海上油田天然气压缩机国产化研究

毛埝宇

（上海海洋油气分公司，上海 200135）

1 前言

在当今经济快速发展的时代，能源需求的持续增长推动海洋油气田的开发建设。随着石油行业的发展，天然气压缩机在油气田开发中得到了广泛应用。在海洋油气田的开发中，生产过程通常是从海上平台采出油气资源后，通过海底管道输送至陆地终端。但由于海底管道建设成本影响，海上平台的运营运输方式基本通过中心平台的外输海底管道统一运输至陆地终端进行处理，进而导致海上平台天然气管道压缩机的实际设计施工要求复杂，需考虑区域整体多因素影响。

海上平台天然气压缩机是制约平台生产运输的关键设备之一。由于海上平台外输压缩机随区域油田开发、输送产量增加，产生了输送压力逐渐增大的现象，生产高峰时期必然导致压缩机出口压力远大于初期压力的情况产生。且由于国产设备技术能力的限制，长期以来，海上平台天然气压缩机组的核心设备均采用国外进口制造商的技术产品。在海上平台天然气外输压缩机领域，国外制造商在技术和市场上形成双重垄断，由此导致国外进口设备在价格领域的绝对优势，最终导致国内制造商在海上平台天然气压缩机研用方面受到限制。

根据近年来国内制造商天然气压缩机的技术发展和国家降本增效政策的要求，在保证海上平台安全运行、减低能量损耗、提高油田效益的基础上，根据海上平台天然气管道的实际运行情况，提出海上油田天然气压缩机国产化的优化改造方案。通过综合分析海上平台天然气压缩机的特点要求，对比国内外制造商的优势不足，分析国产化压缩机技术特点，最终确保国产天然气压缩机运行的持续稳定。

2 海上压缩机国产化意义

2.1 国产政策要求

随着科技发展及国内外政策环境变化，国家和企业发布了一系列促进国产化装备制造发展的政策及措施，如《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》《创新驱动战略规划》的国产化创新要求等，并在相关规划措施文件中指出关于天然气压缩机等关键设备装置的国产化要求。

2.2 国家能源保障

根据国家能源行业发展保障需求，我国海洋油气资源的开发占比日益增多，占据国家能源行业发展的重要战略地位。随着海洋油气资源的开发，海上平台所需的天然气外输压缩机等核心设备的需求也日益增加。但目前海上平台天然气压缩机设备的进口程度占比极高，国产天然气压缩机设备的实际应用数量极少。在正常商务贸易环境中，平台天然气压缩机等设备可通过签订合同交易，获取保障海上平台平稳运行的技术服务、设备备件等。但在特殊情况下，相关国际环境和政策变化则可能出现无法进行产品贸易、交易周期过长等意外情况的产生，导致海上平台产能降低，甚至直接造成平台停产停输。因此，为把能源掌握在自己手中，保障国家能源安全，必须推进海上天然气压缩机国产化的实施。

2.3 提高海上平台效益

海上平台的产能输送不仅受油气田生产能力的制约，同时受平台海底管道外输能力的限制。而海上平台外输压缩机组的运行性能则是制约海底管道输送能力的关键设备。同时，海上平台外输压缩机组的费用也占据平台投资运行总费用的较大份额。但由于国外制造商在产品技术工艺等方面的垄断，导致海上平台进口外输压缩机组在进行招投标时，国外厂商在商品价格制定方面具有极大优势，其最终的成交金额相比国内制造商最初定价仍高约20%以上。因此，海上平台压缩机设备的国产化对降低平台投资建设总费用，提高平台产能收益，保障平台经济运行等具有显著意义。

2.4 推动关键技术发展

目前，国内压缩机设备中天然气压缩机组主要以30MW级别的燃气轮机驱动以及20MW级变频调速电机驱动的离心式压缩机为主。因为海上平台占地空间、运输维护难度、压缩机备件更换、设备可靠性要求等条件限制，所以目前海上平台外输天然气压缩机类型以离心压缩机为主。目前，我国高压的离心压缩机国产化设备在20MPa压力领域范围的产品技术与国外进口设备的参数性能基本相匹配，具备压缩机国产化的应用实施条件。而更高压缩领域范围的离心压缩机设备，国内制造商处于试验阶段，对高压流体运动特性的模拟仿真，高压领域的转子动力学以及干气密封润滑等附属系统依然在进行研究探索。而高压离心压缩机领域中，国外制造商如MAN、GE、西门子等品牌厂商目前已有50MPa压力领域离心压缩机的实际应用。同时，国产化离心压缩机的驱动系统也是影响离心压缩机国产化的重要原因。由于目前国内离心压缩机驱动系统中，电机功率档位覆盖全面且电机更换费用占总压缩组费用比例较低，压缩机国产化后，考虑电机驱动则可以整体进行压缩机组的国产化应用且后期更换便利。目前，国内燃气轮机功率档位级数跨度较大、级别数量较少，无法像国外燃机设备一样做到档位全系列覆盖。且后期随生产功率变化，燃机更换费用较高。目前，我国海上平台领域的压缩机组设施仍大多依赖进口设备，国内相关技术的研究应用仍有一定的差距，开展国产化对于促进国内装备制造业的建设，推动技术研究的创新发展，避免关键技术卡脖子问题具有重要意义。

3 海上压缩机技术要求

根据目前对市场国产天然气压缩机应用情况的调查研究，虽然国产天然气压缩机在陆地已得到广泛应用，但与陆地天然气压缩机项目相比，海上平台天然气压缩机组有相对不同的技术要求。

3.1 平台布置空间要求

与陆地天然气增压站不同，海上平台空间范围有限，海洋油气开发要求海上平台必须支持各个生产活动的开展，因此，导致天然气压缩机的配置数量以及占地空间都需受到限制。在海上天然气压缩机设计时，需考虑平台整体布局，充分考虑空间合理性。同时，海上压缩机还需考虑平台压缩机的操作维修空间及附属辅助系统占地，对空间设计要求严格。

3.2 海洋工艺参数要求

海上平台相较陆地输送，运行工艺参数更为复杂多变，压缩机适用流量操作范围要求广泛，压缩机工况适应区域要求高。陆地压缩机一般应用于天然气增压站，处理流量稳定，数值波动处于压缩机正常工况区域，对压缩机工况适用要求较低。但海上平台天然气生产流量范围波动剧烈，对压缩机工况适应要求极高。海上平台投产初期与平台生产末期的生产处理流量数值相差极大，要求压缩机的适应性较广，需要压缩机适应相对较宽的工况范围。

海上平台在天然气生产处理过程中可能会出现复杂的工艺介质特性，包括带液、含硫等工艺介质的产生。同时，工艺介质的组分影响，要求海洋天然气压缩机工况适应性具有较高范围。海洋天然气投产初期及生产末期组分变化较大，压缩机处理工艺介质的组分变化，影响处理天然气的摩尔质量的改变，根据质量体积公式的原理，最终影响处理介质压缩体积的变化。

3.3 海上设备可靠性要求

海上压缩机的可靠性要求比陆地压缩机的要求标准严格。因为陆地压缩机维修方便，设备成本、运输成本以及人工成本相对较低，资源调用便利。而海上平台设备运输、人员维护，资源调配等周期较长，运输方式有限，问题沟通困难，因此，平台压缩机设计建造要求不允许出现较大的问题，对压缩机的稳定性和可靠性有极高要求。同时，天然气压缩机的控制系统及配套系统，陆地与海洋也有较大区别，因为陆地环境及更换维修成本等方面，陆地天然气压缩机系统中除压缩机整体设备外，对其附属的仪表阀门等要求规范相对较宽。海上平台由于周期成本等方面的考虑，平台天然气压缩机要求整个控制系统及配套系统的仪表阀门都需取得相应证件，减少易损件、磨损件，使其能够具备一定条件的可靠度保证，可以保持很长时间的运行。

3.4 国产压缩机驱动要求

海上平台压缩机的驱动方式设计，一般有电驱和燃驱两种。电驱及燃驱的选择一般也是以投资成本费用为主要标准进行评价，通常考虑费用最低的实施方案。同时，综合考虑平台其他生产设备的用电情况，以压缩机为用电主体，压缩机对电站的负荷较大，则推荐燃驱。考虑国产化及降本增效措施，目前压缩机国产化电驱驱动方面，功率档位较为全面，覆盖面广，费用较低。而国内燃机功率档位少、费用高，因此，国产化压缩机通常优先考虑电驱驱动。

3.5 海洋盐雾环境影响及防腐要求

相对陆地天然气压缩机的工作环境，平台的天然气压缩机长期处于湿度盐度相对较高的海洋盐雾环境中，各设备运行所处环境较为恶劣。海上平台天然气压缩机在设计选用时，对压缩机的防腐蚀等条件有高标准要求。

4 国内外制造商特点对比

目前，海上平台主要通过海底管道进行长距离的油气介质输送，压缩机为平台海底管道的对外输送提供动力，是保障海底管道运行经济安全的核心设备，是制约海上平台作业生产和油气传输的关键因素。在海上平台油气输送的海底管道上，极大部分平台通常使用离心式压缩机来对介质进行增压传输。以下主要对国内外离心式压缩机的相关技术进行对比分析。

4.1 压缩机结构

国内厂家经过数十年的不懈努力，在引进消化国外先进技术的同时，采取与各大院校、研究所联合开发的科研方式，不断进行自主研发、优化设计以及经验累积，进行产学研用相结合，大力推动技术进步。经过国内多年产品的实际应用，积累实践经验，吸取用户意见，逐步优化完善产品设计结构方面的不足，在离心式压缩机关键结构设计的合理稳定性方面已达进口机组水平，在相关技术上已有显著进步（表1）。

表1 国内外压缩机参数对照表

4.2 性能对比

目前，国内离心式压缩机的技术水平与国外产品无显著差异，压缩机多变效率与转速范围等指标均已达到国外先进水平。在结构设计细节方面，国产和进口机组各有特点和优缺点。表中离心式压缩机的转速范围国内与国外水平相当，离心压缩机的多变效率和国外厂家接近（表2）。

表2 国内外压缩机指标对照表

4.3 干气系统

离心压缩机干气密封等附属系统设计方面，目前在30MPa左右压力领域的范围内，国内外厂家的供货产品基本无显著差距。国内密封厂家经过多年的经验积累及产品优化，密封产品的整体性能与国际一流厂家基本达到同一水平，仅在一些细节设计上仍有进步的空间。但在更高压力领域，海上离心压缩机的干气密封系统方面，国内外厂家差距较大。目前，海上高压领域的离心压缩机的相关技术是国内厂家需要攻克的难点，同时，高压领域的干气密封系统也是重要关键。目前，国内高压干气密封系统还不太成熟，包括密封仿真、轴承、轴头储存器等技术，仍无法和国外厂家进行竞争。

4.4 撬装及可靠性

在压缩机橇块设计方面，不同于陆地项目对撬块空间相对宽松的要求，海上平台要求撬块空间必须紧凑，尽量减小撬块内部的设备体积，优化撬块设备的管线整体布局，节约占地维修空间，以满足海上平台紧凑化的布局需求。在橇装化方面，国内厂家成橇能力同国外产品仍存在一定差距，在体积优化、管路布置、仪表阀门布局上，仍具有较大的提升空间。目前，国外制造商产品的标准化水平已经深入设计的每个细节，不仅橇块标准化程度高，且达到选型配置标准化的目标。目前撬块的标准化程度还是国外厂家占据绝大优势。

目前，国内压缩机厂家虽然可以按照设计提出的技术要求进行制造及程序控制，但无法避免压缩机在使用中产生工作不稳定的情况。国产压缩机在外观、焊接工艺、表面粗糙度等细节方面的质量控制和国外制造商相比，仍有一定差距。

4.5 产品服务

国内外离心压缩机厂商在具备同等功能的产品服务方面，国内离心压缩机产品及服务价格具有极大优势。除离心压缩机产品本身的价格优势外，相关人员的技术服务费用、附属系统费用、备品备件费用、材料运输费用、厂家培训费用及后期维护保养费用等，国内价格远优惠于国外厂家。有效减少资金占用和采购成本的同时，节省国际采购程序和国内采购代理的环节，极大地节约采购运营成本。在可控风险方面，国内的抗风险能力略强于国外厂商。特殊条件下，国外技术人员、产品的通行运输易受影响限制，从而导致项目总体进度流程及备用零部件的采购需求的变化。而国内厂商在运输服务方面则相对便利，且项目整体进度调整也相对灵活，拥有较多保证产品的正常交付的调控措施，能够在减少备品备件需求的同时提高平台的运营收益。

此外，国外厂商的产品系统、配套设施、技术手册、操作标识以及培训材料等通常使用英文进行标注。在进行翻译的过程中存在含义偏差，要求技术操作人员具备相应等级的专业英文基础，实际操作过程中存在一定难度。压缩机国产化后，国内制造商相同的语言文化背景使得技术服务更加便捷顺畅，有助于提升设备运维水平，提高故障解决效率。同时，国外产品及附属设施对应配套系统的兼容性相对较差，无法做到与其他系统良好兼容。国内配套系统的操作则相对便捷，兼容性优良。

5 国产应用

5.1 应用背景

国产化大型离心式压缩机组目前已改造应用于S海上平台，能源结构安装位置等技术参数与海上平台原方案相匹配。由于S海上平台相邻已开发区域的油气田产量变化，导致平台处理输送产量增加，目前S海上平台的离心压缩机已无法满足海底管线外输压力的要求。为保证海洋油气田的正常生产，提高S海上平台输气管线的起输压力，需新增天然气压缩机进行增压外输。以此达到海上平台起输压力的要求，保障海洋油气田的正常开发生产及平台的平稳高效运行。

5.2 流程简介

S海上平台油气从井口开采后，进入生产分离器进行分离处理。后与来自S平台上游的天然气混合后进入天然气压缩系统。天然气经压缩系统中增压压缩机进行压缩，进入三甘醇脱水系统脱水，处理至满足海底管道外输要求后，经S海上平台海底管道混输至下一级，并最终至陆地终端。

其主要流程如图1所示。

图1 天然气增压压缩机系统简图

5.3 应用特点

S海上平台天然气离心压缩机在陆上已有应用案例的基础上，针对海上特殊环境，压缩机整体功能应用与陆地无明显变化的同时进行对应性改变。针对海上空间要求，国内厂家根据已有撬块化经验，在借鉴国外机组成熟经验的基础上，考虑已有平面布局，利用三维模型全面展开撬块化设计，撬体紧凑充分考虑空间合理性，撬体紧凑布置，减小整体设备的占地空间。针对工艺参数要求，进行多方案模拟仿真，增设入口净化处理设施，配置过滤加热装置，增加处理净化工艺并针对工艺介质特性选取对应材料，满足压缩机工况适应性条件。针对设备可靠性要求，增强压缩机内部零件的抗外界干扰能力，整体机械设备加工，减少设备弯道结构设计，降低所受扭矩载荷，保证压缩机整体强度和产品质量。同时，通过压缩机模拟运行，进行数据分析计算，确保实际运行的安全稳定。

针对海洋防腐要求，在设计时考虑防护设计，开发针对海洋环境下的防腐蚀涂层技术，对压缩机机组外表面进行有效保护。同时，提供全生命周期的服务，对从设备设计到完工验收以及后期维修保养的全方位流程进行管理负责。

6 结语

综上所述，在充分了解海上天然气压缩机国产化意义的基础上，全面分析海上压缩机的技术难点要求，综合对比国内外制造商的产品特点，最终说明海上压缩机国产化应用案例的优势特点。海上油田天然气离心式国产化压缩设备的配置灵活，设备工艺完全，满足海上平台新增工况的需求，并且极大地降低了投资费用，节约了工程建造时间，减少设备运输成本，并为适应海上环境特点提出针对性方案，实现国内国产化离心压缩机海上应用的重要突破。