燃驱天然气压缩机组的成撬设计

夏思访

（北京杰利阳能源设备制造有限公司，北京１０１５００）

［摘　要］：天然气压缩机组是页岩气田稳产增产的关键装备，如何更能适应页岩气田的复杂工况，成为了压缩机组设计的重点。设计依据国内外成撬标准，优化工艺流程，采用多种流量调节方式；主机选择ＧＥＡ３５４，驱动机选择国内燃气发动机；机组所有零部件均安装在同一个底撬上，采用无固定连接基础。

［关键词］：页岩气田；压缩机组；燃驱；成撬；无固定基础

中图分类号：ＴＨ４５７　　文献标志码：Ａ

文章编号：１００６－２９７１（２０２２）０１－００１６－０７

１　引言

　　随着威远页岩气井气田开发时间的延长，气井地层能量逐渐衰减。这导致了井底和井口压力降低，部分老井出现携液能力不足和间歇生产等问题，气田持续稳产形势严峻，措施挖潜成为当务之急。维持气井长期稳定生产，最重要的技术是增压开采。天然气压缩机组成为页岩气田稳产增产的关键装备。

页岩气田的工况复杂，宽范围的进口压力，对压缩机的适应性是一大挑战；现场往往是无电或者仅提供照明电，驱动机如何选择？启机用电及控制用电怎么考虑？本文旨在提供一套完整的往复式天然气压缩机组，以优化的工艺流程、针对性强的整体解决方案，来满足气田的控制参数。

２　压缩机组成撬设计

２.１　设计输入

２.１.１　工艺气确认，见表１

　气体组分中ＣＯ２ 含量为１.５％，根据ＡＰＩ１１Ｐ标准１５.４条款规定，在湿气状态下，进气压力不超过１２００ＰＳＩＧ（８.２７５ＭＰａ（Ｇ）），ＣＯ２含量不超过５％时，压缩机采用制造商的标准材料。

２.１.２　机组基本及计参数，见表２

２.２　压缩机主机选型

２.２.１　压缩机主机选型

根据设计参数，结合公司库存压缩机，利用ＧＥ选型软件ＧＥＰＯＷＥＲＦＬＯＷ，对主机选型计算，主机配置：Ａ３５４＋５.２５″×２＋４.２５″×２。

２.２.２　工况计算

通过选型软件，对运行工况进行热力计算，如下表２，统计了进气压力０.５～１.５ＭＰａ，排气压力５.０～６.０ＭＰａ运行工况的主要参数，见表３。

２.２.３　运行数据分析

（１）设计点工况下，进气压力１.０ＭＰａ（Ｇ），进气温度３２℃，排气压力５.５ＭＰａ（Ｇ），压缩机排量大于１０×１０４ｍ３／ｄ；

（２）表中列举的，是在该进气压力下最大的处理量，可通过余隙调节和回流调节处理量；

（３）所有工况的轴功率均控制在３７０ｋＷ 以内，受所选发动机额定功率限制。

２.３　ＰＩＤ图设计及工艺计算

２.３.１　工艺气系统流程

本机组采用优化的工艺流程，即工艺气经由进气滤网、进气气动球阀，进入进气洗涤罐，然后对气体中的固体颗粒进行除杂，完成净化后进入缓冲罐，抑制脉冲，之后进入压缩气缸对其进行压缩，随后进入后冷器对气体进行冷却降温，再进入排气洗涤罐对压缩后气体携带的油污做进一步净化，最后经活塞式单向阀及排气气动球阀送至集气站。

工艺气系统包括：各级进排气系统、分离器排污系统、回流调节系统、放空系统。一级进气系统和末级排气系统设置有气动球阀，机组停机时，用来切断外界系统，这２个阀应是ＦＣ，即失气时阀门处于关闭状态，阀门执行机构的选取，应能满足阀门最大压差下的扭矩，进气最大压差为１.５ ＭＰａ（Ｇ）， 排气最大压差为６.０ＭＰａ（Ｇ）；进气气动球阀并联有旁通管线，该管线配有一个ＤＮ２５的手动球阀，当机组开机时，打开此阀，给系统充气至系统压力０.２～０.３ＭＰａ（Ｇ），满足机组启机条件。

经分离器分离出的水或重烃由排污管线引致压缩机组橇边，再接至场站排污总管线；分离器排污系统分为手动排污和自动排污，手动排污设置有手动阀，自动排污是通过安装在分离器罐上的液位控制器和自动疏水阀实现。

回流调节系统在压缩机组运行中起着非常重要的作用，该系统起自排气分离器之后，终自进气分离器之前，管线中设置有气动调节阀和旁通手阀，用来满足机组启动及流量调节的需要；机组启动时，该管线的２个阀门全开，用来减小启动扭振；加载时，关闭手动阀门，逐渐关小调节阀，缓慢加载，直至满足外输压力；正常运行时，通过一级进口压力来控制调节阀，稳定入口压力。

放空系统包括紧急泄放系统和安全阀超压泄放系统。紧急泄放系统设置有自动放空阀，用于机组故障或者停电停机时，１５ｍｉｎ内将系统压力降至６９０ｋＰａ或者５０％设计压力，取其中较低值［１］。安全阀超压泄放系统，是指在压缩机组进出口及每一级排气管线上设置有安全阀，系统压力超过设定压

力，安全阀全流量泄放。

２.３.２　工艺计算

工艺计算主要用以确定分离器尺寸、缓冲罐尺寸、管径、安全阀初步选型。

关于分离器尺寸的计算，可根据ＧＢ／Ｔ２５３５９《石油及天然气工业用集成撬装往复压缩机》介绍的公式，缓冲罐尺寸的确定也可根据该标椎中的附

录Ｂ规定的系数乘以各气缸的行程容积［２］，最终还需经脉动分析后确认。

管径＝容积流量／流速，容积流量通过选型软件计算得到，流速可根据ＨＧ／Ｔ２０５７０.６《管径选择》中推荐的压缩机气体流速“ｐ＝１.０～１０.０ＭＰａ（Ｇ）Ｖ＝１０～２０ｍ／ｓ” 初步选定［３］，根据经验，压力小

于５.０ＭＰａ流速可选择１３～１５ｍ／ｓ，压力５.０～１０.０ＭＰａ流速可选择１０～１３ｍ／ｓ，１０.０ＭＰａ以上，流速就要控制在５～１０ｍ／ｓ。管径计算也可根据以下国外某压缩机组成撬公司经验公式

如图１工艺气ＰＩＤ图，在压缩机一级进气及各级排气设置安全阀，各级排气安全阀的整定压力，根据ＧＢ／Ｔ２５３５９中推荐，压力小于１７ＭＰａ，为工作压力的１.１倍；一级进气安全阀的整定压力，应是均压的１.１倍，压缩机组紧急停机时，机组的进、出口阀门自动关闭，旁通回流阀自动打开，整个机组内部最终压力平衡至某一个值［４］，即为均压。可将安全阀的放空数据输入ＡｓｐｅｎＨＹＳＹＳ软件进行安全阀选型计算，也可采用ＡＰＩＲＰ５２０《炼油厂泄压装置的设置、选择和安装》［５］推荐的公式计算出安全阀孔口面积，然后根据ＡＰＩ５２６《钢制法兰连接泄压阀》［６］选择标准尺寸，最终以安全阀厂家计算为准。

２.３.３　橇外管线流程

压缩机组橇与页岩气场站之间的工艺气流程也属于本次设计范围，如图２。

隔离，因此每条与场站相连的管线均设置手动球阀。

在井气田开采初期，来自多口井的天然气汇集于分离器，进行气液分离，可自行憋压至５.０～６.０ＭＰａ（Ｇ），直接外输，引入压缩机组后，在开机之前，压缩机组的进口压力等于外输压力，而该进气压力，是满足不了压缩机组的进气压力０.５～１.５ＭＰａ（Ｇ）的要求，因此在压缩机组入口配有自力式调压阀，使入口压力降压至０.５～１.５ＭＰａ（Ｇ）。

在进排气管线中间设有止回阀的连通管线，通过该阀可以完成“越站”功能。

２.３.４　润滑油系统流程，如图３。

压缩机润滑油系统分为两部分：曲轴箱运动部件润滑系统、气缸和填料润滑系统。

（１）曲轴箱运动部件润滑系统

主要包括：主油泵、预润滑油泵、调压阀、油冷器、油滤器、高位油箱、浮子液位开关，润滑管路等。

作用：为压缩机各运动部件提供润滑油。齿轮驱动的润滑油泵安装在压缩机辅助端。油泵能将润滑油从曲轴箱油池输送到轴承、连杆和十字头。可调的压力泄放阀安装在油泵上并提供冷机启动保护。其他包括低油压停机开关，安装在机体上的油位指示器。

　本机组设置有自动补油装置，以补充机身润滑油池内润滑油的消耗。

润滑油设置有预润滑油泵。压缩机启机前，先启动预润滑油泵，预先对主轴承、十字头进行充分润滑。

（２）气缸和填料润滑系统

主要包括一套强制注油系统和分配系统，能为气缸内壁和活塞杆填料提供润滑。润滑油粘度应该根据气缸运行压力条件进行选择。本系统可以使用来自曲轴箱的油。

２.３.５　仪表控制配置

压缩机设备有以下自动停机保护。压缩机运行中任何一个参数达到设定值时，压缩机将自动紧急停机：润滑油油压低０.２５ＭＰａ（Ｇ）、润滑油温度高８８℃、气缸润滑油无油流３８ｓ、曲轴箱油位低１／４视窗位置、一级进气压力高１.６５ＭＰａ（Ｇ）、一级排气温度高１２０ ℃、一级排气压力高３.１５ＭＰａ（Ｇ）、二级排气温度高１５５℃、二级排气压力高６.４０ＭＰａ（Ｇ）、各级分离器液位高４００ｍｍ。

２.４　主要设备选型

２.４.１　压缩机装配

如表４库存压缩机，根据压缩机选型配置，机体采用Ａ３５４，将其中２个（４″～２″）级差缸及注油系统拆除，替换为Ａ３５２的２个５.２５″气缸。

对置两列气缸的运动部件（包括活塞总成、十字头总成、配重块）重新称重，通过调整配重块或更换轻型十字头，使对置两列气缸的运动部件的重量差控制在２００ｇ以内。

由表５看出，４.２５″气缸还需要增加３.６４ｋｇ的配重，然而空间受限，无法增加，最后将５.２５″气缸的十字头更换为１０″气缸的轻型十字头（５.５８６ｋｇ），再通过调整配重块，使对置两列气缸的运动部件的重量差控制在２８ｇ。油分配器改造：原有的（４″－２″） 级差缸的油分配器是由２个１８Ｔ的分配块分别给４″和２″气缸供油，改为５.２５″气缸后，则多出一个１８Ｔ的分配块，经过拆卸油分配器，了解其结构后，直接将其中一个１８Ｔ的分配块拆除，通过加工一个安装垫板，将改造后的油分配器安装于机体上（图４）。

２.４.２　驱动机选型

因现场电力受限，又考虑到井口有充足的燃料气，所以驱动机有２种选择：（１）电机驱动，需额外配置一台发电机组。（２）燃气发动机驱动。第一

种方案消耗气量大，浪费功率，并且还要购电机，生产成本高。本机组选用国产潍柴动力的燃气发动机，通过弹性膜片联轴器直接驱动压缩机。发动机型号６Ｍ３３Ｄ４８０Ｅ３１１ＮＧ，持续输出功率４０８ｋＷ＠１８００ｒ／ｍｉｎ，６缸、四冲程、直喷、增压中冷，是潍柴动力国内首次开发，由柴油机改造；配套系统如下：

（１）冷却系统发动机尾轴通过皮带驱动风扇，且配有冷却水箱和中冷器，相比国外发动机，省去了夹套水系统、中冷水系统、补水排气系统，同时空冷器也不需要额外配置夹套水和中冷水管束；（２）润滑系统无需预润滑系统和补油系统，定期保养更换机油滤和机油；

（３）启动系统业主要求采用电动启动马达，发动机厂家配带两块１２Ｖ、１８０Ａｈ的蓄电池，极限情况下满足启动６次；

（４）发电系统发动机配有一台２８Ｖ、７０Ａ的发电机，由尾轴通过皮带驱动，压缩机组正常运行时，发电机除了向蓄电池充电外，还要满足压缩机组和发动机ＰＬＣ控制柜的用电需求；

（５）燃料气系统发动机厂家散装带有滤清器、调压器（调压前２０～４０ｋＰａ）、切断阀，需要设计燃料气管线，用来向发动机供给燃料气；本次设计

燃料气取自压缩机组一级进气分离器，后设置一精过滤器（过滤效率不低于９８％，过滤精度不低于０.５μｍ），用来确保进入发动机燃料气的清洁度；

（６）排烟系统发动机厂家散装配有波纹管、排烟管道、Ｖ型法兰、消声器，本次设计将放空消声器放置于空冷器上方，消声器出口设置有阻火器，发动机排放的尾气经阻火器排出后由空冷器吹散。

２.４.３　冷却器选型

冷却器包括冷却工艺气用的空冷器和润滑油冷却器。

根据总图布置，本文选用立式引风式空冷器，空冷器的设计及制造标准依照《空冷式热交换器》ＮＢ／Ｔ４７００７标准设计。设计参数依据表１运行工况参数表，设计工况换热面积考虑１０％ ～２０％裕度，空冷器除满足设计工况，还应在最大工况下满足换热要求，根据表１中数据，可按温度差乘以流量作为系数，找到最大工况作校核点，空冷器热力计算按此作校核，校核点可不留裕度。

本文采用板翅式油冷器，按照ＪＢ／Ｔ７２６１《铝制板翅式换热器技术条件》及焊接的技术文件制造和验收。设计参数从选型软件ＧＥＰＯＷＥＲＦＬＯＷ －ＦＲＡＭＥＤＡＴＡＳＨＥＥＴ中选取：流量５５Ｌ／ｍｉｎ，热负

荷３５２０Ｗ，因现场无动力电，油冷器选用自然风冷，放置于空冷器进风口，提升换热效果。

２.４.４　联轴器选型

天然气压缩机组的成撬设计中，一般选用叠片挠性联轴器，首先根据压缩机和发动机的连接尺寸及传递功率，联轴器厂家初步选型，然后根据扭振分析结果，最终确定联轴器的性能参数及是否需要增加飞轮或惯量环。

本机组选用国产无锡创明，型号为ＴＤ８－３３００Ｒ－Ｆ（Ｚ）的挠性联轴器，扭振分析厂家选用中加，按照ＡＰＩ６１８和ＡＰＩ６８４标准、使用时域和频域相结合的方法，依据压缩机、发动机、联轴器的扭转刚度和转动惯量，结合压缩机组的运行工况，得出分析结果：联轴器无需增加惯性环，同时

给出了扭转共振转速，应尽量避开。

２.４.５　高位油箱和集污罐选型

高位油箱主要用于给气缸注油器和曲轴箱补油，应能维持机组约１０天连续工作。压缩机润滑油的消耗主要体现在气缸润滑和填料润滑，用于气缸润滑的润滑油随工艺气经下一级分离器分离后排污，用于填料润滑的润滑油通过排污管引至集污罐，再有安装在集污罐的排污阀定时排污。以下是根据ＧＥ成撬规范，计算填料和气缸耗油量：单个填料耗油量（ｐｉｎｔ／ｄ）＝０．００００６３２×活塞杆直径（ｉｎ）×冲程（ｉｎ）×转速（ｒ／ｍｉｎ）气缸耗油量（ｐｉｎｔ／ｄ）＝０．００００３１６×缸径（ｉｎ）×冲程（ｉｎ）×转速（ｒ／ｍｉｎ）注：１ｐｉｎｔ＝０.５６８Ｌ，１ｉｎ＝２５.４ｍｍ计算出每天的耗量，就能计算出供１０天补油的高位油箱容积，集污罐容积仅考虑填料耗油即可，一般满足７天储存量。

２.５　压缩机组总图布置

本次设计有以下要点：

（１）本着布局合理，操作方便的原则，尽可能减小橇体尺寸，本机组外形尺寸：１１ｍ×３.３ｍ×３.３ｍ（长×宽×高），总重：４３ｔ；

（２）所有与外界相连的接口，配配对法兰引至橇边，且在橇座同一端，便于现场安装；

（３）所有管线管卡均采用扁钢制作，且管道与管卡之中垫衬一周２～３ｍｍ的四氟垫；

（４）所有管卡或支撑钢结构均安装在底梁上；

（５）橇座下底梁选用型钢ＨＭ２９４×２００×８×１２Ｑ２３５Ｂ，压缩机和发动机支撑梁选用型钢ＨＮ５００×２００×１０×１６Ｑ２３５Ｂ；

（６）橇座空地铺设有５ｍｍ厚的花纹钢板；

（７）所有安全阀均设有支撑，生根与就近管卡的扁钢上；

（８）各级排气缓冲罐安装２个楔形支撑，靠近出口处安装一个捆绑式支撑；

（９）压缩机、发动机、中体支撑、各级分离器下方灌浆Ｃ３０混凝土，以增加底座结构的刚度，同时降低机组重心高，提供运行的稳定性；

（１０）压缩机、发动机、中体支撑下方设有调整垫板，该调整垫板可用细牙顶丝顶起，对中完成后，在调整垫板与橇座中间灌浆环氧树脂，最后将地脚螺栓打合适的扭振拧紧；

（１１）空冷器的风机是由发动机驱动的，发动机尾轴通过皮带将扭矩传递给传输轴，该传输轴φ５０ｍｍ×１４００ｍｍ，设有安装在底座上的２个滚动

轴承，最终传输轴再通过皮带，带动风机旋转；

（１２）油冷器为自然通风，将其布局在空冷器的入口，提高油冷器的换热效果；

（１３）本机组设置有集装箱，考虑到发动机自带风机及水箱与空冷器的相对位置，无法将空冷器布局在集装箱内，因此集装箱尺寸设计为７.９ｍ×３.３ｍ×３.１ｍ （长×宽×高），空冷器裸露在外面；集装箱顶部设有２根方管１００ｍｍ×６ｍｍ，一根用来做排烟管道支撑，一根上面焊有吊环，用于起吊缓冲罐，２根方管的设计位置，刚好设置在现场单点吊装压缩机组时的吊绳处， 不至于使集装箱变形；

（１４）无固定基础设计需考虑以下问题：（ａ）压缩机组配重，成本在可控范围内，尽量加大压缩机组的重量，在关键部件下面灌浆混凝土；（ｂ） 所有外接管口均采用柔性连接， 小管线且压力５.０ＭＰａ以下的可以用法兰式金属软管，ＤＮ８０以上的管线，压力５.０ＭＰａ以上，则选用带防爆环的

大拉杆膨胀节。

２.６　基础设计

本压缩机组采用无固定连接，即橇座与地基没有地脚螺栓相连，根据以往项目经验，为吸收压缩机组振动，同时防止其产生的能量传递给地面，在现场硬化地面上设置基础，四周围堰采用钢筋混凝土结构，内部填充砂石。

３　结论

　　撬装压缩机即是指固定在可以方便移动、安装的公共底座上的压缩机组设备。撬装压缩机也就是已经将压缩机本体及附属设备安装好了的一个整体式集合，它具有较完整的功能性和自足性［７］；本文依据国内外成撬标准，提供一套完整的撬装天然气压缩机组，满足用户井口气增压的需求。

首先根据现场操作条件，利用ＧＥ选型软件ＧＥＰＲＯＷＥＲＦＬＯＷ，对压缩机进行选型，且对各个运行工况进行热力计算，列举出运行工况数据表，以

此为依据，作各个辅机的选型；压缩机定型后，为降低生产成本，消耗库存，对库存压缩机进行重组，装配时能考虑配重和油分配块问题；然后根据项目特点，进行ＰＩＤ图设计，用于井口气增压的压缩机，进出口设计压力应是一样的，橇外管线设计时，应考虑压缩机停机或者检修时，具有“越站”功能；最后通过压缩机组总体布置，提出一些设计要点，用于指导其相关设计。

参考文献：

［１］　ＳＹ／Ｔ１００４３泄压和减压系统指南［Ｓ］．

［２］　ＧＢ／Ｔ２５３５９石油及天然气工业用集成撬装往复压缩机［Ｓ］．

［３］　ＨＧ／Ｔ２０５７０.０６化工装置工艺系统工程设计规定管径选择［Ｓ］．

［４］　张磊．天然气压缩机组放空系统设计［Ｊ］．压缩机技术，２０１８．

［５］　ＡＰＩＲＰ５２０炼油厂泄压装置的设置、选择和安装［Ｓ］．

［６］　ＡＰＩ５２６钢制法兰连接泄压阀［Ｓ］．

［７］　马天娇，崔维，王国鹏．撬装压缩机优点及注意事项［Ｊ］．科技资讯，２０１４．

作者简介：夏思访（１９８５－），男，河南太康县人，工程师，主要从事天然气压缩机组的成撬设计工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｓｉｆａｎｇ＠ｊｅｒｒｙｗｏｎ．ｃｏｍ．ｃｎ