往復式天然氣壓縮機現場應用的優化淺析*

王凌寒 車強

（1.中石化石油機械股份有限公司研究院；2.中石化石油機械裝備重點實驗室）

往復式壓縮機是操作靈活且最有效的壓縮機機型之一，擁有最為廣泛的參數范圍：容積流量、進排氣壓力范圍和功率范圍等，因此被廣泛用于天然氣工業的各領域：包括井口氣增壓回收、管道氣增壓輸送、儲氣庫注采氣、氣舉采油、高壓注氣、CNG/LNG利用等。根據操作目的和工況參數的不同，往復式壓縮機的優化可以有不同的含義：提高生產效率、提高可靠性、避免故障、降低碳排放等。主要探討的是提高生產能力、節能降耗、現場監測和維護等優化措施。

1 在井口增壓采氣過程中的優化

在井口增壓采氣應用中，隨著天然氣儲層壓力的遞減，機組進氣壓力降低，須定期對壓縮機組進行優化以適應工況的改變，使壓縮機組最大限度地降低進氣壓力，同時提高排量。

在增壓采氣應用中，影響壓縮機生產能力的因素有多種：氣缸余隙容積；運轉速度；吸入壓力；由活塞環、進排氣閥及填料等氣密性決定的氣缸泄露損失；其他因素，如氣體組分、進氣溫度、氣缸冷卻情況等。

下面通過設置氣缸余隙容積來提高壓縮機組生產能力[1]。機組為3級壓縮、4列結構布置的Ariel JGT/4機型，表1為當前工作條件。

表1 當前操作條件

表1所示，兩個一級氣缸余隙缸打開0.5 in，運行速度為900 r/min（額定轉速為1200 r/min）。通過關閉余隙缸，并將轉速提高到1200 r/min，將得到壓縮機的進氣壓力降低，流量增加的結果，見表2。

表2 前后結果對比

表2表明，這種優化的結果是吸入壓力降低0.5 MPa、流量增加2.6×104m3/d。

改變氣缸余隙容積：氣缸余隙容積越大，當活塞壓縮至終點往回運動時，由于余隙內的高壓氣體在吸氣時產生膨脹而占去氣缸的有效容積，以至吸入新鮮氣量減少，使壓縮機的生產能力下降，容積效率減小。由此，減小氣缸的余隙容積可以增大壓縮機的生產能力。但余隙過小也會造成積炭、撞缸的可能性。

2 調節流量，節能降耗

在機組安全運行情況下，如何節能降耗是優化的重要部分。現場應用中，當氣田的開采量小于機組的設計排量時，機組未被充分利用，此時需要通過調節來節能降耗。

2.1 流量調節的方法

現場應用中，壓縮機的流量需要根據氣井的生產量調整。往復式壓縮機的流量調節的方法主要有[2-3]：

1）旁路調節。這種調節方法雖然簡單可靠，但是能耗浪費嚴重、調整操作頻繁。

2）改變轉速。流量和功率隨轉速變化，這種方法簡單可靠。內燃機驅動的壓縮機轉速較易改變，電動機驅動的壓縮機需要變頻裝置，成本較高。

3）調節氣缸余隙容積，目前主要采用以下兩種方式：可變容積余隙缸，是用來改變缸頭端余隙容積的裝置。余隙容積取決于余隙缸活塞的位置，操作方便、靈活，相對安全的；固定容積余隙缸，是提供一個固定容積的余隙裝置，一個固定余隙缸只能打開或關閉，較可變容積余隙缸不靈活。

4）選用單作用氣缸。在選用單作用氣缸之前，必須對整機的性能進行分析，以確保安全運行。

5）停用氣缸。前提是有多個一級壓縮氣缸，且其他卸載方法是不夠的。停用一個一級壓縮氣缸，而其他氣缸繼續工作，即被壓縮氣體體積減少0～50%。

2.2 案例研究

案例一：井口增壓采氣工況下，壓縮機組為燃驅的3級壓縮/771 kW往復式壓縮機，氣井生產流量由原來的4.53×104m3/d降低為3.68×104m3/d時，通過開啟旁通閥使功率和燃料氣節省。如表3所示。可以通過先降低運行速度，然后開啟1級壓縮和2級壓縮氣缸余隙來減少機組流量，從而與3.68×104m3/d氣井生產能力相匹配。

由表3可知，通過降低運行速度和開啟氣缸余隙，機組已能完全關閉旁路閥，功率消耗下降16.2%，燃料氣消耗下降16.7%（即減少燃氣消耗500 m3/d，按照市場燃氣價格約每立方2.5元，燃氣消耗每天節省1250元，即每年單臺機組可節省費用45萬元）。

表3 優化配置后的結果對比

案例二：往復式壓縮機在氣舉采油應用中，為了實現高壓縮比，氣舉壓縮機通常配置3級或4級壓縮，在每級壓縮有氣體再循環。再循環氣體使每級壓縮保持所需的壓縮比，因此，該壓縮系統通常工作在一個穩定模式下的狀態[4]。

下面的案例描述了氣舉壓縮機通過調整余隙容積減少天然氣再循環量。該氣舉壓縮機為3級壓縮/3568 kW的往復式壓縮機。通過調整一級氣缸余隙容積來減少一級壓縮氣體再循環量，從而提高壓縮機的效率，實現節能降耗。表4列出了一級壓縮重新配置前后的結果。

表4 優化配置后的結果對比

由表4可知，優化后一級氣缸氣體再循環量下降20.7%，耗電量下降5%，即減少電力消耗4256 kWh/d，按照市場電費價格約每千瓦時0.8元，電力消耗每天節省3400元，即每年單臺機組可節省費用120余萬元。

3 狀態監測與維護

3.1 往復式壓縮機的局限性

往復式壓縮機有其局限性和操作限制，為確保安全運行，必須受到重視。下面是最常見的限制因素：

1）排氣溫度。壓縮過程中氣體溫度將升高，必須確保每個壓縮階段的排氣溫度不超過活塞環、支撐環、氣閥、排氣管和冷卻器等關鍵部件的最高設計溫度。根據API618規定，最高排氣溫度不應超過150℃。

2）桿載。往復式壓縮機有一個額定的活塞桿桿載，也可以稱為機體部件可承受的連續工作負荷。為了安全運行，桿載超過額定桿載的95%時需監測桿載值。

3）容積效率。容積效率是壓縮機有效排量與壓縮機行程容積的比率。也可看作是氣缸的實際泵送能力與行程容積相比。為避免氣閥組件破損，容積效率應保持大于20%。

4）反向角。為確保對十字頭銷足夠的潤滑和冷卻，在活塞桿載荷方向有一個反向角，為了安全運行，應大于給定的反向角。

5）轉速。壓縮機運轉速度應保持低于或等于生產廠家規定的額定轉速，但同時高于壓縮機和驅動機的最低臨界速度。

3.2 狀態監測

狀態監測是監測機組運行狀態參數，在往復式壓縮機的現場應用中具有重要意義：識別和預測潛在故障，減少意外停機；提高零部件使用壽命；提高可靠性；提高效率；提供歷史數據庫圖表和趨勢分析；提高資產利用率，識別隱藏的生產潛力。

狀態監測主要有以下檢查：每日記錄參數、目視檢查、舊油分析、振動分析、閥蓋溫度記錄、紅外攝像機記錄、第三方監測系統等。以上的狀態監測參考值是基于與標準值、預期值或范圍的偏差，這些偏差不只是由磨損或者失效的零部件引起的，也可能是由流量、進排出壓力、外界溫度和氣體組分等的變化引起的。

圖1是Dresser Rand公司進行的行業調查，評估導致往復壓縮機計劃外停機的主要因素。由圖所示，氣閥、壓力填料、工藝問題、活塞環、支撐環、卸荷器和氣缸潤滑系統被鑒定為不定期停機的7大主要原因，占計劃外停機因素的79.6%，它們都可以通過狀態監測來減少故障。氣閥破損占計劃外停機因素的36%，是非計劃停機的主要原因，在壓縮機運行早期階段檢測氣閥損壞對于避免故障是很有必要的。

3.3 運行維護

重點分析往復式壓縮機組現場應用過程中關鍵的維護問題：氣缸漏氣、低容積效率、高桿載、低反向角等。

圖1 導致壓縮機非正常停機的原因

3.3.1 氣缸漏氣

氣缸漏氣是由進排氣閥、活塞環、氣缸填料的低氣密性引起的，可導致氣缸組件損傷和氣缸溫度升高。漏氣的影響為排量和生產效率降低，漏氣引起氣體再循環，再循環氣體在一級壓縮過程中占用新的氣體可占用的容積。吸入壓力提高，氣缸壓縮氣體的能力降低，吸入壓力將上升。資產損失，氣閥零件可能劃傷氣缸壁，見圖2。

圖2 氣缸刮傷圖

綜上所述，氣缸漏氣可通過觀察吸入壓力、氣體溫升、壓縮比等監測參數來預測。當氣閥損壞時，漏氣特征趨勢如圖3所示。當活塞環磨損時，漏氣特征趨于線性增加，然后穩定在一個較高的漏氣，如圖4所示。

圖3 閥門損壞漏氣特征趨勢

圖4 活塞環磨損漏氣特征趨勢

3.3.2 低容積效率

容積效率是壓縮機實際排量與行程容積的比值[5]。由于壓縮機不能提供相當于其容積的氣體量，所以容積效率始終小于100%。容積效率是隨氣缸余隙容積、氣缸漏氣、氣體的組分變化而改變的。根據以下理論公式可推斷，當氣缸余隙容積增加時，容積效率降低。

式中：λV——容積效率；a——相對余隙容積；m——膨脹過程指數；ε——氣體的壓力比；Zs、Zd——進氣、排氣狀態的壓縮系數。

由于低容積效率的氣缸幾乎沒有做功，同時容積效率低于20%會導致氣閥磨損率的增加，增加維護的成本。監測每個氣缸的容積效率，確保維持在20%以上。

3.3.3 高桿載

桿載是壓縮機的另一個結構極限因素，有兩種類型的桿載：靜態桿載和動態桿載。靜桿載是指在壓縮過程施加在活塞、活塞桿和軸承上的力。動桿載是往復運動部件高速運動的結果，是靜態和慣性桿載的綜合載荷，見圖5。

壓縮機運行時，必須確保桿載不超過額定桿載。壓縮機的運行條件發生任何改變時，必須重新計算桿載，以確保不超過額定值。較好的做法是監測桿載，接近額定桿載95%，同時監測氣閥的狀況。

圖5 動態桿載

3.3.4 低反向角

反向角是另一個重要的監測參數。反向角對十字頭銷的潤滑有極為重要的影響[6]，隨著曲軸旋轉，當桿載被施加到十字頭銷一側時，在十字頭銷和連桿襯套之間產生有限的間隙，活塞桿的受力方向發生翻轉，反轉角度的大小和持續時間必須允許潤滑油填充這些有限的間隙，以實現對十字頭銷與襯套摩擦副之間足夠的潤滑和冷卻。如果由于力的不平衡引起十字頭銷只受單側的力或反向角度與持續時間不夠，將由于不能正常潤滑而導致十字頭銷和襯套的快速磨損。

產生低反向角的主要原因有：低轉速、單作用氣缸；氣閥損壞；大活塞桿對應小活塞；高壓力下的高壓縮比。

4 結語

從提高生產能力、節能降耗兩方面通過對往復式天然氣壓縮機分析內在因素，結合現場應用案例，探討了壓縮機現場應用的優化措施。通過不斷的優化，對于不同工況下，可以提高壓縮機的利用率，有助于確保天然氣田的最大生產壽命，同時節省機組使用功率，實現節能降耗。

在狀態監測和運行維護方面，通過分析往復式壓縮機關鍵結構限制因素，重點分析往復式壓縮機現場運行時應注意的關鍵的監測和維護問題：氣缸漏氣、低容積效率、高桿載、低反向角等。