页岩气压缩机组特点及性能分析

李书应，孟 良，马红武，王跃飞，程亚亚

（中石化重庆页岩气有限公司，重庆 408400）

1 引言

中国的页岩油和页岩气储量十分丰富，开发利用好页岩气对满足我国不断增长的能源需求，优化能源结构意义重大。压缩机作为油气资源开采的重要设备，开采时帮助气田加压，增加采气量，且增压开采现已成为页岩气田增产的关键[1]；长管道运输时，需要增压站增压运输；使用时需要压缩机加压液化存储。因此，压缩机在页岩气领域的应用范围十分广泛，页岩气压缩机技术水平对页岩能源领域影响深远。

2 页岩气压缩机组特点

由于页岩气田分布零散，多位于山区，开采周期相对较短[2]，开采现场缺水，且靠近居民区，因此，压缩机组要体积小，质量轻，便于转场运输，满足机组在实际工作中不断更换工作地点的需求；冷却方式只能采用风冷；并需严格控制噪声。此外，井口压力随开采进度变化范围大，前期井内气量充足、压力高，随着开采进行，气量减少、压力降低，页岩气田的压缩机进气压力范围为0.5～3.0 MPa（G），所以页岩气压缩机还需满足变工况运行要求。

鉴于上述特殊的使用要求，页岩气压缩机采用对称平衡，全风冷，高转速，整体橇装式设计，并根据进气压力及气量变化特点设计了低进气压力两级压缩，高进气压力时仅二级气缸做一级压缩，及高进压时一级气缸增加余隙缸的2种气量调节方案。

2.1 机组平衡方案设计

因页岩气田多位于山区，山路狭窄，为运输方便，需尽可能减小机组尺寸，所以采用高转速短行程设计。橇装无基础运行，需严格控制机组振动，而压缩机的惯性力及力矩与转速平方成正比，采用高转速时要更谨慎考虑惯性力及力矩的平衡，为此，一是采用对称平衡的布置，以使不平衡的力及力矩最小；二是严格控制各列往复质量，将各列质量差值控制在0.1 kg以内，使各列往复惯性力尽可能相等；三是精确计算平衡重大小，以平衡未平衡的力及力矩。其中，平衡重的设计有不同方式，需对比选择。高转速机型出于安全考虑，推荐使用整体平衡重，同时考虑曲轴锻造的成本，限制胚料外形，采用两端平衡方式。

D型机组曲轴的不同平衡方式如图1所示，由文献[3]可知，各列往复质量相等时，D型机组存在的不平衡旋转惯性力矩mrrω2a，一阶往复惯性力矩msrω2acosθ及二阶往复惯性力矩λmsrω2acos2θ，mr为旋转运动质量，r为曲轴回转半径，ω为旋转角速度，a为列间距，ms为往复运动质量，θ为曲轴转角，λ为曲柄连杆比。由于二阶往复惯性力矩数值较小，可忽略，而一阶往复惯性力矩无法仅通过简单采用平衡重的方法予以平衡，所以机组平衡重设计仅平衡存在的旋转惯性力矩。

图1 D型机组平衡重设计对比

当平衡重直接附加到曲柄臂（图1（a））时，由各质量对中间平面的力矩为零可得

式中 mcw——平衡重质量，kg

ρ——平衡重回转半径，m

c——曲柄臂间距，m

当在曲轴两端增加平衡重（图1（b））时，由各质量对中间平面的力矩为零可得

式中 d——D型机组平衡重间距，m

M型机组曲轴的不同平衡方式如图2所示，由文献可知，各列往复质量相等时，M型机组存在不平衡旋转惯性力矩及一阶往复惯性力矩msrω2a（cosθ+sinθ）。

当平衡重直接附加到曲柄臂（图2（a））时，平衡重设计方式同D型机组，此处不再赘述。

图2 M型机组平衡重设计对比

当在曲轴两端增加平衡重（图2（b））时，ZOX平面，由各质量对点A的力矩为零可得

式中 m′cw——平衡重在ZOX平面内分量，kg

L——M型机组平衡重间距，m

e——第1列缸到非驱动端平衡重距离，m

m″cw——平衡重在YOX平面内分量，kg

f——第4列缸到驱动端平衡重距离，m

M型机组平衡重质量mcw及安装位置与Z轴的夹角α由式（13）与式（14）可得

M型机组采用两端平衡时，平衡重与曲柄臂夹角呈45°。由于间距d大于间距c，特别是M型机组，间距e远大于c，所以两端平衡时所需平衡重质径积更小，胚料外形及机身尺寸也可以更小。因此，页岩气压缩机组采用两端平衡的整体平衡重设计。

2.2 变工况及气量调节方案设计

页岩气项目气田前期和后期工况条件变化大，压缩机需同时满足开发前期和后期工况条件的要求，将活塞力、排气温度及功率控制在设计范围内，这就要根据不同工况调节气量。

压缩机的容积流量由式（15）计算

式中 Q——容积流量，m3/min

λv——容积系数

λp——压力系数

λl——泄漏系数

图3 部分行程压开进气阀调节的指示图

λT——温度系数

Vh——行程容积，m3

n——转速，r/min

容积流量的变化可通过改变以上任一个或几个参数来实现，一般不选择温度系数来调节因其经济性差，流量调节方法大致可分为驱动机调节，气体管路调节，气阀调节以及余隙容积调节。

驱动机调节，主要是变转速，实质是通过改变转速（降低转速）来达到不同的容积流量，通常采用变频电机实现。机组本身的结构不用改变，多级压缩时，级间压力也不会因转速变化而变化。此外，转速降低，工作周期持续时间更长，换热效果增强，过程指数下降，指示功减少；气体流速降低，阻力损失降低；摩擦功也随转速成比例下降。

气阀调节是通过顶开进气阀来实现气量调节，本质是改变泄漏系数。进气结束，进气阀片被强制地保持在开启位置，活塞向上止点运动时，部分气体经未关闭的进气阀回到进气管道，当活塞到达预定位置时，强制外力消失，进气阀关闭，缸内气体被压缩至排气压力经排气阀排出，实际排气量减少，该调节过程指示图如图4所示。由图可知，流量变化程度可通过调节进气阀关闭时间实现，功耗随气量减少而成比例降低，经济性好。但是部分顶开气阀的调节方式需额外设备投入，费用较高，且会使阀片受到额外的负荷，撞击更频繁，严重恶化阀片寿命及严密性。

余隙容积调节，本质是改变容积系数λv，工作时将气缸与余隙缸连通，增大余隙容积，从而降低气量。

页岩气压缩机组的气量调节采用了变转速，气阀调节和余隙容积调节3种方法，设计了高进压时变转速结合顶开一级进气阀仅二级气缸做一级压缩，以及高进压时变转速结合余隙缸调节两种方案。

3 性能分析

3.1 动力平衡性

机组曲柄销质量9.6 kg，连杆质量25.3 kg，曲轴回转半径55 mm，列间距165 mm，平衡重间距710 mm（D型）/1410 mm（M型），所需平衡重质径积为351.8 kg·mm（D型）/250.5 kg·mm（M型）。两端平衡的曲轴如图4所示，平衡重回转半径及质量为18.9 mm，18.6 kg（D型）/14.1 mm，17.65 kg（M 型），质径积为351.5 kg·mm（D 型）/250.6 kg·mm（M型），与所需质径积相差仅0.3/0.1，可认为已平衡。机组实际运行良好，振动小，振动烈度仅为3 mm/s，远小于设计要求18 mm/s。

图4 整体平衡重设计

3.2 不同气量调节方案性能对比

页岩气压缩机的设计点为进气压力1.0 MPa（G），进气温度25℃，出口压力6.3 MPa（G），排量5×104Nm3/d（D型）或10×104Nm3/d（M型）。D型机组变工况气量调节时热力计算如表1及表2所示，由表可知，2种调节方案活塞杆最大载荷、排气温度及功率均满足要求，但余隙缸调节时，相同工况下的比功率小于高进压仅二级缸做一级压缩设计。

表1 高进压时仅二级气缸作一级压缩

表2 余隙缸调节

4 结论

页岩气压缩机采用高转速短行程，对称平衡设计，通过高进压时变转速结合顶开一级进气阀仅二级气缸做一级压缩，以及高进压时变转速结合余隙缸调节2种方式满足开采前期和后期工况要求，经现场使用验证，运行振动小，实际振动烈度为3 mm/s，优于设计要求18 mm/s；外形尺寸约为8.5×3.2×3.3（M型），易于转场运输；界区外噪声昼间65 dB（A），夜间55 dB（A），达到设计要求。机组运行良好，噪声、振动、能耗等性能指标达到或优于设计标准，可在页岩能源领域推广应用。