天然氣分公司放空天然氣回收技術應用探索

劉博（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

1 現狀

天然氣分公司組建于1973年，是集天然氣加工、凈化、原油穩定、長輸管道管理及儲運銷售于一體的專業化公司，已建油氣處理裝置29套，其中天然氣深冷裝置8套，淺冷裝置9套，凈化裝置3套，原油穩定裝置10套，承擔著為油田生產、工業用戶、城市居民提供燃料和原料的任務。

天然氣壓縮機是天然氣深冷和淺冷裝置的核心設備，主要作用是將低壓油田氣增壓后進一步處理，壓縮機運行過程中密封氣有一部分泄漏放空[1]，既污染了環境又浪費資源。為干氣密封形式的壓縮機共有8臺，總密封泄漏量為每年36.7×104m3，直接放入火炬系統[2]。離心壓縮機放空密封氣泄漏情況見表1。

表1 離心壓縮機放空密封氣泄漏情況Tab.1 Leakage of venting seal gas in centrifugal compressor

2 壓縮機密封氣回收工藝介紹

通過研究離心壓縮機結構原理、工藝流程和運行參數等，分別在北Ⅰ-2深冷、北Ⅱ-2深冷和南八深冷應用了射流工藝、增壓工藝、雙端面密封結構改造，三種技術實現了密封泄漏氣回收[3]。

2.1 射流回收工藝

射流回收工藝主要是將低壓放空氣通過噴射式混合器轉變為高壓氣體，然后進入管網回收[4]。其中噴射式混合器是由噴嘴、吸入室、擴壓管三部分組成，設備沒有運動部件，工作時具有一定壓力的工作流體通過噴嘴高速噴出，將壓力能轉變為速度能，使吸氣區壓力降低產生真空，被抽介質順利進入吸入室，兩股介質在擴散段內混合，最后以高壓排出。射流原理見圖1。

圖1 射流原理Fig.1 Schematic diagram of jet principle

2020年北Ⅰ-2深冷離心壓縮機應用雙射流（串聯2個噴射混合器）回收技術后年回收天然氣約3.4×104m3，熄滅了火炬長明燈[5]。其工藝流程是利用增壓機出口的高壓天然氣為工作流體，經過調壓至2.2 MPa進入噴射器，將干氣密封泄漏氣吸入噴射器，然后進入壓縮機入口，完成泄漏氣回收。北Ⅰ-2深冷射流回收裝置流程見圖2。

2.2 增壓回收工藝

增壓回收工藝探索了兩種形式將密封氣引至裝置入口實現回收，一種是采用小型壓縮機將泄漏密封氣增壓后回收至裝置入口；另一種是當密封氣壓力高時，可將泄漏氣的壓力適當升高，然后引至壓力相對較低的裝置入口。

第一種工藝，北Ⅱ-2深冷自主設計工藝流程，采用增壓工藝回收放空密封氣。北Ⅱ-2深冷為干氣深冷，入口壓力高達0.8 MPa，除了壓縮機密封氣泄漏，還存在膨脹機密封氣泄漏，因此，使用增設小型壓縮機的方式回收泄漏密封氣。工藝流程為原料氣壓縮機和膨脹機密封泄漏氣進入緩沖罐后經變頻螺桿壓縮機壓縮至1.0 MPa，空冷器冷卻在35℃左右進入原料氣壓縮機入口。回收裝置設計了變頻、回流、溢流調節系統，保證了回收裝置平穩運行，避免了對裝置的影響，實現了小流量且不穩定密封氣的安全回收，應用后年回收壓縮機放空氣2×104m3、膨脹機放空氣約79×104m3，熄滅了火炬長明燈。北Ⅱ-2深冷密封氣增壓回收流程見圖3。

第二種工藝，南八深冷壓縮機高壓缸上通過增設壓力調節閥，將密封氣泄漏氣的壓力穩定在0.18 MPa，將泄漏氣回收至壓力相對較低的低壓缸入口，完成泄漏氣回收。年回收天然氣約1.7×104m3，熄滅了火炬長明燈。南八深冷壓縮機高壓缸密封泄漏氣回收流程見圖4。

圖2 北Ⅰ-2深冷射流回收裝置流程Fig.2 Jet recovery device in NorthⅠ-2 cryogenic station

圖3 北Ⅱ-2深冷密封氣增壓回收流程Fig.3 Pressurized recovery of sealed gas in NorthⅡ-2 cryogenic station

圖4 南八深冷壓縮機高壓缸密封泄漏氣回收流程Fig.4 Recovery of leakage gas from compressor high-pressure cylinder seal in Nanba cryogenic station

2.3 壓縮機干氣密封結構改造

南八深冷壓縮機低壓缸雙端面干氣密封結構改造，主要是將原來串聯的單端面密封改為雙端面密封[6-8]。

串聯式干氣密封，相當于兩組單端面干氣密封，主要工作原理是注入密封氣（天然氣）使密封系統內的動、靜密封環之間產生約3μm的氣膜，防止密封環磨損。運行時一部分氣體進入工藝介質，一部分氣體（天然氣和氮氣的混合氣）經一級動靜環后，進入干氣密封一級泄漏（泄漏量約10 Nm3/h，其中天然氣含量約占21%），從放空管線去火炬燃燒掉，形成火炬長明燈。

雙端面密封相當于面對面布置兩套單端面密封，兩個密封共用一個動環[9-10]。采用氮氣作為阻塞氣體，控制主密封氣（氮氣）的壓力始終維持在比工藝氣體壓力高于0.2～0.3 MPa，通過主密封氣封住泄漏的工藝氣體。干氣密封結構工藝見圖5。

南八深冷離心壓縮機干氣密封改造前后流程對比見圖6，采用了雙端面干氣密封技術，將原一級泄漏口封堵，通過主密封氣（氮氣）封住泄漏的工藝氣體，隨前置密封氣一同進入工藝介質。投用后無泄漏，密封狀況良好，年回收密封氣約3.4×104m3，熄滅火炬長明燈。

圖5 干氣密封結構Fig.5 Schematic diagram of dry gas seal structure

圖6 南八深冷離心壓縮機干氣密封改造前后流程對比Fig.6 Schematic diagram of centrifugal compressor dry gas seal before and after modification in Nanba cryogenic station

3 應用效果

通過現場試驗，射流回收工藝、增壓回收工藝、干氣密封結構改造都適合壓縮機密封泄漏氣回收。三種技術壓縮機密封氣回收工藝對比情況見表2，射流回收工藝具有不改造壓縮機密封結構、無動設備、運行穩定等優點，但需大量高壓氣體攜帶，全部氣體回到壓縮機入口，年增加壓縮機耗電約43×104kWh；增壓回收工藝具有不改造壓縮機密封結構，螺桿機出口壓力高，不受回收壓力限制，但是設備多，投資較大，運維費用相對大，年約3萬元。干氣密封結構改造具有不新增設備、不增加能耗、不增加操作內容等優點，但是需要依據設備結構進行制作，難度大，配件成本相對較高。

表2 壓縮機密封氣回收工藝對比情況Tab.2 Process comparison of compressor sealing gas recovery

4 結論

通過在生產裝置上應用新技術和工藝方式的改進等措施回收放空天然氣，見到了明顯成效。

1）射流回收工藝、增壓回收工藝、雙端面密封改造三種回收工藝均能解決離心壓縮機密封氣泄漏放空問題，具有一定的推廣應用前景。

2）上述三種技術應用后年收放空天然氣89.5×104m3，其中壓縮機密封放空10.5×104m3，膨脹機放空氣79×104m3，避免了放空氣污染。根據大慶油田天然氣成本核算價格1.64元/m3，可增加經濟效益147萬元/a。

3）射流工藝適合于老型壓縮機的泄漏氣改造，增壓回收工藝適合回收至背壓相對較高的裝置，雙端面密封改造適合軸端布置緊湊型壓縮機組的改造。