集成式透平压缩机在海底压缩的应用

（1.曼恩能源方案有限公司；2.MAN Energy Solutions Schweiz AG）

0 引言

集成式压缩机其发展起始于20世纪80年代。1990年，MAN公司生产了第一台集成式压缩机MOPICO®（Moter Pipeline Compressor的简写），并投入商业运行，首次将磁悬浮、变频、离心压缩机等成熟技术进行有效集成，实现了离心机的超宽范围变频调节，成为压缩机技术史上最为节能环保的绿色机型[1-2]。随后，MAN公司于1991年发展出了世界第一台多级集成式压缩机HOFIMTMstandalone（无油，无中间齿轮箱，有轴端密封）。并且，最终于2000年发展出了世界第一台真正意义上的多级集成式压缩机HOFIMTM(High speed Oil Free Integrated Motor compressor的简写)。最初集成式压缩机的应用主要集中于天然气管道和地下储气库，之后不断的向炼油、石化领域拓展。2015年9月，由MAN公司生产的第一台正式投入商业运行的海底压缩机在Asgard项目成功运行，标志着集成式压缩机发展的一个新时代的到来。

1 基本结构

最初的设计可称之为无油压缩机：压缩机本体类似于传统的筒式压缩机，只是轴承换成磁悬浮轴承，通过联轴器与高速电机直接相连[3]。随后改进为集成式压缩机：对电机和压缩机缸体实施一体化处理，消除了突出缸外的轴伸端，并取消了轴端密封系统，从而大大提高了压缩机的可靠性，并且可以保证整机无泄漏。这样的设计仅保留了本质上必须保留的部件，如：电机、轴、叶轮、轴承和机壳。并且使得压缩机组的占地面积更小，安装调试更方便[4]。图1为集成式压缩机示意图，电机位于中间，压缩机高压缸和低压缸位于电机两端，径向和推力轴承均使用磁悬浮轴承。图2为集成式压缩机系统示意图，变频驱动高速电机，电机使用工艺气体进行冷却。

图1 集成式压缩机示意图Fig.1 Hermetically Sealed Compressor sketch

图2 集成式压缩机系统示意图Fig.2 Hermetically Sealed Compressor system sketch

在实际应用中，根据应用场合需要及用户参数的高低，高压缸或低压缸可以变为单级悬臂形式（此时取消压缩机非驱动端的轴承）；或者仅有单缸压缩机的形式（电机单轴伸）。而通过不同的缸和悬臂叶轮的组合可以适用于不同的压比和流量范围需求。图3表示了不同缸和悬臂叶轮组合及其流量压力应用情况。

图3 串并联运行及其流量压比应用Fig.3 Series/parallel operation and flow/pressure ratio application

2 起源及其技术优势

集成式压缩机最初的目标市场是天然气管道压缩及天然气存储市场，其要求是有灵活的储气能力、高性能，每年有多个周期注气及回收。而相应的要求压缩机系统有如下属性：

可靠性——最小化非计划停机；

可用性——要求极少的计划检修时间；

灵活性——广阔的运行范围（流量及压力范围）；

响应能力——能够快速响应变化的运行条件；

竞争力——低运行周期成本；

环境责任——运行时不影响环境也不受环境影响。

为了满足这些要求，一个全新的压缩机系统——集成式压缩机系统便应运而生。

2.1 可靠性

压缩机系统的可靠性可以通过减少机组系统组件得到极大的提高。高速电机可以直接驱动压缩机，因而不再需要配备增速齿轮箱或调速行星齿轮等中间机构；磁悬浮轴承的使用，消除了转子和定子间的摩擦，因此可以取消润滑油系统；电机和压缩机缸体实施一体化密封处理，整个机组就没有伸出缸体的轴伸端，因此无需干气密封（轴端密封）及其配套的干气密封系统，而经验证明干气密封在传统压缩机技术上是可靠性最差的部件。集成式压缩机设计取消了轴端密封和润滑轴承及其配套辅助系统，从而提高了机组的可靠性和安全性。

2.2 可用性

一个压缩机系统能够响应快速变化的市场需求的能力要求它有高的可用性。且不但要求它可靠，而且要求它在尽量长的时间内维持可靠性，例如，减少计划维修的停机时间。这里，最少化系统组件再一次使得可用性得到提高。

2.3 灵活性

一个运行灵活的压缩机必须有广阔的运行范围。对于变转速压缩机来说，可以通过增加转速范围来实现。根据API617的要求，转速范围的提升局限于临界转速及其隔离裕度。因此，如果在机组要求的运行范围内无临界转速或临界转速处于临界阻尼状态，转速范围就可以扩大。在压缩机使用传统的油润滑轴承情况下，这是不可能实现的，而磁悬浮轴承具有刚度和阻尼的可调、可主动控制的优点[5-6]，因此可以改变阻尼状态并将临界转速临界阻尼，此时不要求隔离裕度，而转子也可以在此转速运行，因此可以实现机组连续运行在任何转速。典型的，运行转速可以在30%～105%范围内[7]。另外，如果仔细地配合设计双缸压缩机的两个缸的压比和流量，两台压缩机可以运行在串联模式（流量范围基本不变，更宽的压比范围）或并联模式（压比范围基本不变，更宽的流量范围），则整个压缩机系统的运行范围可以得到进一步的扩展。

2.4 响应能力

传统压缩机系统运行需要大量辅助系统的支持并且需要开机、停机准备：如润滑油系统需要有规定的供油温度和压力；干气密封需要有规定压力的外部密封气气源；隔离润滑油和工艺气需要有规定压力的隔离气气源；汽轮机启动需要一个较长时间的启动暖机和停机冷却过程。而集成式压缩机无需这些外部辅助系统支持，理论上可做到“瞬时”启动和“瞬时”停机。

2.5 竞争力

运行过程无需补充润滑油，密封气等公用工程消耗；无泄漏；理论上无零件损耗，维护成本极低；适合于无人值守操作，低人工成本。整个运行周期的运行成本极低。

竞争力的优势同样体现在安装调试过程中，由于这种集成式压缩机的设计无需使用轴端密封、油润滑轴承及其相关系统，因此无需进行一些传统压缩机必须的一些需要耗费大量时间的安装调试工作，如轴承和密封的检查、润滑油系统现场管路的油清洗和油循环等。此外，由于电机和压缩机都集成在一个转子内，因此传统的压缩机、变速箱和电机之间的现场找正等工作都明显地减少或不再需要[8]。

2.6 环境责任

现如今，对于压缩机系统而言一个不断提高的要求就是环境责任，即不影响环境也不受环境影响。

对环境的影响不仅包括排放的各类污染物如液体或气体，同时也包括噪声。集成的高速电机的使用减少了使用其他驱动机的各类噪声如燃烧器、速关阀、齿轮箱等的噪声，同时变频驱动的使用提高了部分负荷时的能源利用率，减少了能源的浪费。磁悬浮轴承的使用产生的绝对无油系统有利于环境并减少了相关环境问题，如油泄漏和油处理。集成式设计使得压缩机没有轴端密封并且没有工艺气体泄漏至火炬或大气。

与此同时，低噪声、无油系统和零泄漏使得集成式压缩机对环境的适应性大大提高。全电气化控制的系统，并且没有油站及干气封这些需要经常维护或补充公用工程消耗的设备，使得集成式压缩机可用于无人值守的环境。这些特性也使得海底压缩等特殊环境下的压缩系统需求成为可能。

对于环境的影响还和占用环境空间有关。一个压缩机系统的占地面积或空间直接影响整个系统的成本。这对于有着极其严苛的空间及质量要求的应用，如海上平台等显得及其珍贵。安装空间的减小得益于集成式压缩机没有中间齿轮箱、油系统、轴端密封及其仪表架。同时，电机的尺寸也比传统压缩机要小，因为电机的功率直接成比例于电机的扭矩和转速。因此当电机运行于高转速时，产生相同的功率将需要更低的扭矩。而电机的尺寸，或者说有效容量是和它的额定扭矩成比例的。因此，高速电机的尺寸要比相同功率的低速电机小很多[9]。通过比较我们可以发现，相似功率的集成式压缩机其占地不到传统压缩机的一半，而质量约为传统压缩机的三分之二。

3 海底压缩

在海底安装压缩机的想法是1985年挪威工程师Kjell olav Stinessen博士首次提出的[10]。他的想法从理念到实现走过了30年的时间；在2015年9月，由MAN公司生产的第一台正式投入商业运行的海底压缩机在Åsgard项目成功运行。

靠近生产井的压缩被认为是提高和加快海上气藏产量的最有效方法。压缩机降低井口压力，从而提高储层的产气量和采收率。压缩机越接近井口，井与压缩机之间产生的压力损失越小，则越能降低井口压力，提高采收率。

传统上，近海上油气田应用的井口压缩是通过海面上部压缩如在海上平台或FPSO上来解决的。对于某些应用情况，如果在油田早期开发阶段进行了适当的规划和准备，例如，通过为后期可能安装的压缩机分配上层空间，这在技术上和经济上都是一个有效的解决方案。然而，经验表明，运营商通常不愿预先投资，以满足油田后期的需求。此外，对于一些大型油田，几个储藏和井组被绑在一个共同的海面上层设施上，海上平台与实际的井组之间的距离可能太长，因此在平台设备上可能无法有效压缩。因此，对于如此大的油田，近井口海面上部压缩方案可能无论如何都需要一个新的平台。

3.1 海底压缩优势

在大多数情况下，海底压缩需要更少的投资成本。对于大多数油田，首次投资支出的显著减少是考虑海底压缩的主要动力。

海底压缩机可以安装在离油井更近的位置，从而提高能源效率。增加的效率可以被资本化为在给定的功率下生产更多的产品，或者在特定的生产速率下需要更少的电能(以及更低的二氧化碳排放)。

不需要海上操作人员(改善HSE和OPEX)。

由于环境没有氧气，爆炸的危险被消除了。

设施和设备不会暴露在恶劣的环境条件下，例如，风、浪或冰山。

3.2 海底压缩机的基本设计要求

显然，在深水下运行的压缩机装置，与周围环境干燥的常规装置相比，将有不同的设计要求。该系统必须非常可靠，并且需要最低限度的维护，一般的设计要求平均无故障时间（MTBF）超过5年。因为，通常情况下,一旦发生故障，损失的生产成本和干预成本，远远超过了维护或更换故障设备本身的费用。由于小成本部件的故障对运行成本的影响也很大，因此，必须将可靠性作为整个系统所有设备的重点，而不仅仅关注昂贵的设备如压缩机。压缩机的复杂辅助系统是不允许的，因为辅助系统的故障几乎和压缩机本身的故障一样昂贵。压缩机作为整个系统的核心，其挑战是其本身必须是一个非常可靠的部件，而且需要最少的辅助和调节系统。集成式压缩机非常适合于此应用。它非常可靠，并需要最少的辅助系统、如油系统、轴端密封系统，中间齿轮箱等都不需要[11]。

几乎所有海底产品的共同特点是强烈要求减小尺寸和质量。有人可能认为海底很大，大小应该不成问题。但事实上，安装成本在项目总成本中占很大比例，尺寸和质量都决定了需要多大的(和昂贵的)安装容器，以及在什么天气(浪高)下可以进行安装[12]。

3.3 海底压缩机和海面上压缩机的主要区别和挑战

从外部环境来说：机壳、法兰和电缆接线必须是密封的，无论是对于来自内部的气体压力，还是对于来自外部的水压(取决于水深)，都必须是密封的。所有暴露在海水中的金属材料必须耐腐蚀，必须仔细考虑氢脆的风险，并相应地选择合金[13]。

从内部环境来说：本质上，水下压缩机的内部环境与已知的地面压缩机的情况类似，但是海底压缩机往往需要处理比地面压缩机更脏、更湿的气体。转子在带液的气体中高速旋转是一种非常典型的动力学状态，此时转子的阻力损失可能会非常大。另外，对于电机冷却的问题，气体冷却是较佳的选择，但由于在海底不容易得到干净的冷却气体，唯一可行的方法是使用工艺气体进行冷却并处理其杂质和污染物。同样的，海底压缩机所使用的磁悬浮轴承也与普通地面集成式压缩机不同，需要开发可以使用湿天然气冷却的密封套式磁悬浮轴承[14]，并且需要能够承受大的瞬态扰动负载[15]。为了完善整个海底系统，工程上做出了大量的努力来适应新的需求和实践。例如，大多数供应商都有标准的设备，在吸入和排出过程中有要求直管段长度，并要求最大的法兰负载等等，满足这些要求将显著增加装置大小。所以必须寻求有利于整个系统的折中方案。

电力供应是另一个非常重要的问题，因为海底压缩机不同于海上压缩。在Åsgard海底压缩项目中，电力由FPSO产生并提供，FPSO与海底压缩站之间的回接距离为45公里。泵和压缩机的变频驱动器位于FPSO上，供应15MVA/34kV/120hz，这是一个变频驱动和压缩机之间距离、电压、功率和频率的世界纪录。

3.4 Åsgard项目简介

Åsgard油气田位于挪威海中心地带，水深约300米。通过海上设施来生产和储存它的产品油、气和凝析油。Åsgard A FPSO用于生产和储存油，Åsgard B工艺平台来处理工艺气和凝析油，Åsgard C储罐用于储存凝析油。

Åsgard油气田的生产起始于2000年10月，在应用海底压缩机之前一直是用自身压力维持生产。为了保证高的产量及延长油气田的生命周期并提高油气田总采收率。运营商及其合作者在2010年决定安装一个海底压缩系统。

整个海底压缩机系统的技术方案由相同的两个海底压缩机站并联运行组成，另有一个压缩机站储存在陆地备用。海底压缩机系统通过一个新的海底汇总管道连接进现存的海底油气管道系统里。而所需的电力由Åsgard A FPSO产生，并通过海底的脐带电缆提供给海底压缩机站。在每个海底压缩机站，井内液气流先经过进口/防喘振冷却模块进行冷却；再经过分离器模块分离成气体和液体；气体经过压缩机模块进行压缩；凝析油通过泵模块输送并和压缩后的气体汇合进入同一条输送管道；而气体在汇合前还会经过一个出口冷却器模块冷却。图4表示了Åsgard项目海底压缩机组的流程概要图[16]。

图4 Åsgard项目海底压缩机组流程概要Fig.4 Åsgard project subsea compressor process sketch

3.5 海底压缩机未来的发展

海底压缩有两种主要的概念途径，即“带分离器和泵的压缩”和“井内液气混流直接压缩”。“带分离器和泵的压缩”如Åsgard项目，气体和井流中的液体被分离，液体由泵增压，气体由压缩机增压，增压后的气体和液体在压缩系统下游混合在一起多相输送。“井内液气混流直接压缩”用湿气压缩机(WGC)直接对井内液气混流进行压缩，压缩机前无需分离器或仅仅需要缓冲容积以消除流量的波动。这个系统不需要太大的分离器和液体泵，可以显著降低系统的复杂性、大小、质量和成本。但是即使“带分离器和泵的压缩”系统带分离器，该分离器在某些情况下或许只能保证在进入压缩机前平缓液体流动中的峰值。在这样的系统中，压缩机需要承受一定的液体量，并不是真正的“干燥”压缩。Åsgard项目中，MAN提供的压缩机经过试验可以承受质量百分比30%的带液量的湿气。这在现阶段是集成式压缩机的最高纪录。

未来的重点是利用Åsgard现场证明的技术来开发新的海底压缩系统，以减少模块大小、占地、质量和成本为开发目标。同时，新的技术也正在研发过程中，如井内液气混流直接压缩离心式压缩机。

4 结论

综上所述，集成式压缩机结合了高效率离心式压缩机、主动式磁悬浮轴承、高速电机和大功率变频器四大技术成果，将压缩机、电机、冷却系统集成在同一橇架中，并作为一个整体安装使用。不含润滑油系统、密封系统，使得其可靠性及可用性比起传统的筒式压缩机大大提高，并且其运行范围广，响应速度快，运行周期成本低，环境中性，是一款性价比非常高的机型。近些年来，MAN公司对集成式压缩机加大研发投入，技术进一步革新，发展出的海底压缩机综合了集成式压缩机的所有技术优点，是集成式压缩机的最新应用。海底压缩相比于海面压缩有低成本，高效率，安全及无恶劣环境的优势,标志着集成式压缩机发展的一个新时代的到来。