海上油田天然氣壓縮機國產化研究

毛埝宇

（上海海洋油氣分公司，上海 200135）

1 前言

在當今經濟快速發展的時代，能源需求的持續增長推動海洋油氣田的開發建設。隨著石油行業的發展，天然氣壓縮機在油氣田開發中得到了廣泛應用。在海洋油氣田的開發中，生產過程通常是從海上平臺采出油氣資源后，通過海底管道輸送至陸地終端。但由于海底管道建設成本影響，海上平臺的運營運輸方式基本通過中心平臺的外輸海底管道統一運輸至陸地終端進行處理，進而導致海上平臺天然氣管道壓縮機的實際設計施工要求復雜，需考慮區域整體多因素影響。

海上平臺天然氣壓縮機是制約平臺生產運輸的關鍵設備之一。由于海上平臺外輸壓縮機隨區域油田開發、輸送產量增加，產生了輸送壓力逐漸增大的現象，生產高峰時期必然導致壓縮機出口壓力遠大于初期壓力的情況產生。且由于國產設備技術能力的限制，長期以來，海上平臺天然氣壓縮機組的核心設備均采用國外進口制造商的技術產品。在海上平臺天然氣外輸壓縮機領域，國外制造商在技術和市場上形成雙重壟斷，由此導致國外進口設備在價格領域的絕對優勢，最終導致國內制造商在海上平臺天然氣壓縮機研用方面受到限制。

根據近年來國內制造商天然氣壓縮機的技術發展和國家降本增效政策的要求，在保證海上平臺安全運行、減低能量損耗、提高油田效益的基礎上，根據海上平臺天然氣管道的實際運行情況，提出海上油田天然氣壓縮機國產化的優化改造方案。通過綜合分析海上平臺天然氣壓縮機的特點要求，對比國內外制造商的優勢不足，分析國產化壓縮機技術特點，最終確保國產天然氣壓縮機運行的持續穩定。

2 海上壓縮機國產化意義

2.1 國產政策要求

隨著科技發展及國內外政策環境變化，國家和企業發布了一系列促進國產化裝備制造發展的政策及措施，如《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》《創新驅動戰略規劃》的國產化創新要求等，并在相關規劃措施文件中指出關于天然氣壓縮機等關鍵設備裝置的國產化要求。

2.2 國家能源保障

根據國家能源行業發展保障需求，我國海洋油氣資源的開發占比日益增多，占據國家能源行業發展的重要戰略地位。隨著海洋油氣資源的開發，海上平臺所需的天然氣外輸壓縮機等核心設備的需求也日益增加。但目前海上平臺天然氣壓縮機設備的進口程度占比極高，國產天然氣壓縮機設備的實際應用數量極少。在正常商務貿易環境中，平臺天然氣壓縮機等設備可通過簽訂合同交易，獲取保障海上平臺平穩運行的技術服務、設備備件等。但在特殊情況下，相關國際環境和政策變化則可能出現無法進行產品貿易、交易周期過長等意外情況的產生，導致海上平臺產能降低，甚至直接造成平臺停產停輸。因此，為把能源掌握在自己手中，保障國家能源安全，必須推進海上天然氣壓縮機國產化的實施。

2.3 提高海上平臺效益

海上平臺的產能輸送不僅受油氣田生產能力的制約，同時受平臺海底管道外輸能力的限制。而海上平臺外輸壓縮機組的運行性能則是制約海底管道輸送能力的關鍵設備。同時，海上平臺外輸壓縮機組的費用也占據平臺投資運行總費用的較大份額。但由于國外制造商在產品技術工藝等方面的壟斷，導致海上平臺進口外輸壓縮機組在進行招投標時，國外廠商在商品價格制定方面具有極大優勢，其最終的成交金額相比國內制造商最初定價仍高約20%以上。因此，海上平臺壓縮機設備的國產化對降低平臺投資建設總費用，提高平臺產能收益，保障平臺經濟運行等具有顯著意義。

2.4 推動關鍵技術發展

目前，國內壓縮機設備中天然氣壓縮機組主要以30MW級別的燃氣輪機驅動以及20MW級變頻調速電機驅動的離心式壓縮機為主。因為海上平臺占地空間、運輸維護難度、壓縮機備件更換、設備可靠性要求等條件限制，所以目前海上平臺外輸天然氣壓縮機類型以離心壓縮機為主。目前，我國高壓的離心壓縮機國產化設備在20MPa壓力領域范圍的產品技術與國外進口設備的參數性能基本相匹配，具備壓縮機國產化的應用實施條件。而更高壓縮領域范圍的離心壓縮機設備，國內制造商處于試驗階段，對高壓流體運動特性的模擬仿真，高壓領域的轉子動力學以及干氣密封潤滑等附屬系統依然在進行研究探索。而高壓離心壓縮機領域中，國外制造商如MAN、GE、西門子等品牌廠商目前已有50MPa壓力領域離心壓縮機的實際應用。同時，國產化離心壓縮機的驅動系統也是影響離心壓縮機國產化的重要原因。由于目前國內離心壓縮機驅動系統中，電機功率檔位覆蓋全面且電機更換費用占總壓縮組費用比例較低，壓縮機國產化后，考慮電機驅動則可以整體進行壓縮機組的國產化應用且后期更換便利。目前，國內燃氣輪機功率檔位級數跨度較大、級別數量較少，無法像國外燃機設備一樣做到檔位全系列覆蓋。且后期隨生產功率變化，燃機更換費用較高。目前，我國海上平臺領域的壓縮機組設施仍大多依賴進口設備，國內相關技術的研究應用仍有一定的差距，開展國產化對于促進國內裝備制造業的建設，推動技術研究的創新發展，避免關鍵技術卡脖子問題具有重要意義。

3 海上壓縮機技術要求

根據目前對市場國產天然氣壓縮機應用情況的調查研究，雖然國產天然氣壓縮機在陸地已得到廣泛應用，但與陸地天然氣壓縮機項目相比，海上平臺天然氣壓縮機組有相對不同的技術要求。

3.1 平臺布置空間要求

與陸地天然氣增壓站不同，海上平臺空間范圍有限，海洋油氣開發要求海上平臺必須支持各個生產活動的開展，因此，導致天然氣壓縮機的配置數量以及占地空間都需受到限制。在海上天然氣壓縮機設計時，需考慮平臺整體布局，充分考慮空間合理性。同時，海上壓縮機還需考慮平臺壓縮機的操作維修空間及附屬輔助系統占地，對空間設計要求嚴格。

3.2 海洋工藝參數要求

海上平臺相較陸地輸送，運行工藝參數更為復雜多變，壓縮機適用流量操作范圍要求廣泛，壓縮機工況適應區域要求高。陸地壓縮機一般應用于天然氣增壓站，處理流量穩定，數值波動處于壓縮機正常工況區域，對壓縮機工況適用要求較低。但海上平臺天然氣生產流量范圍波動劇烈，對壓縮機工況適應要求極高。海上平臺投產初期與平臺生產末期的生產處理流量數值相差極大，要求壓縮機的適應性較廣，需要壓縮機適應相對較寬的工況范圍。

海上平臺在天然氣生產處理過程中可能會出現復雜的工藝介質特性，包括帶液、含硫等工藝介質的產生。同時，工藝介質的組分影響，要求海洋天然氣壓縮機工況適應性具有較高范圍。海洋天然氣投產初期及生產末期組分變化較大，壓縮機處理工藝介質的組分變化，影響處理天然氣的摩爾質量的改變，根據質量體積公式的原理，最終影響處理介質壓縮體積的變化。

3.3 海上設備可靠性要求

海上壓縮機的可靠性要求比陸地壓縮機的要求標準嚴格。因為陸地壓縮機維修方便，設備成本、運輸成本以及人工成本相對較低，資源調用便利。而海上平臺設備運輸、人員維護，資源調配等周期較長，運輸方式有限，問題溝通困難，因此，平臺壓縮機設計建造要求不允許出現較大的問題，對壓縮機的穩定性和可靠性有極高要求。同時，天然氣壓縮機的控制系統及配套系統，陸地與海洋也有較大區別，因為陸地環境及更換維修成本等方面，陸地天然氣壓縮機系統中除壓縮機整體設備外，對其附屬的儀表閥門等要求規范相對較寬。海上平臺由于周期成本等方面的考慮，平臺天然氣壓縮機要求整個控制系統及配套系統的儀表閥門都需取得相應證件，減少易損件、磨損件，使其能夠具備一定條件的可靠度保證，可以保持很長時間的運行。

3.4 國產壓縮機驅動要求

海上平臺壓縮機的驅動方式設計，一般有電驅和燃驅兩種。電驅及燃驅的選擇一般也是以投資成本費用為主要標準進行評價，通常考慮費用最低的實施方案。同時，綜合考慮平臺其他生產設備的用電情況，以壓縮機為用電主體，壓縮機對電站的負荷較大，則推薦燃驅。考慮國產化及降本增效措施，目前壓縮機國產化電驅驅動方面，功率檔位較為全面，覆蓋面廣，費用較低。而國內燃機功率檔位少、費用高，因此，國產化壓縮機通常優先考慮電驅驅動。

3.5 海洋鹽霧環境影響及防腐要求

相對陸地天然氣壓縮機的工作環境，平臺的天然氣壓縮機長期處于濕度鹽度相對較高的海洋鹽霧環境中，各設備運行所處環境較為惡劣。海上平臺天然氣壓縮機在設計選用時，對壓縮機的防腐蝕等條件有高標準要求。

4 國內外制造商特點對比

目前，海上平臺主要通過海底管道進行長距離的油氣介質輸送，壓縮機為平臺海底管道的對外輸送提供動力，是保障海底管道運行經濟安全的核心設備，是制約海上平臺作業生產和油氣傳輸的關鍵因素。在海上平臺油氣輸送的海底管道上，極大部分平臺通常使用離心式壓縮機來對介質進行增壓傳輸。以下主要對國內外離心式壓縮機的相關技術進行對比分析。

4.1 壓縮機結構

國內廠家經過數十年的不懈努力，在引進消化國外先進技術的同時，采取與各大院校、研究所聯合開發的科研方式，不斷進行自主研發、優化設計以及經驗累積，進行產學研用相結合，大力推動技術進步。經過國內多年產品的實際應用，積累實踐經驗，吸取用戶意見，逐步優化完善產品設計結構方面的不足，在離心式壓縮機關鍵結構設計的合理穩定性方面已達進口機組水平，在相關技術上已有顯著進步（表1）。

表1 國內外壓縮機參數對照表

4.2 性能對比

目前，國內離心式壓縮機的技術水平與國外產品無顯著差異，壓縮機多變效率與轉速范圍等指標均已達到國外先進水平。在結構設計細節方面，國產和進口機組各有特點和優缺點。表中離心式壓縮機的轉速范圍國內與國外水平相當，離心壓縮機的多變效率和國外廠家接近（表2）。

表2 國內外壓縮機指標對照表

4.3 干氣系統

離心壓縮機干氣密封等附屬系統設計方面，目前在30MPa左右壓力領域的范圍內，國內外廠家的供貨產品基本無顯著差距。國內密封廠家經過多年的經驗積累及產品優化，密封產品的整體性能與國際一流廠家基本達到同一水平，僅在一些細節設計上仍有進步的空間。但在更高壓力領域，海上離心壓縮機的干氣密封系統方面，國內外廠家差距較大。目前，海上高壓領域的離心壓縮機的相關技術是國內廠家需要攻克的難點，同時，高壓領域的干氣密封系統也是重要關鍵。目前，國內高壓干氣密封系統還不太成熟，包括密封仿真、軸承、軸頭儲存器等技術，仍無法和國外廠家進行競爭。

4.4 撬裝及可靠性

在壓縮機橇塊設計方面，不同于陸地項目對撬塊空間相對寬松的要求，海上平臺要求撬塊空間必須緊湊，盡量減小撬塊內部的設備體積，優化撬塊設備的管線整體布局，節約占地維修空間，以滿足海上平臺緊湊化的布局需求。在橇裝化方面，國內廠家成橇能力同國外產品仍存在一定差距，在體積優化、管路布置、儀表閥門布局上，仍具有較大的提升空間。目前，國外制造商產品的標準化水平已經深入設計的每個細節，不僅橇塊標準化程度高，且達到選型配置標準化的目標。目前撬塊的標準化程度還是國外廠家占據絕大優勢。

目前，國內壓縮機廠家雖然可以按照設計提出的技術要求進行制造及程序控制，但無法避免壓縮機在使用中產生工作不穩定的情況。國產壓縮機在外觀、焊接工藝、表面粗糙度等細節方面的質量控制和國外制造商相比，仍有一定差距。

4.5 產品服務

國內外離心壓縮機廠商在具備同等功能的產品服務方面，國內離心壓縮機產品及服務價格具有極大優勢。除離心壓縮機產品本身的價格優勢外，相關人員的技術服務費用、附屬系統費用、備品備件費用、材料運輸費用、廠家培訓費用及后期維護保養費用等，國內價格遠優惠于國外廠家。有效減少資金占用和采購成本的同時，節省國際采購程序和國內采購代理的環節，極大地節約采購運營成本。在可控風險方面，國內的抗風險能力略強于國外廠商。特殊條件下，國外技術人員、產品的通行運輸易受影響限制，從而導致項目總體進度流程及備用零部件的采購需求的變化。而國內廠商在運輸服務方面則相對便利，且項目整體進度調整也相對靈活，擁有較多保證產品的正常交付的調控措施，能夠在減少備品備件需求的同時提高平臺的運營收益。

此外，國外廠商的產品系統、配套設施、技術手冊、操作標識以及培訓材料等通常使用英文進行標注。在進行翻譯的過程中存在含義偏差，要求技術操作人員具備相應等級的專業英文基礎，實際操作過程中存在一定難度。壓縮機國產化后，國內制造商相同的語言文化背景使得技術服務更加便捷順暢，有助于提升設備運維水平，提高故障解決效率。同時，國外產品及附屬設施對應配套系統的兼容性相對較差，無法做到與其他系統良好兼容。國內配套系統的操作則相對便捷，兼容性優良。

5 國產應用

5.1 應用背景

國產化大型離心式壓縮機組目前已改造應用于S海上平臺，能源結構安裝位置等技術參數與海上平臺原方案相匹配。由于S海上平臺相鄰已開發區域的油氣田產量變化，導致平臺處理輸送產量增加，目前S海上平臺的離心壓縮機已無法滿足海底管線外輸壓力的要求。為保證海洋油氣田的正常生產，提高S海上平臺輸氣管線的起輸壓力，需新增天然氣壓縮機進行增壓外輸。以此達到海上平臺起輸壓力的要求，保障海洋油氣田的正常開發生產及平臺的平穩高效運行。

5.2 流程簡介

S海上平臺油氣從井口開采后，進入生產分離器進行分離處理。后與來自S平臺上游的天然氣混合后進入天然氣壓縮系統。天然氣經壓縮系統中增壓壓縮機進行壓縮，進入三甘醇脫水系統脫水，處理至滿足海底管道外輸要求后，經S海上平臺海底管道混輸至下一級，并最終至陸地終端。

其主要流程如圖1所示。

圖1 天然氣增壓壓縮機系統簡圖

5.3 應用特點

S海上平臺天然氣離心壓縮機在陸上已有應用案例的基礎上，針對海上特殊環境，壓縮機整體功能應用與陸地無明顯變化的同時進行對應性改變。針對海上空間要求，國內廠家根據已有撬塊化經驗，在借鑒國外機組成熟經驗的基礎上，考慮已有平面布局，利用三維模型全面展開撬塊化設計，撬體緊湊充分考慮空間合理性，撬體緊湊布置，減小整體設備的占地空間。針對工藝參數要求，進行多方案模擬仿真，增設入口凈化處理設施，配置過濾加熱裝置，增加處理凈化工藝并針對工藝介質特性選取對應材料，滿足壓縮機工況適應性條件。針對設備可靠性要求，增強壓縮機內部零件的抗外界干擾能力，整體機械設備加工，減少設備彎道結構設計，降低所受扭矩載荷，保證壓縮機整體強度和產品質量。同時，通過壓縮機模擬運行，進行數據分析計算，確保實際運行的安全穩定。

針對海洋防腐要求，在設計時考慮防護設計，開發針對海洋環境下的防腐蝕涂層技術，對壓縮機機組外表面進行有效保護。同時，提供全生命周期的服務，對從設備設計到完工驗收以及后期維修保養的全方位流程進行管理負責。

6 結語

綜上所述，在充分了解海上天然氣壓縮機國產化意義的基礎上，全面分析海上壓縮機的技術難點要求，綜合對比國內外制造商的產品特點，最終說明海上壓縮機國產化應用案例的優勢特點。海上油田天然氣離心式國產化壓縮設備的配置靈活，設備工藝完全，滿足海上平臺新增工況的需求，并且極大地降低了投資費用，節約了工程建造時間，減少設備運輸成本，并為適應海上環境特點提出針對性方案，實現國內國產化離心壓縮機海上應用的重要突破。