調峰型地下儲氣庫注氣壓縮機選型配置建議

王鐵軍 齊德珍 王赤宇 郝顏杰 張紅軍 吳玉琰

1. 中油工程項目管理公司天津設計院, 天津 300457; 2. 中國石油塔里木油田公司迪那油氣開發部, 新疆 庫爾勒 841000

0 前言

注氣期,調峰型地下儲氣庫中天然氣將經注氣裝置過濾、增壓后注入地層,注氣壓縮機是注氣裝置的核心設備。作為連接上游長輸管道及地下儲氣庫的樞紐,注氣裝置應滿足儲氣庫整個注氣期內工況要求,而在一個注氣期內,注氣量及注氣壓縮機進出口壓力等多變,對注氣壓縮機選型提出了更高要求。因此,確定注氣規模,進而確定注氣壓縮機數量及類型是注氣裝置設計的關鍵。

1 地下儲氣庫注氣規模的確定

地下儲氣庫按照氣庫作用分為調峰型儲氣庫和戰略儲備型儲氣庫[1],目前國內已建儲氣庫以季節調峰型地下儲氣庫為主[2]。

對于調峰型儲氣庫,注氣規模的確定既要考慮地下儲氣庫的儲氣能力,又要結合長輸管道供氣能力及用戶調峰需求[3]。首先需預測出市場天然氣需求量、天然氣需求結構以及用戶的不均勻性,再計算出市場需要的調峰量,最后根據儲氣庫氣藏特性分析擬選儲氣庫是否滿足市場需求,進而明確儲氣庫注氣規模[4]。國內已建調峰型儲氣庫注氣規模一般根據儲氣庫的有效工作氣量,在均注基礎上,考慮1.1～1.2倍系數來確定。以已建大港油田板南儲氣庫為例[5],該庫的設計工作氣量為4.27×108m3,注氣期為220 d,考慮均注則每天的注氣量為194×104m3/d,在此基礎上考慮1.2倍系數,因此確定注氣規模為240×104m3/d。該規定非硬性指標,根據大港已建儲氣庫的運行經驗,最高日注氣量與日均注氣量的比值會達到1.6以上,而儲氣庫無法實現均注的理想狀態。某儲氣庫群2017-2019年一個注氣期內的日注氣變化見圖1,根據三年的統計,最高日注氣量與日均注氣量的比值分別達到1.7、2.0、1.8。

圖1 某儲氣庫群2017-2019年注氣期日注氣量變化圖Fig.1 The daily injection rate in a gas storage groupduring the injection period of 2017-2019

此外根據國內某儲氣庫運行經驗,該庫設計工作氣量為1.89×108m3,設計注氣期為220 d,設計注氣規模為100×104m3/d,該庫共有9口注氣井可用于注氣。根據近年來實際運行情況統計,該庫實際年注氣一般在1.2×108m3左右,遠未達到設計工作氣量要求,經現場分析主要是由于受修井作業、壓縮機本體及發動機故障、壓縮機定期保養及其他不確定因素等影響,實際注氣天數遠低于220 d,因此在一個注氣期內注氣量遠低于設計有效工作氣量。

綜上,由于儲氣庫選址的稀缺性及天然氣供需分析預測存在不確定性[6],建議對于季節調峰型儲氣庫不應局限于根據均注考慮1.1～1.2倍系數確定注氣規模,應對注氣期管道的可供氣量確定適宜的調峰系數,在投資允許及庫容滿足的情況下,盡可能增大注氣裝置規模,以便最大程度利用儲氣庫庫容,并且減少后期擴建改造。

2 國內已建儲氣庫注氣壓縮機選型

注氣壓縮機選型與匹配主要包括確定機組的型式、臺數和驅動機型式[7]。機組設計參數包括入口壓力、入口流量以及出口壓力等,各項參數需要綜合氣源參數、長輸管道系統參數及儲氣庫注氣期運行參數進行分析優化確定[8]。對于儲氣庫來說機組臺數匹配的基本原則為不設置備用,盡可能地選用大功率機組,機組臺數不少于2臺兼顧出現小流量的工況。在需要設置采氣增壓流程時,注氣壓縮機應按照注氣工況進行選型,同時兼顧適應采氣增壓工況。

目前，國內已建地下儲氣庫主要為枯竭氣藏型地下儲氣庫,此類儲氣庫地層埋層深,地層壓力高,隨著天然氣不斷注入,地層壓力不斷升高,壓縮機出口壓力波動大。國內儲氣庫建設早期,儲氣庫注氣規模小,一般在500×104m3/d以下,由于往復式壓縮機更能適應出口壓力高、波動范圍大,且入口條件相對不穩定的情況,在注氣效率、操作靈活性等方面具有突出優勢[9],因此目前已建儲氣庫均采用往復式壓縮機作為注氣裝置設備,國內已建季節調峰型儲氣庫注氣壓縮機配置情況見表1。國內已研制出功率6 000 kW、注氣壓力43 MPa、轉速1 000 r/min的往復式壓縮機組,已在蘇橋儲氣庫安全平穩運行超800 h[10]。

3 國外儲氣庫注氣壓縮機選型

美國儲氣庫注氣壓縮機大多采用往復式壓縮機[11],而歐洲國家的天然氣主要依賴進口,且國土面積相對較小,對于大型儲氣庫多采用離心壓縮機或離心壓縮機與往復式壓縮機組合的配置,以大幅減少機組數量,降低設備投資和占地面積。

表1 國內已建季節調峰型儲氣庫注氣壓縮機配置情況表

荷蘭Shell公司所屬Norg儲氣庫,總庫容達到280×108m3,工作氣量為30×108m3,注氣量為1 200×104～2 400×104m3/d,最高工作壓力為30 MPa，注氣系統設置2臺38 MW電驅離心式壓縮機,不設備用[12],轉速為10 558 r/min,不設置備用。

德國Wintershall公司Rehden儲氣庫采用枯竭氣藏建庫,注采井工作壓力為11～28 MPa,總有效工作氣量為42×108m3,最大注氣量為3 360×104m3/d。壓縮機全部采用離心式壓縮機兩段增壓，一段有5臺,全部為燃氣輪機驅動,其中2臺10 MW、2臺9 MW、1臺25 MW,入口壓力為6～8 MPa,出口壓力為21 MPa;二段有2臺,電機驅動,均為12.5 MW,入口壓力為21 MPa,出口壓力為26 MPa。

4 儲氣庫注氣壓縮機選型配置建議

4.1 離心式壓縮機在儲氣庫中應用初探

隨著儲氣庫的不斷建設,國內出現了規模較大的儲氣庫,有效工作氣量20×108m3的儲氣庫若選用往復式壓縮機,數量已達到8臺,為減少壓縮機數量,急需開展研究離心式壓縮機在地下儲氣庫運行工況下的適應性與可行性。

離心式壓縮機具有排量大、重量輕、結構簡單的優點,但流量調節范圍較小,小流量運行時容易發生喘振。目前，專門用于儲氣庫的壓縮機為單軸多級垂直剖分壓縮機,壓縮機的出口最高壓力可達90 MPa,出口壓力>35 MPa 的超高壓壓縮機,實際入口流率范圍為250～480 000 m3/h,轉速為3 000～20 000 r/min。離心式壓縮機可以通過變轉速和防喘振旁路的組合方式調節氣量和出口壓力范圍,變工況調節時首先采用變轉速調節,當單獨調節轉速不能滿足要求時,通過控制防喘振閥門的開度進行旁路調節[13],某儲氣庫的離心式壓縮機性能曲線見圖2。

圖2 離心式壓縮機性能曲線圖Fig.2 The performance curve of centrifugal compressors

離心式壓縮機在運行過程中55%的故障來自于潤滑和密封系統,為提高機組安全可靠性[14],世界各大壓縮機廠商相繼開發了基于電磁軸承的一體式無油潤滑壓縮機系統。整體式磁懸浮電驅離心式壓縮機將電機與壓縮機封裝在一起,采用電磁軸承支撐,用流程氣冷卻[15],無潤滑油及干氣密封系統,大大提高了壓縮機的可靠性,壓縮機的單臺功率達到22 000 kW[16],該類壓縮機結構示意見圖3。采用變頻器可通過壓縮機的轉速調節適應工況變化,轉速的調節范圍可達30%～105%。目前,整體式離心壓縮機在歐洲儲氣庫已得到廣泛應用。往復式壓縮機、油潤滑軸承離心式壓縮機、磁力軸承離心式壓縮機的對比見表2,較之往復式壓縮機,離心式壓縮機具有機組數量小、占地面積小、維護費用低、投資低等優點。

圖3 整體式磁懸浮電驅離心式壓縮機示意圖Fig.3 Schematic diagram of integral magnetic levitationvariable frequency speed regulating centrifugal compressor

表2 三種類型壓縮機對比表

注氣初期,地層壓力較低,壓縮機一般大流量、低壓比運行,注氣中后期,壓縮機一般低流量、高壓比運行[17],離心式壓縮機兩級缸可串、并聯,因此可以尋求通過壓縮機兩級缸的串、并聯和壓縮機組之間的串、并聯組合來滿足注氣工況需求,例如在注氣初期,運行單臺壓縮機或2臺壓縮機并聯運行,在注氣末期,2臺壓縮機串聯運行。通過優化離心式壓縮機選型和調整串、并聯以及采用大、小不同機型的組合配置,離心式壓縮機也能很好地適應儲氣庫的變工況運行。例如對于采用8臺往復式壓縮機的大型儲氣庫,采用2臺離心機組即可滿足氣量波動范圍見圖4,同時可降低設備投資和占地,目前受國內離心式壓縮機生產能力的限制,尚缺少出口壓力30 MPa以上儲氣庫用壓縮機的生產應用實例,因此,儲氣庫專用大排量高壓力的離心式壓縮機的研制及應用研究,將成為下一步研究的重點方向。

圖4 某儲氣庫采用離心式壓縮機與往復式壓縮機不同注氣時間壓縮機臺數對比圖Fig.4 Comparison of the number of compressors with different injection times for a gas storage tank using a centrifugalcompressor and a reciprocating compressor

4.2 儲氣庫注氣壓縮機選型配置建議

通過國外調研及對離心式壓縮機在儲氣庫中應用可行性分析,不同規模地下儲氣庫注氣壓縮機選型在單一采用往復式壓縮機基礎上,可擴展應用離心式壓縮機。小型儲氣庫可采用往復式壓縮機組合,但在注氣規模較大,單機排量限制造成壓縮機數量過多的情況下,需考慮離心式壓縮機。離心式壓縮機選型要求機組有較寬的穩定工作區,運行工況避開喘振流量范圍[18-20],并且盡量保證單機排量下限滿足儲氣庫注氣波動的下限要求。

通過對不同規模的儲氣庫采用往復式壓縮機、離心式壓縮機配置,可從經濟性及對氣量波動的適應性等方面來進行綜合對比分析,對于注氣規模小于600×104m3/d的儲氣庫建議采用往復式壓縮機，對于注采規模大于600×104m3/d的儲氣庫建議采用2臺及以上離心式壓縮機配置,同時根據儲氣庫所需的最小調峰氣量需求,可搭配往復式壓縮機組用于注氣末期節能注氣。由于壓縮機進出口壓力范圍及氣量波動存在不確定性,對于新建儲氣庫注氣壓縮機配置方案選擇應根據具體技術經濟比選而定。

5 結論與建議

1)國內已建調峰型儲氣庫一般在均注基礎上考慮1.1～1.2倍系數確定注氣規模,由于儲氣庫選址的稀缺性及天然氣供需分析預測存在不確定性,應根據注氣期管道的可供氣量確定適宜的調峰系數,在投資允許及庫容滿足的情況下,盡可能增大注氣裝置規模,以便最大程度利用庫容,減少后期擴建改造。

2)國內已建儲氣庫均采用往復式壓縮機,國外對大型儲氣庫采用離心式壓縮機與往復式壓縮機組合使用或單純使用離心式壓縮機,離心式壓縮機可滿足儲氣庫高壓力注氣需求。

3)對于注氣規模小于600×104m3/d的儲氣庫建議采用往復式壓縮機，對于注采規模大于600×104m3/d的儲氣庫建議采用2臺及以上離心式壓縮機組配置。