)能減排。
工況分析
由于氣田開發(fā)項(xiàng)目海上工程分兩期建設(shè)，一期設(shè)計(jì)規(guī)模為濕氣增壓80億方/年，干氣增壓100億方/年，二期建成后總設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到濕氣增壓120億方/年，干氣增壓120億方/年[2]。但是初期投產(chǎn)時(shí)，氣區(qū)1和氣區(qū)2的實(shí)際產(chǎn)量只有50億方/年，長距離、多工況海上增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的主要任務(wù)。本中轉(zhuǎn)平臺的壓縮流程如圖3所示。
圖中流程1：
由于2013～2015年，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力較高，約為7500kPa（G），因此，天然氣直接進(jìn)入三甘醇脫水塔，經(jīng)三甘醇脫水后與來自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。
圖中流程2：
從2016年開始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力降為2500kPa（G），此時(shí)，需設(shè)置濕氣壓縮機(jī)，天然氣經(jīng)濕氣壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。
圖中流程3：
預(yù)計(jì)從2019年開始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力將降為1000kPa（G）（與此同時(shí)產(chǎn)量也有所下降），此時(shí)需增設(shè)預(yù)增壓壓縮機(jī)，天然氣壓力被增壓升至2500kPa（G），然后進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)增壓，增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機(jī)增壓外輸。
由于濕氣壓縮機(jī)的壓比穩(wěn)定，只進(jìn)行簡單流量分配即可，本文著重分析干氣壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)，在干氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以上所有工況，其工況匯總?cè)缦拢簩?shí)際配產(chǎn)的逐年氣量及外輸壓力；設(shè)計(jì)規(guī)模下的逐年氣量及外輸壓力。
本平臺設(shè)計(jì)時(shí)，外輸管道的管徑z*終確定為762mm，在外輸管道管徑確定的情況下，外輸壓力隨著輸氣量的增加而增加，通過計(jì)算得出，外輸氣量為50億方/年時(shí)，外輸壓力約為11.2MPa（G）；外輸氣量為100億方/年時(shí)，外輸壓力約為19.5MPa（G）；外輸氣量達(dá)到120億方/年時(shí)，外輸壓力將達(dá)到22.8MPa（G），可以看出，其外輸壓力增加了一倍以上。同時(shí)，在考慮實(shí)際配產(chǎn)時(shí)，還需要考慮逐年的變化量，在可以確定的投產(chǎn)氣量中，2021年，氣量將下降到31億方/年，此時(shí)的外輸壓力僅為8.9MPa（G）。實(shí)際配產(chǎn)的逐年輸氣量及外輸壓力見圖4所示，從圖中可以看出，壓比變化范圍為1.2～1.6；實(shí)際工況點(diǎn)與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的對比見圖5所示，點(diǎn)1表示實(shí)際配產(chǎn)時(shí)的輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)2和3表示中間選取校核流量情況下的外輸氣量和外輸壓力（66億方/年和86億方/年），點(diǎn)4為設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到100億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)5表示設(shè)計(jì)規(guī)模達(dá)到120億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，從圖中可以看出，統(tǒng)籌考慮實(shí)際配產(chǎn)和設(shè)計(jì)規(guī)模時(shí)，其外輸壓力和壓比變化范圍過大，壓力從1.58變化到3.2。
本項(xiàng)目的難點(diǎn)在于，如何在滿足設(shè)計(jì)規(guī)模的條件下兼容z*小氣量要求。機(jī)組要求能夠滿足流量變化30～120億方/年的處理范圍，同時(shí)又對壓縮機(jī)的臺數(shù)有嚴(yán)格的限制，成為本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)瓶頸[7] 。
選型分析
離心壓縮機(jī)都有一個(gè)可以保證壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的工況范圍[8]。通常情況下，壓縮機(jī)的選型目標(biāo)為：1)希望效率z*高；2)希望工況范圍覆蓋盡量大；3)希望有z*低的成本；4)希望設(shè)備數(shù)量z*少。事實(shí)上，無論從優(yōu)化的理論分析或是從實(shí)際設(shè)計(jì)考慮，這幾個(gè)目標(biāo)是不可能同時(shí)達(dá)到z*優(yōu)的[9]。
本項(xiàng)目也是如此，壓縮機(jī)的選型原則和工況適應(yīng)性是不能同時(shí)達(dá)到z*優(yōu)的，如果考慮選型原則，為了減少平臺面積，必須減少運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量；如果考慮工況的適應(yīng)性，其運(yùn)行工況點(diǎn)多，參數(shù)變化大，必須設(shè)置較多的機(jī)組，才能夠使機(jī)組在較高的效率點(diǎn)運(yùn)行，并能覆蓋著所有工況點(diǎn)。本項(xiàng)目在與外方簽訂合同時(shí)，明確要求投產(chǎn)建造時(shí)，必須滿足一期的設(shè)計(jì)工況，即能夠達(dá)到100億方/年的壓縮能力，因此壓縮機(jī)的配置也必須能夠在該工況下運(yùn)行[10]。
表1列出了逐年氣量變化情況下及設(shè)計(jì)工況下干氣壓縮機(jī)組的壓比及所需的總軸功率。
從表1中可以看成，干氣壓縮機(jī)壓比變化范圍太大，只能采用分級壓縮，或者更換機(jī)組及后期換芯的方式實(shí)現(xiàn)，針對兩種不同的配置方式，進(jìn)行以下詳細(xì)比較。
1、方案一
由于壓比高，對干氣壓縮進(jìn)行兩級壓縮配置。綜合一期、二期外輸壓力要求，充分照顧壓比均分原則，按干氣一級壓縮機(jī)進(jìn)口壓力7.13MPa（G），出口19.5MPa（G）考慮，壓比2.71。干氣二級壓縮機(jī)進(jìn)口壓力19.5MPa（G），出口22.8MPa（G），壓比1.17。
1.1 干氣一級壓縮機(jī)
單臺流量約為25億方/年。按功率均分，驅(qū)動器選擇10MW等級燃汽輪機(jī)。一期考慮設(shè)置5臺機(jī)組，滿足一期外輸流量100億方/年時(shí)，4臺機(jī)組運(yùn)行，1臺備用。滿足z*初投產(chǎn)時(shí)，2臺機(jī)組運(yùn)行，3臺備用。二期預(yù)留1臺相同規(guī)格的壓縮機(jī)，二期達(dá)到120億方/年規(guī)模時(shí)，5臺機(jī)組運(yùn)行，1臺備用。
1.2 干氣二級壓縮機(jī)
干氣二級壓縮機(jī)為二期預(yù)留壓縮機(jī)組，當(dāng)產(chǎn)量超過100億方/年時(shí)，需要設(shè)置干氣二級壓縮機(jī)，用來給干氣一級壓縮機(jī)出口干氣增壓。單臺流量約為120億方/年，共設(shè)置2臺，1用1備，驅(qū)動器選擇10MW等級燃機(jī)。
1.3 匯總
方案一中，一期需要配置5臺機(jī)組，驅(qū)動器規(guī)模約在10MW級別，二期需要設(shè)置3臺機(jī)組，驅(qū)動器規(guī)模約在10MW級別。同時(shí)還需配置2臺后期的預(yù)增壓壓縮機(jī)，即方案一壓縮機(jī)總共需要設(shè)置10臺壓縮機(jī)組，單臺機(jī)組規(guī)模約為10MW級別。
2、方案二
由于可見產(chǎn)量遠(yuǎn)達(dá)不到一期及二期規(guī)模，因此，前期在壓縮機(jī)的配置上充分考慮目前實(shí)際的配產(chǎn)情況，并為后期預(yù)留一定的空間。
根據(jù)實(shí)際配產(chǎn)的情況，機(jī)組的軸功率較小，不到10MW，且2013年到2018年機(jī)組流量運(yùn)行較為穩(wěn)定，在46～50億方/年，2019年到2022年流量穩(wěn)定在30億方/年上下。根據(jù)項(xiàng)目需要，50億方/年和66億方/年流量是項(xiàng)目投產(chǎn)后z*有可能實(shí)現(xiàn)的工況點(diǎn)，而86億方/年、100億方/年和120 億方/年是項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)，因此保證這些流量點(diǎn)應(yīng)具有較高的壓縮機(jī)效率和燃機(jī)負(fù)荷率。
綜合考慮流量、壓比及實(shí)際配產(chǎn)情況，考慮配置2大2小的組合方案，即2臺小機(jī)組（10MW）滿足實(shí)際配產(chǎn)的運(yùn)行工況，且機(jī)組處于比較高效的運(yùn)行區(qū)間，2臺大機(jī)組(25MW)能夠兼顧實(shí)際配產(chǎn)的運(yùn)行，同時(shí)可以滿足100億方/年的外輸能力，此時(shí)需要增加1臺機(jī)組作為備用，二期產(chǎn)量能夠達(dá)到120億方/年時(shí)，將3臺大機(jī)組機(jī)芯進(jìn)行更換，增加壓比，同時(shí)再增加1臺大機(jī)組作為備用，而2臺小機(jī)組將考慮作為濕氣預(yù)增壓使用。因此，方案二總共需要配置6臺壓縮機(jī)組，其中2臺為預(yù)增壓壓縮機(jī)。這種方案針對不同階段特點(diǎn)采用不同的壓縮機(jī)策略方案，z*大優(yōu)點(diǎn)是: 1) 資源配置合理: 前期按照實(shí)際配產(chǎn)進(jìn)行配置，待氣量得到落實(shí)后進(jìn)一步設(shè)置機(jī)組；2) 壓縮機(jī)臺數(shù)少。
3、選型結(jié)論
從分析結(jié)果可以看出，方案一和方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)。
方案一機(jī)組適應(yīng)范圍較廣，一期按規(guī)模設(shè)置的機(jī)組能夠滿足前6年的實(shí)際配產(chǎn)要求，且達(dá)到100億規(guī)模時(shí)不需更換機(jī)組。但是方案一有以下缺點(diǎn)；
1）由于按照100億方/年規(guī)模的外輸壓力設(shè)置一級壓縮機(jī)，其壓比高達(dá)2.71，當(dāng)實(shí)際配產(chǎn)為50億方/年時(shí)，運(yùn)行工況下，壓比只有1.56，使得機(jī)組處于低效工況下運(yùn)行，燃機(jī)效率也較低，增加了平臺的能耗，在氣量得不到落實(shí)的情況下，機(jī)組將長期處于高能耗階段；
2）機(jī)組數(shù)量較多，機(jī)組數(shù)量達(dá)到了10臺，平臺占地面積較大，總重量較大，對平臺結(jié)構(gòu)的影響較大，也造成平臺投資的增加；
3）一級壓縮機(jī)按照高壓頭設(shè)置，當(dāng)流量小于50億方/年時(shí)，外輸壓頭降低，壓縮機(jī)無法正常運(yùn)行，必須提高壓頭，然后降壓外輸。
方案二的優(yōu)點(diǎn)如下：
1）2臺小壓縮機(jī)組滿足實(shí)際配產(chǎn)需求，機(jī)組效率高，運(yùn)行工況點(diǎn)好，機(jī)組占地空間小，待后期氣量落實(shí)后，2臺小壓縮機(jī)被4臺大壓縮機(jī)組替換，2臺小壓縮機(jī)組作為濕氣預(yù)增壓壓縮機(jī)使用；
2）2臺小機(jī)組工作范圍內(nèi)，壓比在1.51～1.57，換芯后壓比在1.20～1.30，運(yùn)行工作點(diǎn)相對集中，機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，逐年變化小，機(jī)組效率高；
3）4臺大機(jī)組在工作范圍內(nèi)，壓比在2.02～3.19，壓比在壓縮機(jī)可調(diào)范圍內(nèi)，運(yùn)行較為穩(wěn)定，覆蓋工況多。能夠滿足后期不同流量及壓比的運(yùn)行條件；
4） 該配置方案不僅減少了壓縮機(jī)臺數(shù)，而且有效的預(yù)防了在氣量得不到落實(shí)的情況下，一期盲目購買過多機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)。
其缺點(diǎn)為：
1）管線配置較為復(fù)雜；
2）一期氣量達(dá)到100億方/年運(yùn)行時(shí)，需要更換機(jī)組，對平臺的改造較為復(fù)雜。
綜合比較來看，方案二在機(jī)組數(shù)量、投資及運(yùn)行工況上均具有優(yōu)勢，且能夠同時(shí)滿足實(shí)際配產(chǎn)與設(shè)計(jì)規(guī)模的運(yùn)行工況，小機(jī)組的運(yùn)行效率較高，壓縮機(jī)處于高效區(qū)運(yùn)行，只是在實(shí)現(xiàn)操作過程中需要進(jìn)行更換機(jī)組和機(jī)芯，是能夠通過現(xiàn)場解決的，故推薦采用方案二作為干氣壓縮機(jī)配置方案，機(jī)組配置情況如圖6所示。
運(yùn)行工況點(diǎn)分析
雖然方案二的機(jī)組數(shù)量z*少，但是由于機(jī)組的運(yùn)行覆蓋范圍太廣，機(jī)組能否滿足所有工況點(diǎn)的運(yùn)行條件，還需要進(jìn)一步論證。根據(jù)z*終選擇的機(jī)組方案，對其運(yùn)行的各工況點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，圖7為小機(jī)組和大機(jī)組的性能曲線圖，圖中下面左側(cè)的性能曲線為小機(jī)組性能曲線，上部的為大機(jī)組性能曲線。
如圖7所示，下部50億的點(diǎn)為實(shí)際配產(chǎn)流量下的運(yùn)行點(diǎn)，此時(shí)，2臺小機(jī)組運(yùn)行，單臺機(jī)組流量約為25億方/年；當(dāng)產(chǎn)量為66億方/年時(shí)，小機(jī)組運(yùn)行工況區(qū)間為圖中標(biāo)志壓比為2.02的橫線（在小機(jī)組性能曲線內(nèi)），此時(shí)小機(jī)組流量區(qū)間約為25～29億方/年，同種工況下，大機(jī)組運(yùn)行工況區(qū)間為圖中標(biāo)志壓比為2.02的橫線（在大機(jī)組性能曲線內(nèi)），此時(shí)大機(jī)組流量區(qū)間約為37～41億方/年；當(dāng)流量超過66億方/年時(shí)，需要新增1臺大壓縮機(jī)組，在校核點(diǎn)工況，即86億方/年工況下，2臺大機(jī)組運(yùn)行，單臺機(jī)組流量約為43億方/年；在一期設(shè)計(jì)工況點(diǎn)2，即100億方/年產(chǎn)量時(shí)，2臺大壓縮機(jī)組運(yùn)行，單臺流量約為50億方/年；在二期工況時(shí)，再新增1臺大壓縮機(jī)組，單臺機(jī)組流量約為40億方/年。
下面對在50億方/年工況下大機(jī)組給小機(jī)組備用的工況進(jìn)行分析，如大壓縮機(jī)性能曲線所示，當(dāng)大機(jī)組給小機(jī)組做備用時(shí)，考慮大機(jī)組在32億方/年的流量下運(yùn)行，其外輸壓力約為11 200kPa（G），運(yùn)行點(diǎn)將落在大壓縮機(jī)運(yùn)行曲線內(nèi)，此時(shí)，小壓縮機(jī)的流量為18億方/年，也能夠正常運(yùn)行。不過此時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在運(yùn)行曲線的邊緣，但仍能包含在曲線范圍內(nèi)，大機(jī)組轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的60%，小機(jī)組轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的70%。上述分析說明，在該工況下大機(jī)組可以給小機(jī)組作為備用。如果參數(shù)稍有變化，其運(yùn)行點(diǎn)跳出性能曲線運(yùn)行范圍，也可以通過節(jié)流或打回流的方式來實(shí)現(xiàn)備用。
通過分析，所選壓縮機(jī)在實(shí)際配產(chǎn)及設(shè)計(jì)工況下均可以正常運(yùn)行，機(jī)組的運(yùn)行情況匯總?cè)绫?所示。
結(jié)論
1）本文詳細(xì)分析了多工況下大型離心壓縮機(jī)的選型設(shè)計(jì)，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，選擇出適合本項(xiàng)目的外輸天然氣壓縮機(jī)組配置方案；
2）對于實(shí)際配產(chǎn)與設(shè)計(jì)規(guī)模差距較大的外輸氣壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)，可采用大、小機(jī)組相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，充分利用小機(jī)組的便利性，提高機(jī)組運(yùn)行效率，同時(shí)采用大機(jī)組作為補(bǔ)充，當(dāng)氣量提升時(shí)，可切換到大機(jī)組運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 周守為. 南中國海深水開發(fā)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè),2008(12):10-15.
[2] 張鳳久.我國南海天然氣開發(fā)前景展望[J]. 天然氣工業(yè),2009(1):18-20.
[3] 王桂林,段夢蘭，馮瑋等.深海油氣田開發(fā)模式及控制因素分析 [J]. 海洋工程, 2011(3):139-145.
[4] 周曉紅,郝蘊(yùn)，衣華磊，等.荔灣3-1深水氣田開發(fā)中心平臺工藝設(shè)計(jì)若干問題研究[J]. 中國海上油氣, 2011(5):341-343.
[5] 徐志海.海洋平臺建造中重量、重心控制的意義和基本方法[J].船舶設(shè)計(jì)通訊, 2011(1):12-15.
[6] 王建豐,吳堯增.南海某深水氣田中心平臺天然氣外輸增壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國海上油氣, 2012(1):55-59.
[7] 蔡曉軍,馬強(qiáng).海上平臺天然氣壓縮機(jī)選型關(guān)鍵技術(shù)研究 [J].壓縮機(jī)技術(shù), 2011(5):25-27.
[8] 王雙全.離心壓縮機(jī)選型對使用效率的影響[J].風(fēng)機(jī)技術(shù), 1999(3):45-46.
[9] 王彤,谷傳綱.多工況多級離心壓縮機(jī)總體優(yōu)化命題的建模與數(shù)值方法[J]. 流體機(jī)械, 2002(2):21-26.
[10] 詹俊鋒.離心壓縮機(jī)優(yōu)化運(yùn)行[D].華東理工大學(xué)，2012.
[11] 王傳鑫.離心壓縮機(jī)綜合控制方法研究[D].大連理工大學(xué)， 2010.
[12] 王博,郭振霞.離心壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].風(fēng)機(jī)技術(shù), 2009(2):53-5
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