透平驅(qū)動濕氣壓縮機三級串聯(lián)技術(shù)

摘要

氣田工況原因和下游用戶對天然氣的旺盛需求導(dǎo)致東方l-1氣田中心平臺濕氣壓縮機工程比原計劃提前4年實施。

摘要 氣田工況原因和下游用戶對天然氣的旺盛需求導(dǎo)致東方l-1氣田中心平臺濕氣壓縮機工程比原計劃提前4年實施。該氣田的復(fù)雜工況要求壓縮機組工作區(qū)間必須非常寬、備用系數(shù)高、切換迅速，而海上施工條件又決定了濕氣壓縮機工程施工時無法整體預(yù)制吊裝，工程時間緊，工程預(yù)算費用僅為合作氣田同類項目的1／3。為此，研發(fā)了透平驅(qū)動濕氣壓縮機三級串聯(lián)工藝：利用機組喘振工藝，修改了濕氣壓縮機軟件，使用入口旋流分離器和出口海水冷卻器，通過喘振閥形成小循環(huán)把機組運轉(zhuǎn)起來，實施精確控制，以實現(xiàn)多機組的切換和串聯(lián)運行。并對其設(shè)備進行了國產(chǎn)化研究，通過實施內(nèi)循環(huán)單機調(diào)試技術(shù)、組裝式吊機海上吊裝技術(shù)、電氣系統(tǒng)不停產(chǎn)改造技術(shù)和總體配管優(yōu)化技術(shù)，對設(shè)計施工調(diào)試技術(shù)進行了創(chuàng)新，實現(xiàn)了項目在預(yù)算內(nèi)快速高質(zhì)量投產(chǎn)。工程投用后每天增產(chǎn)天然氣(40～120)×10⁴ m³，滿足了復(fù)雜工況下的氣田開發(fā)和下游天然氣用戶的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞 東方1-1氣田濕氣壓縮機三級串聯(lián) 國產(chǎn)化不停產(chǎn) 調(diào)試技術(shù) 吊裝技術(shù) 自主設(shè)計

中國海洋石油有限公司東方l-1氣田投產(chǎn)后，低烴井的C0₂含量普遍升高，高烴井的井口壓力下降較快。為了滿足下游用戶對天然氣的需求，增大了低烴高含C0₂氣井的產(chǎn)量，利用濕氣壓縮機增壓提高輸量。但該氣田的復(fù)雜工況要求壓縮機組工作區(qū)間必須非常寬、備用系數(shù)高、切換迅速，而海上施工條件又決定了濕氣壓縮機工程施工時無法整體預(yù)制吊裝，工程時間緊，工程預(yù)算費用僅為合作氣田同類項目的1／3 ^[1]。為此，研發(fā)了透平驅(qū)動濕氣壓縮機三級串聯(lián)工藝，并對其設(shè)備國產(chǎn)化和設(shè)計施工調(diào)試技術(shù)進行了創(chuàng)新，實現(xiàn)了項目在預(yù)算內(nèi)快速高質(zhì)量投產(chǎn)。

1透平驅(qū)動大功率高壓濕氣壓縮機三級串聯(lián)工藝

透平驅(qū)動大功率高壓濕氣壓縮機本身工藝系統(tǒng)非常復(fù)雜，自成體系且完全自動化控制，在有限的空間通過增加閥門和管線來實現(xiàn)三級串聯(lián)工藝系統(tǒng)設(shè)計是一個繁雜而系統(tǒng)的創(chuàng)新工程，該工藝設(shè)計不僅要滿足機組單機運行和互相切換、兩臺串聯(lián)、先后啟動和切換運行、三臺串聯(lián)和啟動推出等，還要滿足多工況啟動、運行、停機、機組不同組合并入、退出、單機、二機串聯(lián)和三機串聯(lián)不停產(chǎn)調(diào)試、二機串聯(lián)快速切換、轉(zhuǎn)換、機組在不同運行工況下的具有高備用系數(shù)等要求。

根據(jù)壓縮機的組合工況進行機組串聯(lián)、切換工藝設(shè)計。機組切換、串聯(lián)時上級壓縮機組會對下一級機組產(chǎn)生巨大的沖擊，為此，利用機組喘振工藝，修改了濕氣壓縮機軟件，使用入口旋流分離器和出口海水冷卻器，通過喘振閥形成小循環(huán)把機組運轉(zhuǎn)起來，實施精確控制，以實現(xiàn)多機組的切換和串聯(lián)運行。不同階段壓縮機的組合工況見表l。

根據(jù)不同的工藝工況需求，機組在不同組合、不同工況下均運行在高效區(qū)，遠離喘振區(qū)。透平選用同一型號(Taurus 70)。3臺離心式壓縮機為同一系列，但葉輪大小、壓比稍有差異，分為LP、HP和SB。機組采用干氣密封。

根據(jù)所提供的設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，壓縮機的入口壓力最大為6 685 kPa，因此，分離器的設(shè)計壓力為7 300 kPa。

2相關(guān)設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新及其國產(chǎn)化研究

2．1 濕氣壓縮機前置旋流分離器

2．1．1 相關(guān)設(shè)計

壓縮機采用三級增壓，每級壓縮機前采用旋流分離器去除來氣中的游離水及固體顆粒。為確保系統(tǒng)正常工作，要求各壓縮機能夠如以下模式工作：模式l，第一級、第二級和第三級前置分離器都可以作為第一級前置分離器使用；模式2，第二級、第三級都可以作為第二級前置分離器使用；模式3，第二級、第三級都可以作為第三級前置分離器使用。這就要求各旋流分離器在3種工況下都能夠正常工作。為此，選用了具有高分離效率的導(dǎo)葉式旋風(fēng)管(圖1)。前置旋流分離器的分離效率^[2]見表2。

對旋風(fēng)子的氣液分離特性曲線進行了分析，試驗結(jié)果表明：①氣液分離效率隨含液量降低而增大，因此實際分離效率會更高；②氣液分離效率隨旋風(fēng)子截面氣速增大而下降，這與氣固分離剛好相反；③氣固、氣液分離壓降關(guān)系基本一致。因此，下面僅討論壓降關(guān)系特性。

2．1．2設(shè)計計算

2．1．2．1氣固分離

設(shè)計基本原則是在許可壓降下，為了保證高分離效率，使旋風(fēng)子截面氣速不低于3.5 m／s。

1)設(shè)定旋風(fēng)子數(shù)量為96，從而模擬計算出常溫下旋風(fēng)子最大允許壓降，并按工作參數(shù)計算得到旋風(fēng)子實際壓降值，比較二者可知，在此狀態(tài)下旋風(fēng)子實際壓降值要比最大許可值小很多，也就是說在許可壓降值范圍內(nèi)有較大的設(shè)計調(diào)節(jié)度。

2)為了保證較高的分離效率，設(shè)定旋風(fēng)子工作表觀截面氣速，而后模擬計算在該表觀截面氣速下需要旋風(fēng)子的數(shù)量及該工況下旋風(fēng)子壓降值的大小，并與該工況下旋風(fēng)子許可最大壓降值進行比較。比較結(jié)果可知，各工況下旋風(fēng)子壓降值均比許可最大壓降值小，顯然假定的旋風(fēng)子表觀截面氣速值大小基本可行。

2．1．2．2氣液分離

氣液分離時旋風(fēng)子除液效率隨工作截面氣速增大而降低，因此，設(shè)計時以旋風(fēng)子工作截面氣速不大于3.5 m／s為基本原則，并考慮分離器旋風(fēng)子實際數(shù)量的限制，設(shè)計過程同氣固分離心^[2]。

濕氣壓縮機前置旋流分離器旋流分離元件聯(lián)合國內(nèi)廠家自行設(shè)計，旋流分離由中國石油大學(xué)(華東)編制軟件完成計算，并進行了實物分離模擬。

2．2鈦制大型天然氣海水冷卻器

天然氣經(jīng)過濕氣壓縮機強力壓縮后，溫度升高，進入下一道工藝流程前需要進行冷卻降溫。天然氣海水冷卻器是利用清潔、環(huán)保、廉價的海水來冷卻天然氣的管殼式換熱裝置(圖2)，采用管內(nèi)和管外單相強制對流換熱理論研制而成，是典型的間壁式換熱裝置。海水冷卻器受壓部件工作在海水和含C0₂濕天然氣的腐蝕環(huán)境中，所以，其良好的耐蝕性、抗振性和經(jīng)濟性是產(chǎn)品研制的關(guān)鍵技術(shù)問題。

海水冷卻器研制關(guān)鍵技術(shù)：

1)在選材方面，采用TA2材料的全鈦殼體、管板、管束和16 Mn+TA2、16 MnR+316 L等復(fù)合材料，從根本上解決了海水和C0₂的腐蝕問題。

2)在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用同材對接焊、角焊、對接焊+條襯雙密封焊和異材爆炸焊、螺紋連接等技術(shù)，解決了產(chǎn)品連接結(jié)構(gòu)的耐蝕性問題。

3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，殼側(cè)法蘭采用l6 Mn+TA2襯環(huán)形式的松套法蘭結(jié)構(gòu)，大幅降低了產(chǎn)品的制造成本。管側(cè)法蘭采用316 L+16 Mn復(fù)合材料的殼體及整體法蘭結(jié)構(gòu)，解決了管箱的耐壓和防腐問題。

4)在抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，為防止高速流動的海水橫向沖刷管束時誘導(dǎo)管束振動，采用了折流板缺口區(qū)不布管和管束施加支撐板的設(shè)計方式，提高了管束的整體固有頻率，消除了管束的振動傾向。此外，為防止管束進口處受海水的強力沖刷受損或引起管束劇烈振動，在管束進口處還裝設(shè)了防沖板。

2．3干氣密封系統(tǒng)

干氣密封系統(tǒng)對于濕氣壓縮機來說至關(guān)重要，壓縮機依靠高壓干氣進行密封，干氣壓力不夠?qū)⒛p和損壞濕氣壓縮機。以往項目干氣密封設(shè)備依賴進口，且其體積大、費用高、采辦周期長。通過研究采用國產(chǎn)航天使用的高壓氣體壓縮設(shè)備，其設(shè)計流程簡潔，操作方便、可靠．維護工作量少，占地小，投資省，采辦周期短。

干氣密封增壓系統(tǒng)以3臺增壓設(shè)備并聯(lián)的形式，將10.0 m³／min、6.8 MPa的天然氣增壓至8.4 MPa后輸出。系統(tǒng)核心為3臺氣動氣體增壓泵，其為空氣驅(qū)動、無油、無潤滑、自冷卻、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠的增壓設(shè)備。系統(tǒng)采取氣體驅(qū)動方式，驅(qū)動設(shè)備運行的氣源為0.8 MPa的壓縮空氣。系統(tǒng)啟動方式為手動，并在天然氣輸出壓力達到8.4 MPa時自動停機，而在天然氣輸出壓力低于7.6 MPa時自動開機。系統(tǒng)采用封閉式不銹鋼金屬外殼，并配有便于觀測的控制面板。

2．4濕氣壓縮機“一控三”監(jiān)控系統(tǒng)

濕氣壓縮機三級串聯(lián)運行操作非常復(fù)雜，為便于現(xiàn)場的閥門動作監(jiān)控、機組運行狀態(tài)監(jiān)視和就近操作控制，監(jiān)控系統(tǒng)采用就地控制盤的監(jiān)控方式，同時在東方1-1氣田MCC房增加監(jiān)控終端，以達到在MCC進行透平參數(shù)監(jiān)控的目的。應(yīng)用“一控三”技術(shù)，僅增加1套監(jiān)控裝置，進行切換顯示和同時顯示，實現(xiàn)3臺機組的同時監(jiān)視和控制。

濕氣壓縮機“一控三”監(jiān)控系統(tǒng)，由一套非工控機電腦和標(biāo)準(zhǔn)TT4000人機界面軟件組成，顯示單元通過友好的人機界面執(zhí)行多功能的系統(tǒng)顯示^[3]。人機界面同時監(jiān)控透平和壓縮機的各參數(shù)，計算執(zhí)行因素，報告報警，顯示運行狀態(tài)，存儲數(shù)據(jù)，并執(zhí)行一系列廣泛的分析計算。通過在濕氣壓縮機現(xiàn)場控制盤安裝1784-CNBR通信模塊，使用RG6同軸電纜連接到MCC監(jiān)控終端，并通過VDU的TT4000多機組顯示軟件進行切換顯示和同時顯示，實現(xiàn)3臺機組的同時監(jiān)控。

天然氣工業(yè)

3相關(guān)工程施工調(diào)試技術(shù)創(chuàng)新

3．1 內(nèi)循環(huán)完成單機調(diào)試技術(shù)

濕氣壓縮機單機常規(guī)調(diào)試方法會使用單獨的循環(huán)調(diào)試工藝流程，需要安裝大型精密空氣濾器利用空氣進行調(diào)試。而東方l-1氣田海上現(xiàn)場無法滿足上述條件，且為了單機調(diào)試停產(chǎn)代價也太大。為此，結(jié)合海上現(xiàn)場實際情況以及項目的工藝特點，從高氮井引出l條管線注入壓縮機單機工藝流程，修改濕氣壓縮機軟件，使用入口旋流分離器和出口海水冷卻器，通過喘振閥形成小循環(huán)進行運轉(zhuǎn)調(diào)試，實施精確控制，以實現(xiàn)單機性能測試。具體流程為：①臨時從高氮井引出1條管線，接人壓縮機組加載閥前；②旁通旋流分離器2個腔室的液位信號LALL和LAL；③打開加載閥，對系統(tǒng)進行掃線、沖壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力上升到設(shè)定壓力時停止沖壓；④對機組進行功能測試；⑤檢查記錄燃料氣的用量；⑥取樣化驗，檢查旋流分離器的處理效果。

3．2組裝式吊機實施海上吊裝技術(shù)

濕氣壓縮機工程需要將3臺旋流分離器(34 t)和3臺海水冷卻器(19 t)吊裝到東方卜l氣田CEP平臺上。海上施工船舶資源緊張，氣田附近無作業(yè)船舶。如果從別的海域調(diào)遣合適的施工船舶，費用會特別大。經(jīng)研究，采用組裝式吊機來進行設(shè)備吊裝，可滿足設(shè)備吊重、項目進度、費用等要求。

3．2．1 吊機安裝位置的選擇

將組裝式吊機(11 t)吊上平臺需要平臺南側(cè)吊機(15 t)來進行。

3．2．2 平臺加固

通過建模分析和計算可知，需要在中層甲板至頂層甲板間需要進行斜撐加固。

3．2．3 外加平臺的局部割除

平臺南側(cè)中層甲板相對頂層甲板沒有外飄，頂層甲板邊緣粱距離主承重粱7 m，另外在A0粱外側(cè)后增加一個3 m寬10 m長的吊貨甲板，組裝式吊車安裝在A0軸北3 m的位置上(即A和A0軸之間)，吊裝時需要割下1 m²的一塊甲板，吊車才能進行吊裝作業(yè)。割除甲板斷面需用鋼板焊接進行防護措施，以便吊裝作業(yè)時對吊機鋼絲繩進行保護。

3．2．4 吊索具的選擇

1)旋流分離器^[4]：單件分離器重量為30.148 t，考慮掛繩、吊高、平臺設(shè)施等，選擇6 m長鋼絲繩，每個分離器配2條繩，仰角為81.9^。，每條鋼絲繩受力為15.2 t，選擇?42 mm×6 m鋼絲繩，破斷力為l83 t，此時安全系數(shù)n>6(183÷15.2=12.0)。

2)海水冷卻器：單件重量為19 t，選擇15 t×l0 m的吊帶，中間用5 t倒鏈調(diào)平，穿繩后繩長及仰角為70^。和78.5^。，吊帶受力為12.4 t。選擇15 t×l0 m的吊帶，破斷力為90 t，此時安全系數(shù)n>6(90÷12.4=7.2)。

3．2．5 吊機和設(shè)備的裝船

海上吊裝時受天氣和海況等因素的影響較大，考慮到運輸船在吊裝和待命期間的穩(wěn)定性和安全，須注意配載。運輸船配載時應(yīng)充分考慮先吊裝的設(shè)備離船后，剩下設(shè)備對運輸船穩(wěn)定性的影響，因此，需要確定設(shè)備吊裝的順序。同時，由于旋流分離器設(shè)備高近l0m，以往的海上吊裝都采用駁船進行運輸，而本次吊裝沒有駁船資源，采用了拖輪進行運輸，因此，做了大量細致的設(shè)計和安裝固定工作。設(shè)備采用硬連接方式固定，固定支架與拖輪甲板焊接固定。

3．2．6 吊機的組裝

吊機部件由平臺南側(cè)吊機吊上平臺并協(xié)助組裝。組裝順序為：吊機導(dǎo)軌、底座、機體和扒桿。

3．2．7 吊機、平臺固定及吊重測試

吊機軌道與平臺固定之前需要進行計算確定設(shè)備吊裝過程是否滿足規(guī)范和安全要求。吊機安裝完畢后，必須進行吊重測試，試驗方法如下：在吊機導(dǎo)軌長度方向內(nèi)，選擇一個合適位置的結(jié)構(gòu)點，(強度足夠)焊接一吊耳，根據(jù)吊機性能曲線及該點至吊機中心的距離(吊裝半徑)，查出吊機吊重數(shù)值，以1.25倍的系數(shù)乘以該數(shù)值，作為測試值，只要在此吊裝半徑內(nèi)，起吊時，吊機計力器顯示出該數(shù)值而吊機無異常即為測試合格。

3．2．8設(shè)備吊裝

為了不影響東方1-1氣田CEP平臺生產(chǎn)，設(shè)備吊裝在不停產(chǎn)的條件下進行。拖輪靠泊之后，按順序?qū)υO(shè)備進行解焊、吊離。設(shè)備吊上平臺之后，需要進行推拉移位，將設(shè)備移到最終安裝位置。

3．3 電氣系統(tǒng)不停產(chǎn)改造技術(shù)

濕氣壓縮機工程低壓柜電氣改造是項目的關(guān)鍵點，只有其改造完成，才能進行濕氣壓縮機輔助系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試投用等工作?？紤]到東方l-1氣田抗停產(chǎn)能力弱，氣田負荷較小，主要設(shè)備一用一備可以通過A／B母排切換實現(xiàn)改造工作，進行低壓柜電氣不停產(chǎn)改造，避免停產(chǎn)造成減產(chǎn)^[5]。

低壓柜電氣改造主要工作內(nèi)容有：新增1個饋電柜，與低壓柜LB母線連接；舊開關(guān)柜進行22個抽屜回路的改造。通過實施可拆卸式組裝的安裝方式，2個8E抽屜合并為16E抽屜工作直接可以通過不停電進行改造。新增開關(guān)柜和21個開關(guān)抽屜在工廠內(nèi)生產(chǎn)改造完成。

3.4 總體配管優(yōu)化技術(shù)

1）采用三維設(shè)計軟件PDMS搭建1:1的設(shè)備、結(jié)構(gòu)和管線模型。東方1-1氣田二期開發(fā)工程項目濕氣壓縮機工程引進三維設(shè)計軟件PDMS，在項目的設(shè)計中避免了很多大尺寸管線、設(shè)備、支架的碰撞問題，方便指導(dǎo)項目施工作業(yè)。三維模型和現(xiàn)場照片對照情況見圖3。

2)總體布置因地制宜。東方1-1氣田上層甲板預(yù)留位置平面空間有限，東方l-1氣田二期開發(fā)工程項目濕氣壓縮機工程充分利用上層甲板空間高度的優(yōu)勢，在濕氣壓縮機、前置旋流分離器和海水冷卻器的上方以及安全閥平面設(shè)計甲板，搭建二層平臺，布置管線、閥門、設(shè)備，同時便于以后生產(chǎn)人員的操作和維修。

3)采用CAESARII應(yīng)力分析軟件，圓滿解決應(yīng)力問題。濕氣壓縮機為大型動設(shè)備，且管線尺寸很大(管徑為406.4～609.6 mm)，而濕氣壓縮機對應(yīng)力要求非常苛刻，東方1-1氣田二期開發(fā)工程項目濕氣壓縮機工程引進CAESARII應(yīng)力分析軟件，并結(jié)合PDMS三維軟件調(diào)整管線走向，減少設(shè)備管嘴的應(yīng)力集中，為設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)提供了有力的保障。管線應(yīng)力分析三維效果及現(xiàn)場WGC進出口連接情況見圖4。

4)通過優(yōu)化設(shè)計較好指導(dǎo)停產(chǎn)改造。濕氣壓縮機工程90％的施工在海上完成，整個濕氣壓縮機工程施工無停產(chǎn)。整個改造設(shè)計由于利用了PDMS三維軟件，管線設(shè)計詳細、周密、空間利用合理，較好地指導(dǎo)了停產(chǎn)施工方案，并提前完成停產(chǎn)作業(yè)，大大降低了由于停產(chǎn)而造成的經(jīng)濟損失。

5）利用氮氣進行試壓和氣密試驗，避免了壓縮機進水問題。

6）壓縮機出口壓力變送器和溫度變送器安裝優(yōu)化設(shè)計。在有限的空間內(nèi)，兼顧生產(chǎn)操作人員的觀察、操作和維修方便，對壓縮機出口壓力變送器和溫度變送器安裝位置進行優(yōu)化設(shè)計，達到了良好的效果。

7）優(yōu)化設(shè)計濕氣壓縮機底座架空管線路徑，避免碰撞。由于透平驅(qū)動高壓大容量濕氣壓縮機三級串聯(lián)管線異常復(fù)雜，而機組本身底部也是管線密布，結(jié)合工藝整體設(shè)計，工程采用濕氣壓縮機底座架空設(shè)計，優(yōu)化管線路徑，避免碰撞，有效利用高度空間，下方鋪設(shè)管線電纜，上方鋪設(shè)格柵板形成操作平臺，對機組進行操作和維修，效果良好。

4 結(jié)論

2007年6月，東方1-1氣田二期開發(fā)工程項目濕氣壓縮機工程投產(chǎn)至今，透平濕氣壓縮機運行狀況一直良好，每天增產(chǎn)天然氣(40～120)×10⁴ m³。該工程為海上第二個濕氣壓縮機工程項目，亞洲第一個透平驅(qū)動大功率高壓濕氣壓縮機三級串聯(lián)工藝項目，滿足了項目復(fù)雜工藝工況的要求，推進了設(shè)備國產(chǎn)化，通過自主設(shè)計、施工優(yōu)化創(chuàng)新，使整體費用為同類合作項目的1／3，效益顯著。