海上平台电驱天然气压缩机组成套技术研究

庞佳璇

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

1 引言

2017年，中国南海油当量取得历史性突破，累计产油5000万m3。油田群由多个油田连片生产，在用主要生产设施包括25座海上平台和1个陆地终端处理厂，此外还有3座待建井口平台。

通过栈桥相互连接的WZ12-1PUQ、WZ12-1PAP和WZ12-1PUQB是海上油田产物的处理中心和集输中转站。各平台生产物流通过海底管道汇集到这3个平台进行油、气、水分离和处理，处理后原油和天然气通过海管输送到终端进行进一步处理，处理后生产水一部分排海，一部分被输送到各平台注水井注入地层。

海上平台项目以前完全依赖进口，打破垄断，完成国产化任务势在必行。首先要突破的技术难点是：作为平台上“心脏”设备的离心压缩机组采用电驱动还是燃烧天然气驱动？平台空间条件受限，如何放下电机、变速箱、压缩机、润滑油站、密封气站、仪表接线箱、仪表控制盘等设备？如何实现橇装结构布局合理性和精简性？如何实现橇装底座轻量化的目的？

2 海上平台项目启动方式研究

2.1 电驱压缩机组与燃驱压缩机组方案对比

根据表1对比分析，在前期投资和后期维护等方面，电驱压缩机组优势远超过燃驱机组，只有在没有电网的情况下选择燃驱机组。

表1 电驱压缩机组与燃驱压缩机组比对表

2.2 电驱变频器调速及电驱液力耦合器调速方案对比

综合表2、图1总结如下：

图1 两种调速方式效率曲线

表2 变频启动与液力耦合器启动比对表

(1)随着输出转速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低。

例如：额定转速时效率95%，75%转速时效率约72%，20%转速时效率约19%。

(2)变频器在输出转速下降时效率仍然较高。

例如：额定转速时效率97%，75%以上转速时效率大于95%，20%以上转速时效率大于90%。

总结：变频启动形式优势远超过液力耦合器启动形式。

3 压缩机组成橇研制内容及技术难点

电驱变频压缩机组工作于海上平台，由于空间受限，整个装置的动力需要考虑了紧凑性、可靠性、安全性以及高效性等一系列的问题。

(1)“橇装化”设计

“橇装化”设计目的是集成润滑油站、润滑油站用板式换热器、干气密封盘站、压缩机仪表接线箱、整橇油管路、压缩机本体与干气密封盘站之间气管路、整体底座(含AVM重型弹簧式减振台)等。

由于海浪会直接拍打压缩机组上，压缩机组布置既要减小空间，又要保证安全性和稳定性。优化橇装底座结构形式，整合润滑油站箱体与底座的一体化设计，实现底座高度降低、降重的轻量化目的。针对平台安装、吊装条件限制，开发全新支撑安装方案，应用AVM支撑隔振装置，减少机组现场安装及吊装就位的难度。针对管路布局，进一步优化橇内管路走向设计方案、充分利用底座边缘、底部空间，对外接口法兰全部接到橇边，减少现场管路施工与连接的施工量。

(2)成橇底座研制(表3)

表3 设备质量/转速

在SOLIDWORKS中绘制了整体成橇底座三维模型图，底座质量36500 kg，底座总长9150 mm。

在ANSYS中建立压缩机组的底座有限元分析模型图，底座有限元模型由167399个单元和320875个节点组成。

分析载荷：结构重量。

约束条件：AVM 装置底面固定约束。

1#AVM 刚度7996 kg/mm，2#AVM 刚度3664 kg/mm，3#AVM 刚度2388 kg/mm。

材料属性：

底座材料为Q235B，屈服极限235 MPa，安全系数取1.5，许用应力157 MPa。弹性模量200 GPa，泊松比为0.3，材料密度为7850 kg/m3。

分析结果：计算得到就位工况下等效应力分布如图2所示。最大等效应力22 MPa，位于齿轮箱支腿下方工字钢处。竖向变形分布如图3所示。最大竖向变形10.17 mm。

图2 就位等效应力分布云图

图3 就位竖向变形分布云图

计算得到底座前4阶固有频率见表4，底座各阶频率对应振型见图4。

图4 底座前10阶振型图

表4 底座前10阶固有频率

(3)结论

计算得到含AVM 装置的底座就位工况下的强度、变形和频率结果。

就位工况底座最大等效应力22 MPa，小于许用应力157 MPa，底座强度满足标准要求。

就位工况底座最大竖向变形10.17 mm。

4 结语

随着陆地资源日趋枯竭，人类生存和发展将越来越多地依赖海洋，大规模、全面地开发利用海洋资源和海洋空间，发展海洋经济已列入各个沿海国家的发展战略。海上平台离心压缩机组是海上油气开采的关键装备，不仅要实现压缩机组橇装化、集成化，还要求适应台风、腐蚀等恶劣海上环境并满足长周期运行。针对海上平台项目的特殊性，变频异步电机和增速齿轮箱驱动的压缩机组为最佳方式，配套公用润滑油系统、干气密封系统等辅助系统，具有占地面积小、集成化程度高等技术特点。

“十九大”期间国内新建海上平台项目将可采用自主研发成套的更简单、更可靠、更环保的橇装化、集成化压缩机组作为天然气开采及输送的核心动力设备，这不但具有显著的经济效益，还可极大的提升民族加工制造能力、带动国内机械、冶金、装备等相关产业的发展，达到国际先进水平。