海上平台多工况大型离心压缩机的选型设计

2013-10-21安维峥中海油研究总院

风机技术 2013年2期

安维峥/中海油研究总院

赵新君/沈阳鼓风机集团股份有限公司

0 引言

南海是我国海上最大的天然气生产基地，随着勘探开发技术进步和工作量进一步增加，预计未来南海天然气储量和生产能力将会快速增长。同时，随着深水开发技术的不断进步，越来越多的海上天然气也将被开发出来[1]。2006年，在位于南海珠江口盆地深水区的某构造区块获得了重大天然气发现，预测地质储量规模为1 000×108～1 500×108m3。该构造位置深1 500m，这标志着我国海上油气勘探作业领域实现了由浅水向深水的跨越，也迎来了南海深水勘探的热潮。目前,深水油气田的勘探开发已成为世界跨国石油公司的投资热点,而深水油气勘探开发也将成为我国海上未来最重要的领域之一[1]。

图1 气田开发示意图

该大型气田离浅水区不到100km，因而应该采取水下井口的方式对该气田进行开发(图1) ：将开采出的油气混合物通过管线沿陆坡输送到浅海，在浅海区域建立固定平台进行处理，再将天然气输送到陆地。这样既可以加快油气田的开采速度，又可以降低开发成本。

该模式已经形成南海天然气开发的主要模式，对于浅海区域的固定平台，将作为深水天然气输往终端的加压站，为深水天然气的增压输送起到了至关重要的作用。此中转增压平台的增压工况既要考虑深水气田开发的复杂性，又要为周边其他气田接入预留一定的能力，同时还需要考虑机组数量和重量对平台面积及重量的影响，因此外输压缩机的设计极其复杂[3-4]。

1 配置原则

外输气压缩机位于海洋平台上，该平台属于天然气中转平台，接收周边各深水气田的天然气，如图2所示。

图2 中转平台示意图

按照目前的工艺设置，中转平台接收来自气区1 的天然气（湿气），进行脱水处理，同时接收来自气区2的天然气（干气），两者混合后经增压一同输往陆上终端，此外，设计时还需要考虑预留气区的接入。海洋平台区别于陆上的一个重要因素是空间限制，采用较多的机组固然可以提高灵活性，但是会造成平台面积过大，成本大增，因此本压缩机的配置原则如下：

1）满足工艺条件要求；

2）减少平台压缩机台数，控制平台设备重量（在海洋工程项目中，重量的控制是项目管理中极其重要的一项内容，重量控制的好坏直接影响整个项目是否成功[5]）；

3）合理处理实际产量与预留之间的关系（实际产量与平台预留规模存在较大的差异）；

4）提高机组运行效率、节能减排。

2 工况分析

由于气田开发项目海上工程分两期建设，一期设计规模为湿气增压80亿方/年，干气增压100亿方/年，二期建成后总设计规模达到湿气增压120 亿方/年，干气增压120 亿方/年[2]。但是初期投产时，气区1和气区2的实际产量只有50亿方/年，长距离、多工况海上增压系统的设计是本项目的主要任务。本中转平台的压缩流程如图3所示。

图3 压缩系统流程图

图中流程1：

由于2013～2015年，深水气田1 湿气登陆中心平台压力较高，约为7 500kPa（G），因此，天然气直接进入三甘醇脱水塔，经三甘醇脱水后与来自气田2 的干气汇合后，由干气压缩机增压外输。

图中流程2：

从2016年开始，深水气田1湿气登陆中心平台压力降为2 500kPa（G），此时，需设置湿气压缩机，天然气经湿气压缩机增压后进入三甘醇脱水塔，再与来自气田2 的干气汇合后，由干气压缩机增压外输。

图中流程3：

从2019年开始，深水气田1湿气登陆中心平台压力降为1 000kPa（G）（与此同时产量也有所下降），此时需增设预增压压缩机，天然气压力被增压升至2 500kPa（G），然后进入湿气压缩机增压，增压后进入三甘醇脱水塔，再与来自气田2的干气汇合后，由干气压缩机增压外输。

由于湿气压缩机的压比稳定，只进行简单流量分配即可，本文着重分析干气压缩机的选型设计，在干气压缩机的设计时必须考虑以上所有工况，其工况汇总如下：实际配产的逐年气量及外输压力；

设计规模下的逐年气量及外输压力。

本平台设计时，外输管道的管径最终确定为762mm，在外输管道管径确定的情况下，外输压力随着输气量的增加而增加，通过计算得出，外输气量为50 亿方/年时，外输压力约为11.2MPa（G）；外输气量为100 亿方/年时，外输压力约为19.5MPa（G）；外输气量达到120 亿方/年时，外输压力将达到22.8MPa（G），可以看出，其外输压力增加了一倍以上。同时，在考虑实际配产时，还需要考虑逐年的变化量，在可以确定的投产气量中，2021年，气量将下降到31 亿方/年，此时的外输压力仅为8.9MPa（G）。实际配产的逐年输气量及外输压力见图4所示，从图中可以看出，压比变化范围为1.2～1.6；实际工况点与设计工况点的对比见图5 所示，点1 表示实际配产时的输气量和外输压力，点2 和3 表示中间选取校核流量情况下的外输气量和外输压力（66 亿方/年和86亿方/年），点4为设计规模达到100亿方/年时的外输气量和外输压力，点5表示设计规模达到120亿方/年时的外输气量和外输压力，从图中可以看出，统筹考虑实际配产和设计规模时，其外输压力和压比变化范围过大，压力从1.58变化到3.2。

图4 实际配产逐年产量及外输压比

图5 实际配产与设计规模对比

本项目的难点在于，如何在满足设计规模的条件下兼容最小气量要求。机组要求能够满足流量变化30～120 亿方/年的处理范围，同时又对压缩机的台数有严格的限制，成为本项目的设计瓶颈[7]。

3 选型分析

离心压缩机都有一个可以保证压缩机稳定运行的工况范围[8]。通常情况下，压缩机的选型目标为：1)希望效率最高；2)希望工况范围覆盖尽量大；3)希望有最低的成本；4)希望设备数量最少。事实上，无论从优化的理论分析或是从实际设计考虑，这几个目标是不可能同时达到最优的[9]。

本项目也是如此，压缩机的选型原则和工况适应性是不能同时达到最优的，如果考虑选型原则，为了减少平台面积，必须减少运行的机组数量；如果考虑工况的适应性，其运行工况点多，参数变化大，必须设置较多的机组，才能够使机组在较高的效率点运行，并能覆盖着所有工况点。本项目在与外方签订合同时，明确要求投产建造时，必须满足一期的设计工况，即能够达到100亿方/年的压缩能力，因此压缩机的配置也必须能够在该工况下运行[10]。

表1 列出了逐年气量变化情况下及设计工况下干气压缩机组的压比及所需的总轴功率。

表1 压缩机组所需总轴功率

从表1中可以看成，干气压缩机压比变化范围太大，只能采用分级压缩，或者更换机组及后期换芯的方式实现，针对两种不同的配置方式，进行以下详细比较。

3.1 方案一

由于压比高，对干气压缩进行两级压缩配置。综合一期、二期外输压力要求，充分照顾压比均分原则，按干气一级压缩机进口压力7.13MPa（G），出口19.5MPa（G）考虑，压比2.71。干气二级压缩机进口压力19.5MPa（G），出口22.8MPa（G），压比1.17。

3.1.1 干气一级压缩机

单台流量约为25 亿方/年。按功率均分，驱动器选择10MW等级燃汽轮机。一期考虑设置5台机组，满足一期外输流量100亿方/年时，4台机组运行，1台备用。满足最初投产时，2台机组运行，3台备用。二期预留1台相同规格的压缩机，二期达到120亿方/年规模时，5台机组运行，1台备用。

3.1.2 干气二级压缩机

干气二级压缩机为二期预留压缩机组，当产量超过100亿方/年时，需要设置干气二级压缩机，用来给干气一级压缩机出口干气增压。单台流量约为120亿方/年，共设置2台，1用1备，驱动器选择10MW等级燃机。

3.1.3 汇总

方案一中，一期需要配置5 台机组，驱动器规模约在10MW级别，二期需要设置3台机组，驱动器规模约在10MW级别。同时还需配置2台后期的预增压压缩机，即方案一压缩机总共需要设置10 台压缩机组，单台机组规模约为10MW 级别。

3.2 方案二

由于可见产量远达不到一期及二期规模，因此，前期在压缩机的配置上充分考虑目前实际的配产情况，并为后期预留一定的空间。

根据实际配产的情况，机组的轴功率较小，不到10MW，且2013年到2018年机组流量运行较为稳定，在46～50亿方/年，2019年到2022年流量稳定在30 亿方/年上下。根据项目需要，50 亿方/年和66 亿方/年流量是项目投产后最有可能实现的工况点，而86 亿方/年、100 亿方/年和120亿方/年是项目的关键设计点，因此保证这些流量点应具有较高的压缩机效率和燃机负荷率。

综合考虑流量、压比及实际配产情况，考虑配置2大2小的组合方案，即2台小机组（10MW）满足实际配产的运行工况，且机组处于比较高效的运行区间，2台大机组(25MW)能够兼顾实际配产的运行，同时可以满足100 亿方/年的外输能力，此时需要增加1 台机组作为备用，二期产量能够达到120亿方/年时，将3台大机组机芯进行更换，增加压比，同时再增加1 台大机组作为备用，而2 台小机组将考虑作为湿气预增压使用。因此，方案二总共需要配置6台压缩机组，其中2台为预增压压缩机。这种方案针对不同阶段特点采用不同的压缩机策略方案，最大优点是：1)资源配置合理：前期按照实际配产进行配置，待气量得到落实后进一步设置机组；2) 压缩机台数少。

3.3 选型结论

从分析结果可以看出，方案一和方案二各有优缺点。

方案一机组适应范围较广，一期按规模设置的机组能够满足前6年的实际配产要求，且达到100 亿规模时不需更换机组。但是方案一有以下缺点；

1）由于按照100亿方/年规模的外输压力设置一级压缩机，其压比高达2.71，当实际配产为50 亿方/年时，运行工况下，压比只有1.56，使得机组处于低效工况下运行，燃机效率也较低，增加了平台的能耗，在气量得不到落实的情况下，机组将长期处于高能耗阶段；

2）机组数量较多，机组数量达到了10 台，平台占地面积较大，总重量较大，对平台结构的影响较大，也造成平台投资的增加；

3）一级压缩机按照高压头设置，当流量小于50亿方/年时，外输压头降低，压缩机无法正常运行，必须提高压头，然后降压外输。

方案二的优点如下：

1）2台小压缩机组满足实际配产需求，机组效率高，运行工况点好，机组占地空间小，待后期气量落实后，2 台小压缩机被4 台大压缩机组替换，2台小压缩机组作为湿气预增压压缩机使用；

2）2 台小机组工作范围内，压比在1.51～1.57，换芯后压比在1.20～1.30，运行工作点相对集中，机组转速稳定，逐年变化小，机组效率高；

3）4 台大机组在工作范围内，压比在2.02～3.19，压比在压缩机可调范围内，运行较为稳定，覆盖工况多。能够满足后期不同流量及压比的运行条件；

4）该配置方案不仅减少了压缩机台数，而且有效的预防了在气量得不到落实的情况下，一期盲目购买过多机组的风险。

其缺点为：

1）管线配置较为复杂；

2）一期气量达到100 亿方/年运行时，需要更换机组，对平台的改造较为复杂。

综合比较来看，方案二在机组数量、投资及运行工况上均具有优势，且能够同时满足实际配产与设计规模的运行工况，小机组的运行效率较高，压缩机处于高效区运行，只是在实现操作过程中需要进行更换机组和机芯，是能够通过现场解决的，故推荐采用方案二作为干气压缩机配置方案，机组配置情况如图6所示。

图6 机组配置方案

4 运行工况点分析

虽然方案二的机组数量最少，但是由于机组的运行覆盖范围太广，机组能否满足所有工况点的运行条件，还需要进一步论证。根据最终选择的机组方案，对其运行的各工况点进行详细分析，图7 为小机组和大机组的性能曲线图，图中下面左侧的性能曲线为小机组性能曲线，上部的为大机组性能曲线。

如图7 所示，下部50 亿的点为实际配产流量下的运行点，此时，2台小机组运行，单台机组流量约为25 亿方/年；当产量为66 亿方/年时，小机组运行工况区间为图中标志压比为2.02 的横线（在小机组性能曲线内），此时小机组流量区间约为25～29 亿方/年，同种工况下，大机组运行工况区间为图中标志压比为2.02的横线（在大机组性能曲线内），此时大机组流量区间约为37～41亿方/年；当流量超过66亿方/年时，需要新增1台大压缩机组，在校核点工况，即86 亿方/年工况下，2台大机组运行，单台机组流量约为43亿方/年；在一期设计工况点2，即100亿方/年产量时，2台大压缩机组运行，单台流量约为50亿方/年；在二期工况时，再新增1 台大压缩机组，单台机组流量约为40亿方/年。

图7 压缩机性能曲线

下面对在50 亿方/年工况下大机组给小机组备用的工况进行分析，如大压缩机性能曲线所示，当大机组给小机组做备用时，考虑大机组在32 亿方/年的流量下运行，其外输压力约为11 200 kPa（G），运行点将落在大压缩机运行曲线内，此时，小压缩机的流量为18 亿方/年，也能够正常运行。不过此时压缩机运行点在运行曲线的边缘，但仍能包含在曲线范围内，大机组转速约为额定转速的60%，小机组转速约为额定转速的70%。上述分析说明，在该工况下大机组可以给小机组作为备用。如果参数稍有变化，其运行点跳出性能曲线运行范围，也可以通过节流或打回流的方式来实现备用。

通过分析，所选压缩机在实际配产及设计工况下均可以正常运行，机组的运行情况汇总如表2所示。