海洋平臺伴生氣回收中的無油噴液螺桿壓縮橇裝技術

李治貴海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海洋平臺伴生氣回收中的無油噴液螺桿壓縮橇裝技術

李治貴
海洋石油工程股份有限公司，天津300452

海上平臺伴生氣因其產量少，組分復雜，含液多，傳統處理方式多是排放至火炬系統燃燒掉，對海洋環境造成嚴重污染的同時也造成能源的巨大浪費。介紹了一種采用無油噴液螺桿壓縮裝置回收低壓伴生氣技術，對其典型工藝流程以及技術特點進行了論述，并根據其在渤海某平臺的應用，介紹了冷卻器、洗滌罐的設計，計算了安裝本橇裝設備后的平臺伴生氣回收收益。經實踐檢驗本裝置兼顧了實用性和經濟性，具有較好的推廣價值。

伴生氣回收；無油噴液螺桿壓縮機；節能減排

海上石油平臺對來自井口的油、氣、水三相混合物一般采用三級脫水、脫氣的穩定處理流程，一級游離水分離器中分離出的大量天然氣多數能夠直接供應鍋爐等低壓天然氣用戶，或者通過壓縮機增壓后供透平等高壓用戶利用及作為商品氣通過海底管道進行外輸，而二級熱化學分離器中的低壓閃蒸伴生氣則很少配置專門的回收設備。

油田伴生氣也屬于天然氣資源的一種，組分復雜且含液多，因此，需要的加工處理工藝比一般的氣田氣和凝析氣的處理工藝更為復雜，加之低壓油田伴生氣的產量一般較小且不穩定，可利用的壓能較低，在過去往往被誤認為是沒有價值的，直接采用燃燒的方法處理，火炬產生的滾滾濃煙對環境造成嚴重污染，同時也是能源的巨大浪費。隨著人們環保意識的增強以及國家“節能減排”政策的號召，海洋平臺越來越重視此部分伴生氣的挖潛增效工作。

目前，國內陸地油田回收利用伴生氣已經有了很大發展，有較多成熟可靠的經驗值得借鑒［1］。陸地油田設備布置空間限制較小，根據油田的氣量情況可對回收設備進行搬遷使用，但相對寸土寸金的海洋平臺，陸地的常規配置方案有較大的局限性，所以針對平臺的伴生氣回收方案要具體問題具體分析，兼顧實用性和經濟性。根據一般經驗，海上伴生氣回收的常見方式有液化［2-3］、回注、發熱發電等，綜合技術比對及經濟論證，將低壓伴生氣收集后增壓，使其進入天然氣處理系統，經洗滌和進一步增壓后作為燃料，供透平發電及熱介質鍋爐等裝置使用，而且僅需增加一套低壓天然氣增壓裝置。在考慮項目投資和收益率的前提下，此方式是目前海洋石油平臺推薦使用的最佳伴生氣回收再利用方式。

1 伴生氣的增壓裝置

對前述提到的增壓裝置，目前主要有往復式活塞壓縮機和螺桿式壓縮機兩種。往復式活塞壓縮機對進氣要求較高，級間需要冷卻、洗滌，對基礎要求高，占地面積大，而低壓伴生氣的產量通常并不高，因此采用往復式活塞壓縮機回收不具備經濟性。而螺桿式壓縮機在處理低壓伴生氣方面，具有穩定、節能、高效等優勢條件，在海洋平臺上應用越來越廣泛。

螺桿壓縮機是一種作回轉運動的容積式氣體壓縮機械，如圖1所示，壓縮腔內有一對相互嚙合且按一定傳動比旋轉的陰、陽轉子，在原動機傳動裝置帶動下產生周期性的容積變化，完成氣體的吸入、壓縮和排出。

圖1　螺桿壓縮機工作原理

螺桿壓縮機主要分為噴油和無油兩種，最初海上平臺使用的螺桿壓縮機多為噴油型，由于噴油螺桿壓縮機工作時，潤滑油和氣體直接接觸，因此更適合于壓縮干凈的氣體，在海上平臺被廣泛用作空氣壓縮機或經過脫烴、脫水、凈化之后的天然氣增壓。同時，由于噴油螺桿壓縮機工作時轉子之間的泄漏間隙更小，因此可以在出口壓力更高和進出口壓差更大的工況下工作。但如果把噴油壓縮機用于海上油田伴生氣增壓工況，存在顯著的風險，排除實際工況與設計工況的差異，因伴生氣的含液量較大，經常發生潤滑油乳化現象，從而導致停機故障，給平臺日常運行和安全生產帶來諸多不便及隱患。因此，無油螺桿壓縮在技術性能及安全性方面均具有顯著優勢。無油螺桿壓縮機主要包括無油干式和無油濕式兩種，其中無油干式螺桿機排溫高、振動大、適用范圍小，而無油濕式螺桿機能夠彌補干式的缺點，且具有容積效率高、維護費用低等優點。無油噴液螺桿壓縮機就屬于性能較全面的新型無油濕式設計產品，比較適合海洋平臺伴生氣回收工況。

2 無油噴液螺桿橇裝技術方案及特點

為了解決海上平臺低壓伴生氣回收利用難題，給平臺運營方提供整體工藝包解決方案，設計人員自主研發出無油噴液螺桿壓縮橇裝裝置。該橇裝裝置的核心部件——無油噴液螺桿壓縮機機頭，由中國船舶重工集團第七一一研究所研發生產，機組具有安全可靠、性能優良、性價比高的特點，與國外同類橇裝產品相比具有很強的競爭力。

2.1工藝方案

海洋平臺低壓伴生氣典型回收增壓橇裝工藝流程如圖2所示。

圖2　典型工藝處理流程

由圖2可知，該橇裝裝置工藝包由入口冷卻器、壓縮機、后冷卻器、出口洗滌器等主要設備組成。入口冷卻器用于降低氣源溫度，使其滿足機頭吸入溫度需求。由于開機階段機頭內部缺液，設置補液口用于開機補液工況。伴生氣經過螺桿機壓縮后，由于溫度升高，出口配置后冷卻器，將壓縮氣體溫度降低，進入出口洗滌器進行洗滌除液，分離出壓縮工藝氣中的液滴，使其含液量滿足后續流程需求。分離器收集的液體一部分用于回注機頭潤滑轉子，多余部分經閉排管道排出橇外。

該方案優化了正常流程需配置的前置洗滌罐及相關配套閥組，充分利用了機頭的噴液回注能力，使得流程簡單可靠，操作控制方便。此外，壓縮機機頭需要配置一套潤滑油系統，用于潤滑機頭內部可動組件。機頭密封形式一般采用迷宮密封、碳環密封、機械密封的組合結構，對于有毒有害等特殊工況采用干氣密封系統，壓縮機通過碟片式撓性聯軸器采用電機（或變頻電機）驅動。

2.2主要技術特點

在工藝包自主研發過程中，設計人員全面調研國內外同類產品的優缺點，在充分考慮海洋工況特點的前提下，設計出的無油噴液螺桿壓縮橇裝設備具有穩定可靠、配置簡潔、性價比高等優點，其主要技術特點表現在以下方面：

（1）噴液技術可有效解決潤滑油乳化問題。在壓縮過程中噴入液體能夠起到冷卻和密封轉子與轉子、轉子與殼體之間間隙的作用。

（2）流量采用變頻調節可以將壓縮機的吸氣能力在30％～100％范圍內連續調節，在入口條件變化以及部分變負載工況下，高效率地調節流量，減少用電消耗。

（3）具備氣液混輸能力，使用工況廣泛，允許氣體帶粉塵雜質。

（4）級壓比可達11，由于向壓縮腔內直接噴液冷卻被壓縮氣體，因此可以在壓縮過程中控制其溫度，變絕熱壓縮為等溫壓縮，從而避免了大壓比時高溫升情況的出現，通過兩級或者多級串聯可以達到更高的壓比。

（5）整橇尺寸小、質量小，符合海上平臺對設備的基本要求。

3無油螺桿壓縮橇裝技術海上平臺應用實例

以渤海某片區平臺為例，二級分離器溢出的低壓天然氣流量為1.5萬m3/d，壓力為20 kPaG，如果進入火炬系統處理將造成巨大能源浪費，因此設置一套低壓天然氣壓縮機橇，將伴生氣冷卻、壓縮、洗滌后增壓至260 kPaG，并入天然氣處理系統處理，用以供給透平發電。

3.1工藝流程

為提供壓力及溫度穩定、含水量達標的穩定氣源，保證各項控制指標平穩保持在高、低關斷范圍內，橇內各設備的處理能力需滿足主流程氣液處理需求，管道尺寸需滿足流量要求，并采取相應控制邏輯，如回流、連鎖、調節控制等，使壓力、液位、溫度等被監控參數正常運行。設計的主工藝流程如圖3所示。

本橇裝設備流量調節采用變頻與回流閥組合調節的方式。當來氣量為設計氣量的30％～100％時，采用變頻調節；當來氣量小于設計量的30％時，采用回流閥調節。

圖3　主工藝流程設計

3.2冷卻器的設計

在壓縮機之前設置一臺前冷卻器（WC-3104），其主要作用是冷卻上游流程輸送來的高溫氣體，將其溫度降至40℃以下，以滿足壓縮機入口溫度要求。該冷卻器換熱面積為27 m2，換熱量為396 kW。

由于壓縮機出口的高溫氣體對橇外主流程無影響，故在機頭與洗滌罐之間沒有設置冷卻器，但為保證洗滌罐內凝析液溫度滿足機頭回注噴液溫度要求，在回注流程上設置一臺小型冷卻器，其換熱面積為7 m2，換熱量為31 kW。與圖2典型工藝包處理流程（機頭和洗滌罐主流程間設置較大冷卻器）相比，冷卻器設計成本大大降低。

在本實例中兩個冷卻器均采用海水冷卻式，換熱器形式為管殼式，高溫氣體走殼程，海水走管程。

3.3洗滌罐的設計

為便于回收洗滌液，洗滌罐通常采用臥式放置，罐內設置絲網捕霧器。主要根據重力沉降原理將氣液進行分離，液體聚集在罐底，為保證分離效果由液位調節閥調節液面，使氣液界面維持在一定范圍內。累積的液體一部分根據壓縮機出口管道上的溫度監控調節閥門開度用于回注機頭，多余的部分直接排入閉排管道。

4 應用效益情況

墾利一期、二期，錦州海上平臺先后采用上述工藝方案，應用無油噴液螺桿增壓設備6臺套，用以回收平臺伴生天然氣為透平提供燃料。根據各平臺的氣量回收情況，以5年為統計期，天然氣價格按2元/m3計算，實際節能效果和經濟效益統計情況見表1。

表1　海上油田無油噴液螺桿壓縮技術應用效益

5 結束語

以往海洋平臺開采過程中產生的伴生氣直接進入火炬系統燃燒，消耗能源的同時向大氣中排放了大量的CO2和NOx，無油噴液螺桿壓縮機技術的應用為海洋石油平臺節能減排提供了新思路、新方法，具有一定的借鑒及推廣意義。相信在尚無更優方案的情況下，無油噴液螺桿壓縮技術是海洋平臺伴生氣增壓利用的主流方案。

［1］蘇欣，王勝雷，張琳，等.油田伴生氣利用對策及現狀［J］.天然氣與石油，2008，26（2）：33-37.

［2］譚越.海上油田伴生氣處理及運輸研究［J］.船海工程，2011，40 （1）：135-139.

［3］劉祖仁，邵智生，謝協民.文昌13-1/2油田放空天然氣回收技術的應用［J］.節能與環保，2010，（2）：36-38.

［4］金濤，劉全恩，崔礦慶，等.LD10-1油田天然氣回收工程實踐［J］.中國海上油氣，2009，21（1）：55-60.

Oil Free L iquid-injected Screw Compressor Skid-mounted Technique Used in Associated Gas Recoveryat Offshore Platform

LIZhigui
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

Because of low production volume，multicomponent complexity and high liquid content of associated gas produced at offshore platform，the associated gas is discharged to a flare system to burn off in traditional approach，causing serious marine pollution and huge energy waste.This paper introduces the technique that uses the oil free liquid-injected screw compression apparatus to recover the low pressure associated gas，discusses its typical process flow and technical features，and describes the design of cooler and washing tank，then calculates the profits of the associated gas recovery after the skid-mounted apparatus was installed on the platform.The practice proves the apparatus has good practicability and economy，and promotionalvalue as well.

associated gas recovery；oilfree liquid-injected screw compressor；energyconservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.009

李治貴（1980-），男，山東濰坊人，工程師，2008年畢業于大連理工大學機械設計及理論專業，碩士，現從事海洋石油平臺天然氣壓縮機成橇設計工作。Email：lizhigui@mail.cooec.com.cn

2016-02-18