頁巖氣壓縮機(jī)組特點(diǎn)及性能分析

李書應(yīng)，孟 良，馬紅武，王躍飛，程亞亞

（中石化重慶頁巖氣有限公司，重慶 408400）

1 引言

中國的頁巖油和頁巖氣儲(chǔ)量十分豐富，開發(fā)利用好頁巖氣對(duì)滿足我國不斷增長的能源需求，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)意義重大。壓縮機(jī)作為油氣資源開采的重要設(shè)備，開采時(shí)幫助氣田加壓，增加采氣量，且增壓開采現(xiàn)已成為頁巖氣田增產(chǎn)的關(guān)鍵[1]；長管道運(yùn)輸時(shí)，需要增壓站增壓運(yùn)輸；使用時(shí)需要壓縮機(jī)加壓液化存儲(chǔ)。因此，壓縮機(jī)在頁巖氣領(lǐng)域的應(yīng)用范圍十分廣泛，頁巖氣壓縮機(jī)技術(shù)水平對(duì)頁巖能源領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)。

2 頁巖氣壓縮機(jī)組特點(diǎn)

由于頁巖氣田分布零散，多位于山區(qū)，開采周期相對(duì)較短[2]，開采現(xiàn)場缺水，且靠近居民區(qū)，因此，壓縮機(jī)組要體積小，質(zhì)量輕，便于轉(zhuǎn)場運(yùn)輸，滿足機(jī)組在實(shí)際工作中不斷更換工作地點(diǎn)的需求；冷卻方式只能采用風(fēng)冷；并需嚴(yán)格控制噪聲。此外，井口壓力隨開采進(jìn)度變化范圍大，前期井內(nèi)氣量充足、壓力高，隨著開采進(jìn)行，氣量減少、壓力降低，頁巖氣田的壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力范圍為0.5～3.0 MPa（G），所以頁巖氣壓縮機(jī)還需滿足變工況運(yùn)行要求。

鑒于上述特殊的使用要求，頁巖氣壓縮機(jī)采用對(duì)稱平衡，全風(fēng)冷，高轉(zhuǎn)速，整體橇裝式設(shè)計(jì)，并根據(jù)進(jìn)氣壓力及氣量變化特點(diǎn)設(shè)計(jì)了低進(jìn)氣壓力兩級(jí)壓縮，高進(jìn)氣壓力時(shí)僅二級(jí)氣缸做一級(jí)壓縮，及高進(jìn)壓時(shí)一級(jí)氣缸增加余隙缸的2種氣量調(diào)節(jié)方案。

2.1 機(jī)組平衡方案設(shè)計(jì)

因頁巖氣田多位于山區(qū)，山路狹窄，為運(yùn)輸方便，需盡可能減小機(jī)組尺寸，所以采用高轉(zhuǎn)速短行程設(shè)計(jì)。橇裝無基礎(chǔ)運(yùn)行，需嚴(yán)格控制機(jī)組振動(dòng)，而壓縮機(jī)的慣性力及力矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，采用高轉(zhuǎn)速時(shí)要更謹(jǐn)慎考慮慣性力及力矩的平衡，為此，一是采用對(duì)稱平衡的布置，以使不平衡的力及力矩最小；二是嚴(yán)格控制各列往復(fù)質(zhì)量，將各列質(zhì)量差值控制在0.1 kg以內(nèi)，使各列往復(fù)慣性力盡可能相等；三是精確計(jì)算平衡重大小，以平衡未平衡的力及力矩。其中，平衡重的設(shè)計(jì)有不同方式，需對(duì)比選擇。高轉(zhuǎn)速機(jī)型出于安全考慮，推薦使用整體平衡重，同時(shí)考慮曲軸鍛造的成本，限制胚料外形，采用兩端平衡方式。

D型機(jī)組曲軸的不同平衡方式如圖1所示，由文獻(xiàn)[3]可知，各列往復(fù)質(zhì)量相等時(shí)，D型機(jī)組存在的不平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩mrrω2a，一階往復(fù)慣性力矩msrω2acosθ及二階往復(fù)慣性力矩λmsrω2acos2θ，mr為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，r為曲軸回轉(zhuǎn)半徑，ω為旋轉(zhuǎn)角速度，a為列間距，ms為往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，θ為曲軸轉(zhuǎn)角，λ為曲柄連桿比。由于二階往復(fù)慣性力矩?cái)?shù)值較小，可忽略，而一階往復(fù)慣性力矩?zé)o法僅通過簡單采用平衡重的方法予以平衡，所以機(jī)組平衡重設(shè)計(jì)僅平衡存在的旋轉(zhuǎn)慣性力矩。

圖1 D型機(jī)組平衡重設(shè)計(jì)對(duì)比

當(dāng)平衡重直接附加到曲柄臂（圖1（a））時(shí)，由各質(zhì)量對(duì)中間平面的力矩為零可得

式中 mcw——平衡重質(zhì)量，kg

ρ——平衡重回轉(zhuǎn)半徑，m

c——曲柄臂間距，m

當(dāng)在曲軸兩端增加平衡重（圖1（b））時(shí)，由各質(zhì)量對(duì)中間平面的力矩為零可得

式中 d——D型機(jī)組平衡重間距，m

M型機(jī)組曲軸的不同平衡方式如圖2所示，由文獻(xiàn)可知，各列往復(fù)質(zhì)量相等時(shí)，M型機(jī)組存在不平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩及一階往復(fù)慣性力矩msrω2a（cosθ+sinθ）。

當(dāng)平衡重直接附加到曲柄臂（圖2（a））時(shí)，平衡重設(shè)計(jì)方式同D型機(jī)組，此處不再贅述。

圖2 M型機(jī)組平衡重設(shè)計(jì)對(duì)比

當(dāng)在曲軸兩端增加平衡重（圖2（b））時(shí)，ZOX平面，由各質(zhì)量對(duì)點(diǎn)A的力矩為零可得

式中 m′cw——平衡重在ZOX平面內(nèi)分量，kg

L——M型機(jī)組平衡重間距，m

e——第1列缸到非驅(qū)動(dòng)端平衡重距離，m

m″cw——平衡重在YOX平面內(nèi)分量，kg

f——第4列缸到驅(qū)動(dòng)端平衡重距離，m

M型機(jī)組平衡重質(zhì)量mcw及安裝位置與Z軸的夾角α由式（13）與式（14）可得

M型機(jī)組采用兩端平衡時(shí)，平衡重與曲柄臂夾角呈45°。由于間距d大于間距c，特別是M型機(jī)組，間距e遠(yuǎn)大于c，所以兩端平衡時(shí)所需平衡重質(zhì)徑積更小，胚料外形及機(jī)身尺寸也可以更小。因此，頁巖氣壓縮機(jī)組采用兩端平衡的整體平衡重設(shè)計(jì)。

2.2 變工況及氣量調(diào)節(jié)方案設(shè)計(jì)

頁巖氣項(xiàng)目氣田前期和后期工況條件變化大，壓縮機(jī)需同時(shí)滿足開發(fā)前期和后期工況條件的要求，將活塞力、排氣溫度及功率控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，這就要根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)氣量。

壓縮機(jī)的容積流量由式（15）計(jì)算

式中 Q——容積流量，m3/min

λv——容積系數(shù)

λp——壓力系數(shù)

λl——泄漏系數(shù)

圖3 部分行程壓開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)的指示圖

λT——溫度系數(shù)

Vh——行程容積，m3

n——轉(zhuǎn)速，r/min

容積流量的變化可通過改變以上任一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，一般不選擇溫度系數(shù)來調(diào)節(jié)因其經(jīng)濟(jì)性差，流量調(diào)節(jié)方法大致可分為驅(qū)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)，氣體管路調(diào)節(jié)，氣閥調(diào)節(jié)以及余隙容積調(diào)節(jié)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)，主要是變轉(zhuǎn)速，實(shí)質(zhì)是通過改變轉(zhuǎn)速（降低轉(zhuǎn)速）來達(dá)到不同的容積流量，通常采用變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)。機(jī)組本身的結(jié)構(gòu)不用改變，多級(jí)壓縮時(shí)，級(jí)間壓力也不會(huì)因轉(zhuǎn)速變化而變化。此外，轉(zhuǎn)速降低，工作周期持續(xù)時(shí)間更長，換熱效果增強(qiáng)，過程指數(shù)下降，指示功減少；氣體流速降低，阻力損失降低；摩擦功也隨轉(zhuǎn)速成比例下降。

氣閥調(diào)節(jié)是通過頂開進(jìn)氣閥來實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)，本質(zhì)是改變泄漏系數(shù)。進(jìn)氣結(jié)束，進(jìn)氣閥片被強(qiáng)制地保持在開啟位置，活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，部分氣體經(jīng)未關(guān)閉的進(jìn)氣閥回到進(jìn)氣管道，當(dāng)活塞到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，強(qiáng)制外力消失，進(jìn)氣閥關(guān)閉，缸內(nèi)氣體被壓縮至排氣壓力經(jīng)排氣閥排出，實(shí)際排氣量減少，該調(diào)節(jié)過程指示圖如圖4所示。由圖可知，流量變化程度可通過調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥關(guān)閉時(shí)間實(shí)現(xiàn)，功耗隨氣量減少而成比例降低，經(jīng)濟(jì)性好。但是部分頂開氣閥的調(diào)節(jié)方式需額外設(shè)備投入，費(fèi)用較高，且會(huì)使閥片受到額外的負(fù)荷，撞擊更頻繁，嚴(yán)重惡化閥片壽命及嚴(yán)密性。

余隙容積調(diào)節(jié)，本質(zhì)是改變?nèi)莘e系數(shù)λv，工作時(shí)將氣缸與余隙缸連通，增大余隙容積，從而降低氣量。

頁巖氣壓縮機(jī)組的氣量調(diào)節(jié)采用了變轉(zhuǎn)速，氣閥調(diào)節(jié)和余隙容積調(diào)節(jié)3種方法，設(shè)計(jì)了高進(jìn)壓時(shí)變轉(zhuǎn)速結(jié)合頂開一級(jí)進(jìn)氣閥僅二級(jí)氣缸做一級(jí)壓縮，以及高進(jìn)壓時(shí)變轉(zhuǎn)速結(jié)合余隙缸調(diào)節(jié)兩種方案。

3 性能分析

3.1 動(dòng)力平衡性

機(jī)組曲柄銷質(zhì)量9.6 kg，連桿質(zhì)量25.3 kg，曲軸回轉(zhuǎn)半徑55 mm，列間距165 mm，平衡重間距710 mm（D型）/1410 mm（M型），所需平衡重質(zhì)徑積為351.8 kg·mm（D型）/250.5 kg·mm（M型）。兩端平衡的曲軸如圖4所示，平衡重回轉(zhuǎn)半徑及質(zhì)量為18.9 mm，18.6 kg（D型）/14.1 mm，17.65 kg（M 型），質(zhì)徑積為351.5 kg·mm（D 型）/250.6 kg·mm（M型），與所需質(zhì)徑積相差僅0.3/0.1，可認(rèn)為已平衡。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行良好，振動(dòng)小，振動(dòng)烈度僅為3 mm/s，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求18 mm/s。

圖4 整體平衡重設(shè)計(jì)

3.2 不同氣量調(diào)節(jié)方案性能對(duì)比

頁巖氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)為進(jìn)氣壓力1.0 MPa（G），進(jìn)氣溫度25℃，出口壓力6.3 MPa（G），排量5×104Nm3/d（D型）或10×104Nm3/d（M型）。D型機(jī)組變工況氣量調(diào)節(jié)時(shí)熱力計(jì)算如表1及表2所示，由表可知，2種調(diào)節(jié)方案活塞桿最大載荷、排氣溫度及功率均滿足要求，但余隙缸調(diào)節(jié)時(shí)，相同工況下的比功率小于高進(jìn)壓僅二級(jí)缸做一級(jí)壓縮設(shè)計(jì)。

表1 高進(jìn)壓時(shí)僅二級(jí)氣缸作一級(jí)壓縮

表2 余隙缸調(diào)節(jié)

4 結(jié)論

頁巖氣壓縮機(jī)采用高轉(zhuǎn)速短行程，對(duì)稱平衡設(shè)計(jì)，通過高進(jìn)壓時(shí)變轉(zhuǎn)速結(jié)合頂開一級(jí)進(jìn)氣閥僅二級(jí)氣缸做一級(jí)壓縮，以及高進(jìn)壓時(shí)變轉(zhuǎn)速結(jié)合余隙缸調(diào)節(jié)2種方式滿足開采前期和后期工況要求，經(jīng)現(xiàn)場使用驗(yàn)證，運(yùn)行振動(dòng)小，實(shí)際振動(dòng)烈度為3 mm/s，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求18 mm/s；外形尺寸約為8.5×3.2×3.3（M型），易于轉(zhuǎn)場運(yùn)輸；界區(qū)外噪聲晝間65 dB（A），夜間55 dB（A），達(dá)到設(shè)計(jì)要求。機(jī)組運(yùn)行良好，噪聲、振動(dòng)、能耗等性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可在頁巖能源領(lǐng)域推廣應(yīng)用。