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(中海油研究總院, 北京 100028)

海上氣田區(qū)域開(kāi)發(fā)多工況外輸壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

楊風(fēng)允，秦小剛，侯廣信，王文祥，杜佳

(中海油研究總院,北京100028)

分析海上氣田外輸壓縮機(jī)不同運(yùn)行工況的工藝參數(shù)特點(diǎn)，綜合考慮設(shè)備初始投資、設(shè)備總投資、燃料消耗、設(shè)備占地面積、設(shè)備重量以及后期改造的施工費(fèi)用等影響因素，對(duì)不同方案進(jìn)行比選分析，提出數(shù)量少、投資低的優(yōu)化方案，節(jié)省項(xiàng)目投資。

海上氣田；天然氣；外輸壓縮機(jī)；選型設(shè)計(jì)

0 引 言

區(qū)域開(kāi)發(fā)是海上氣田開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)，其開(kāi)發(fā)模式有帶FLNG的全海式開(kāi)發(fā)和通過(guò)海底管線上岸的半海半陸式的開(kāi)發(fā)等[1-5]，其中，F(xiàn)LNG裝置目前還處于技術(shù)研究階段，暫未投入使用，現(xiàn)階段采用半海半陸式的氣田開(kāi)發(fā)模式較多[6-8]。

海底管線成本較高，且隨著水深和離岸距離的增加，成本問(wèn)題更加凸顯。將區(qū)域內(nèi)的天然氣統(tǒng)一輸送至外輸中心平臺(tái)，通過(guò)共同的海底管線輸往陸地終端是海上氣田區(qū)域開(kāi)發(fā)模式的顯著特征之一[9]，但同時(shí)也使得外輸中心平臺(tái)的天然氣外輸壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。外輸壓縮機(jī)的出口壓力由海管背壓決定，隨著區(qū)域內(nèi)氣田的逐步開(kāi)發(fā)，海管輸量逐步變大，輸送壓力逐步提高，達(dá)到區(qū)域的規(guī)模產(chǎn)量時(shí)必然導(dǎo)致天然氣外輸壓縮機(jī)的出口壓力較高，遠(yuǎn)大于區(qū)域開(kāi)發(fā)初期的外輸壓力，外輸壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需選擇合理的配置以滿足這些工況。

本文通過(guò)分析該氣田外輸壓縮機(jī)不同運(yùn)行工況的工藝參數(shù)特點(diǎn)，綜合考慮設(shè)備初始投資、設(shè)備總投資、燃料消耗、設(shè)備占地面積、設(shè)備重量以及后期改造的施工費(fèi)用等影響因素，對(duì)不同方案進(jìn)行比選分析后，提出了臺(tái)數(shù)少、投資低的優(yōu)化方案，節(jié)省項(xiàng)目投資。

1 壓縮機(jī)選型基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)思路

1.1 壓縮機(jī)選型基礎(chǔ)

某海上氣田區(qū)域開(kāi)發(fā)中新建中心平臺(tái)作為區(qū)域的外輸中心，平臺(tái)上配置有天然氣壓縮機(jī)，其特點(diǎn)是須滿足氣田區(qū)域開(kāi)發(fā)過(guò)程中的多種工況。中心平臺(tái)實(shí)際天然氣配產(chǎn)最大為25億m3/a，典型年份產(chǎn)量和外輸壓力見(jiàn)表1。

表1 天然氣外輸壓縮機(jī)逐年運(yùn)行工況

天然氣外輸壓縮機(jī)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2?？紤]一定的工藝設(shè)計(jì)系數(shù)，中心平臺(tái)的設(shè)計(jì)規(guī)模為30億m3/a，即表2中的規(guī)模工況1。外輸壓縮機(jī)應(yīng)滿足區(qū)域全部投產(chǎn)后集中外輸時(shí)的高外輸壓力25 MPaA，即表2中的規(guī)模工況2。

表2 天然氣外輸壓縮機(jī)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)計(jì)思路

分析壓縮機(jī)不同工況下的工藝參數(shù)，確定壓縮機(jī)的形式、驅(qū)動(dòng)形式和串并聯(lián)方式等；根據(jù)不同工況分別進(jìn)行壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，初步進(jìn)行方案排除，以減少后續(xù)方案比選的工作量。

分析并總結(jié)影響海上平臺(tái)壓縮機(jī)方案選型設(shè)計(jì)的因素，對(duì)不同方案進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析，綜合考慮推薦出優(yōu)選方案。

2 壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 外輸壓縮機(jī)的特點(diǎn)和初步選型

經(jīng)過(guò)初步的壓比、壓縮機(jī)進(jìn)出口實(shí)際體積流量、壓縮功等計(jì)算，該氣田項(xiàng)目壓縮機(jī)的特點(diǎn)和初步選型如下：(1)壓縮機(jī)壓比適中，所有工況下壓比均小于3，壓縮功較高，總的壓縮功約為16 MW，宜配置離心壓縮機(jī)組?？紤]到電驅(qū)離心壓縮機(jī)在國(guó)內(nèi)海上平臺(tái)的應(yīng)用較少，推薦采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組作為外輸壓縮機(jī)。(2)規(guī)模工況2中壓縮機(jī)出口壓力達(dá)25 MPaA，在此壓力下實(shí)際體積流量相對(duì)較小，需采用小直徑的葉輪，單級(jí)葉輪的壓比和效率較低，在不足3的壓比下需要7～8級(jí)葉輪才能滿足要求。經(jīng)與多個(gè)壓縮機(jī)廠家核實(shí)，僅一級(jí)壓縮較難實(shí)現(xiàn)，即無(wú)法通過(guò)一根轉(zhuǎn)子帶動(dòng)所需的7～8級(jí)葉輪實(shí)現(xiàn)壓縮(部分廠家的back-to-back機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)，但是考慮壓縮機(jī)需適應(yīng)復(fù)雜的工況以及更多的廠家選擇性，暫不考慮該情況)，而需要串級(jí)壓縮。(3)經(jīng)壓縮機(jī)工藝參數(shù)的初步分析，可以將逐年實(shí)際配產(chǎn)下的壓縮機(jī)工況和規(guī)模工況1的選型統(tǒng)一考慮，達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)再進(jìn)行改造或增加壓縮機(jī)。

2.2 壓縮機(jī)方案

通過(guò)初步分析，該氣田外輸壓縮機(jī)推薦采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的離心壓縮機(jī)組作為外輸壓縮機(jī)，且需要串級(jí)壓縮。根據(jù)不同工況的工藝參數(shù)，確定壓縮機(jī)方案。

2.2.1 兩級(jí)串聯(lián)(方案1)

以典型年份實(shí)際配產(chǎn)和規(guī)模工況1考慮配置壓縮機(jī)，鑒于逐年的流量相差不大，壓比相對(duì)穩(wěn)定，配置2臺(tái)壓縮機(jī)，1用1備，壓縮機(jī)配置方案如圖1a)所示。

圖1 方案1壓縮機(jī)配置

為滿足規(guī)模工況2，需在此基礎(chǔ)上串聯(lián)一級(jí)壓縮機(jī)，以滿足25 MPaA的出口壓力，此時(shí)共配置4臺(tái)壓縮機(jī)，2用2備，如圖1b)所示。

需要說(shuō)明的是，由于第1級(jí)和第2級(jí)壓縮機(jī)的入口、出口壓力相差較大，且壓縮機(jī)實(shí)際體積流量較小，單級(jí)葉輪壓比和效率都較低，2種壓縮機(jī)皆為多級(jí)小葉輪壓縮機(jī)，經(jīng)咨詢多個(gè)壓縮機(jī)廠家，第1級(jí)和第2級(jí)壓縮機(jī)無(wú)法互相作為備用機(jī)，因此為第1級(jí)和第2級(jí)壓縮機(jī)找1臺(tái)共同的備用機(jī)而節(jié)省1臺(tái)機(jī)組的方案在技術(shù)上不可行，不予考慮[10-12]。

2.2.2 一拖二(方案2)

前期為滿足實(shí)際配產(chǎn)和規(guī)模工況1，只需要先上每臺(tái)壓縮機(jī)組中的第1級(jí)壓縮機(jī)，預(yù)留串聯(lián)的第2級(jí)壓縮機(jī)和齒輪箱(如果需要)，并考慮相應(yīng)橇座的空間和滑油、控制等輔助系統(tǒng)。配置3臺(tái)壓縮機(jī)，2用1備。方案如圖2a)所示。

選型主要考慮最終的規(guī)模工況2，達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)配置3臺(tái)壓縮機(jī)組，2用1備，每臺(tái)機(jī)組包含1臺(tái)透平驅(qū)動(dòng)2臺(tái)串聯(lián)的壓縮機(jī)。配置如圖2b)所示。

圖2 方案2壓縮機(jī)配置

2.2.3 一拖二換芯(方案3)

考慮到方案1和方案2中驅(qū)動(dòng)器基本一致，方案3將前期實(shí)際工況和規(guī)模工況1按照方案1進(jìn)行配置，2臺(tái)壓縮機(jī)組，1用1備，驅(qū)動(dòng)器按照方案2中的驅(qū)動(dòng)器配置，這樣可以優(yōu)化前期的壓縮機(jī)組臺(tái)數(shù)和總的壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)。

實(shí)際工況和規(guī)模工況1的配置為2臺(tái)壓縮機(jī)組，1用1備，單臺(tái)30億m3/a，需考慮一拖二相應(yīng)橇座的空間和滑油、控制等輔助系統(tǒng)。壓縮機(jī)配置如圖3a)所示。

圖3 方案3壓縮機(jī)配置

達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)，為已配置的2臺(tái)壓縮機(jī)換芯，滿足單臺(tái)15億m3/a的能力，并增加這2臺(tái)壓縮機(jī)組的第2級(jí)壓縮機(jī)和第3臺(tái)壓縮機(jī)組。配置如圖3b)所示。

2.2.4 小機(jī)組一拖二(方案4)

鑒于方案2中配置的透平機(jī)組較大，實(shí)際工況和規(guī)模工況1時(shí)，透平的負(fù)荷率很低，基本在30%以下，方案4的配置思路是配置較小的透平。當(dāng)達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)，出口壓力增加，由于驅(qū)動(dòng)器的功率不足，需要降低單系列機(jī)組的處理量，在增加第2級(jí)壓縮機(jī)的同時(shí)還需要增加1個(gè)壓縮機(jī)組系列。

實(shí)際工況和規(guī)模工況1時(shí)的壓縮機(jī)配置為3臺(tái)小的透平驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，2用1備，同時(shí)考慮好一拖二相應(yīng)橇座的空間和滑油、控制等輔助系統(tǒng)。壓縮配置如圖4a)所示。

圖4 方案4壓縮機(jī)配置

達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)，出口壓力增加，由于驅(qū)動(dòng)器的功率不足，需要降低單系列機(jī)組的處理量，在增加第2級(jí)壓縮機(jī)的同時(shí)還需要增加1個(gè)壓縮機(jī)組系列，共4臺(tái)，3用1備。配置如圖4b)所示。

2.3 方案對(duì)比

海上平臺(tái)的壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)，不僅受初始投資、設(shè)備總投資以及燃料消耗的影響，還應(yīng)考慮海上施工(包括前期平臺(tái)安裝和后期改造施工)的影響。

海上平臺(tái)的安裝一般有吊裝和浮拖2種方式。不論哪種方式，都對(duì)安裝重量有嚴(yán)格的限制要求。燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組設(shè)備的自重及其占用平臺(tái)面積帶來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)重量對(duì)海上平臺(tái)安裝方案有直接影響。因此，應(yīng)盡量?jī)?yōu)化壓縮機(jī)組的臺(tái)數(shù)以及前期配置的數(shù)量，將其對(duì)海上安裝的影響降至最低。

壓縮機(jī)后期的改造，不僅涉及到設(shè)備自身的改造費(fèi)用，還涉及到海上施工的工程量，海上平臺(tái)的吊機(jī)最大吊裝能力一般在30 t左右，可以完成壓縮機(jī)換芯等工作，但基本無(wú)法完整大型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組的安裝，此時(shí)需要考慮動(dòng)用大型浮吊資源的施工費(fèi)用，并考慮相關(guān)的動(dòng)復(fù)員費(fèi)用等。不同壓縮機(jī)方案的比選見(jiàn)表3。

表3 中心平臺(tái)外輸干氣壓縮機(jī)配置方案對(duì)比

由表3可以看出：(1)方案1的特點(diǎn)是初始投資最低、前期運(yùn)行工況較好、透平負(fù)荷率較高、燃料消耗最省、不需要壓縮機(jī)的改造，但是存在總體投資高、設(shè)備占地和重量最大、低流量工況下操作靈活性差、后期達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)增加二級(jí)壓縮機(jī)需要?jiǎng)佑酶〉踬Y源等缺點(diǎn)。

(2)方案2的優(yōu)點(diǎn)是所需透平驅(qū)動(dòng)器數(shù)量少、壓縮機(jī)組數(shù)量少、總投資最低、壓縮機(jī)組總占地面積少、總重量輕、不需要壓縮機(jī)的改造，且達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)增加第2級(jí)壓縮機(jī)時(shí)不需要?jiǎng)佑酶〉踬Y源，使用平臺(tái)吊機(jī)即可完成第2級(jí)壓縮機(jī)的安裝，但是存在初始投資最高、前期透平負(fù)荷率較低、燃料消耗高、運(yùn)行穩(wěn)定性差、需要進(jìn)氣節(jié)流或者先打高壓力再節(jié)流運(yùn)行的缺點(diǎn)。

(3)方案3的優(yōu)點(diǎn)是所需透平驅(qū)動(dòng)器數(shù)量少、壓縮機(jī)組數(shù)量少，實(shí)際工況和規(guī)模工況1下透平負(fù)荷率相對(duì)較高、燃料消耗相對(duì)較少，壓縮機(jī)組總占地面積少、總重量輕，初始投資較低，僅比方案1多了2臺(tái)加長(zhǎng)底座和擴(kuò)容輔助系統(tǒng)的費(fèi)用，但是存在達(dá)到規(guī)模工況2時(shí)壓縮機(jī)需要換芯，在增加第3臺(tái)壓縮機(jī)組時(shí)需要?jiǎng)佑酶〉踬Y源的缺點(diǎn)。

(4)方案4的優(yōu)點(diǎn)是前期運(yùn)行工況較好，后期假如存在低流量工況操作靈活性較高，單臺(tái)15億m3/a的壓縮機(jī)基本能夠適應(yīng)單臺(tái)10億m3/a的工況，達(dá)到規(guī)模工況時(shí)無(wú)需換芯，但是存在所需透平臺(tái)數(shù)多，壓縮機(jī)組臺(tái)數(shù)多，初始投資較高，總占地面積大，總重量大，達(dá)到規(guī)模工況2增加第4臺(tái)壓縮機(jī)時(shí)需要?jiǎng)佑酶〉踬Y源的缺點(diǎn)。

綜合考慮上述不同方案優(yōu)缺點(diǎn)，本文推薦采用方案3：前期配置2臺(tái)30億m3/a的機(jī)組，后期對(duì)已配置的2臺(tái)壓縮機(jī)換芯，滿足單臺(tái)15億m3/a的能力，并增加這2臺(tái)壓縮機(jī)組的第2級(jí)壓縮機(jī)和第3臺(tái)壓縮機(jī)組的最優(yōu)方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于某海上氣田區(qū)域開(kāi)發(fā)新建中心平臺(tái)外輸壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，分析其多工況下出口壓力的需求，總結(jié)海上平臺(tái)用壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素，包括設(shè)備初始投資、設(shè)備總投資、燃料消耗，設(shè)備占地面積、設(shè)備重量以及后期改造的施工費(fèi)用等。最后經(jīng)過(guò)比選研究，提出1種方案，該方案前期配置滿足實(shí)際工況，并預(yù)留串聯(lián)第2級(jí)壓縮機(jī)空間，在達(dá)到規(guī)模工況后對(duì)第1級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行改造，并新增第2級(jí)壓縮機(jī)，為后續(xù)的海上氣田區(qū)域開(kāi)發(fā)壓縮機(jī)選型提供參考。

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Multi-ConditionNatureGasExportCompressorDesignofOffshoreGasFieldRegionalDevelopment

YANG Fengyun, QIN Xiaogang, HOU Guangxin, WANG Wenxiang, DU Jia

(China National Offshore Oil Corporation Research Institute, Beijing 100028, China)

There are more factors needed to consider when designing compressor of offshore platform such as initial equipment investment,overall equipment investment,fuel consumption,area occupied,weight,cost of future reconstruction, and so on. After detailed comparison,the less number of the compressors and low investment optimization scheme are recommended, which saves a lot of investment for the project.

offshore gas field; nature gas; export compressor； selection and design

1001-4500(2017)06-0020-06

2017-02-10

楊風(fēng)允(1987-)，男，工程師

TE977

A