天然氣壓縮機(jī)緩沖罐工作原理及設(shè)計改進(jìn)

李 劍

(中國石油西南油氣田公司川西北氣礦計量監(jiān)測中心,四川 江油 621700)

在天然氣工業(yè)中，壓縮機(jī)是天然氣開采、石化加工、遠(yuǎn)程輸送、注氣儲存、CNG生產(chǎn)、增壓燃燒等工藝中必不可少的核心裝備[1-3]。當(dāng)前，天然氣壓縮機(jī)主要采用往復(fù)式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)。其中，往復(fù)式壓縮機(jī)以適用壓力范圍寬、流量調(diào)節(jié)范圍大、排出壓力穩(wěn)定、熱效率高、壓比較高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點成為應(yīng)用最廣泛的天然氣壓縮機(jī)。往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)由于有吸、排氣的間歇性動作，使壓縮機(jī)排出的氣流具有脈動性。這種脈動氣流引發(fā)的沖擊和振動會加速管輸設(shè)備及其附件的疲勞破壞，天然氣裝置若長期在劇烈振動的環(huán)境下運(yùn)行，極易發(fā)生泄漏著火或爆炸事故，對氣田的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅；脈動氣流還容易損壞測量儀表，并使儀表測量結(jié)果失準(zhǔn)，影響工藝的監(jiān)測和控制[4-11]。為了消除脈動氣流的危害，往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)都需要在壓縮機(jī)出口處安裝緩沖罐(緩沖罐)進(jìn)行消脈[12-13]，但目前使用的臥式緩沖罐存在占地面積大、液位控制困難、容易竄氣等缺陷。為此，本文對臥式緩沖罐進(jìn)行了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)了臥式緩沖罐存在缺陷的原因，并對緩沖罐進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，以解決臥式緩沖罐存在的缺陷。

1 緩沖罐及其存在的缺陷

1.1 緩沖罐消脈原理

天然氣壓縮機(jī)緩沖罐消脈是利用體積較大的罐體吸納儲存脈動氣流的能量，使能量在罐體內(nèi)混合重組均勻化，達(dá)到消減脈動的目的[13]，這一過程與波濤洶涌的激流從河流沖入寬闊湖泊后會趨于平靜的原理相似。最早使用的緩沖罐為罐式(如圖1)，罐體由圓形筒體和兩端的橢圓或球形封頭焊接而成。由于罐式緩沖罐需要較大的容積才能達(dá)到較好的消脈效果，較大的罐體使其制造成本高、占地面積大。為了節(jié)省成本和減少占地面積，人們又發(fā)明了帶限流管的緩沖罐[14-15](如圖2)，其內(nèi)部用隔板分成兩個等容積腔室，并用限流管連通。這種緩沖罐不僅通過罐體消脈，還通過限流管的強(qiáng)制流速突變進(jìn)一步重組了能量分布。這一設(shè)計增強(qiáng)了消脈作用，使用更小的罐體就能達(dá)到同樣的消脈效果，大幅減少了緩沖罐的制造成本和占地面積。這種緩沖罐已成為當(dāng)前最先進(jìn)的壓縮機(jī)消脈緩沖罐，往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)緩沖罐普遍采用了這種帶限流管的緩沖罐。

圖1 罐式緩沖罐

圖2 帶限流管臥式緩沖罐

帶限流管緩沖罐的響應(yīng)系數(shù)μ為[14-15]：

(1)

由(1)式看出，限流管流通面積Ac越小，消脈效果越好；分隔腔室容積C越大，消脈效果越好。但限流管流通面積Ac設(shè)計太小會增大壓損，分隔腔室容積C設(shè)計越大，成本和體積均會增大，因此這兩個參數(shù)受到工藝需求、能耗、成本和體積的限制，實際應(yīng)用中應(yīng)多方兼顧、合理設(shè)計這兩個參數(shù)。

1.2 臥式緩沖罐存在的缺陷

目前,天然氣壓縮機(jī)所采用的緩沖罐都是臥式。由于往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)的壓比較高，需要較大的緩沖罐才能達(dá)到理想的消脈效果，因此臥式緩沖罐存在3個缺點：①臥式緩沖罐占地面積大。臥式緩沖罐采用橫置安裝，占地面積大，這一特點在場地有限的陸地集輸站、海上平臺和設(shè)備密集的石油化工廠，會對設(shè)備的擺放安裝帶來困難。②排液時液位控制困難。緩沖罐內(nèi)部大腔體具有重力分離器作用，會使天然氣中液體分離出來并沉降在罐體底部，對一定的液量而言，臥式緩沖罐內(nèi)部由于水平截面積大，使得垂直液位行程變小，在排液時液位不易控制，容易過排和欠排。③容易氣竄。由于緩沖罐內(nèi)部氣體處于脈動沖擊狀態(tài)，排液時氣體容易突破液封竄入排液管道，其原理和沖擊電鉆采用脈動沖擊更容易鉆穿墻體類似。臥式結(jié)構(gòu)本來就會使液封作用減弱，脈動沖擊和弱液封共同作用加劇了氣竄，氣竄逃逸出來的天然氣通常是通過污水沉淀罐的呼吸閥排入大氣中的，氣竄造成了天然氣浪費(fèi)和環(huán)境污染，氣竄還會使氣體進(jìn)入離心泵腔形成氣縛現(xiàn)象。

由于臥式緩沖罐存在上述3個缺陷，有必要對其進(jìn)一步改進(jìn)。

2 立式緩沖罐

2.1 立式緩沖罐的結(jié)構(gòu)

為了克服臥式緩沖罐存在缺陷，將臥式緩沖罐的安置方向和隔板重新設(shè)計，研制出立式緩沖罐，結(jié)構(gòu)如圖3所示。立式緩沖罐按罐體軸線垂直于地面安裝，用隔板把罐體分成兩個等容積腔室，并用限流管連通，下腔室的排液管道從罐體最下端引出，上腔室的排液管道從隔板最下端引出。立式緩沖罐的罐體用裙座支撐的方式固定在地基上。

(a)平隔板型 (b)傾斜隔板型

圖3中(a)為平隔板型立式緩沖罐，(b)為傾斜隔板型立式緩沖罐。平隔板型立式緩沖罐的隔板處于水平狀態(tài)，雖然也能減少占地面積、并改善下腔室控制液位和防氣竄能力，但上腔室控制液位和防氣竄能力卻未獲顯著改善。傾斜隔板型立式緩沖罐采用傾斜隔板是為了在等容積分隔罐體的同時使上腔室分離出的液體自動匯集在傾斜隔板低端，以增大上腔室垂直液位行程，便于液位控制并減少氣竄發(fā)生，但傾斜隔板也會增加制造難度和成本。兩者適用的區(qū)別是：對罐體直徑較小的立式緩沖罐可采用平隔板型立式緩沖罐，對罐體直徑較大的立式緩沖罐宜采用傾斜隔板型立式緩沖罐。

立式緩沖罐的主要結(jié)構(gòu)(等分腔室、限流管)和臥式緩沖罐相同，兩者都是利用罐體吸納儲存脈動氣流的能量，并用限流管的流速突變進(jìn)一步增強(qiáng)消脈作用，因此兩者的消脈原理一樣，消脈效果相同，其響應(yīng)系數(shù)μ仍按照式(1)所列公式計算。

2.2 立式緩沖罐優(yōu)點及應(yīng)用前景

為了達(dá)到較好的消脈效果，緩沖罐罐體需要做的較大。如果采用臥式，占地面積自然也大，而采用立式，則能大幅減少占地面積。例如，一個緩沖罐罐體由筒體和兩端的半球形封頭組成，筒體半徑R=1.875 m，筒體長L=5 m，筒體兩端的半球形封頭半徑R=1.875 m(與筒體半徑相等)，臥式緩沖罐罐體的占地面積為臥式圓形筒體的水平投影與兩端半球形封頭的水平投影之和，即臥式緩沖罐的占地面積為：SW=2RL+πR2/2+πR2/2=2×1.875 m×5 m+1.875×1.875×π/2+1.875×1.875×π/2=18.75 m2+11.039 m2=29.789 m2。立式緩沖罐的占地面積為立式圓形筒體的水平投影為：SL=πR2=π×1.8752=11.039 m2，那么SL/SW=11.039 m2/29.789 m2=0.371，由此可見，立式緩沖罐的占地面積僅為臥式緩沖罐的約1/3。本例中實際節(jié)省占地面積為SW-SL=29.789 m2-11.039 m2=18.75 m2，節(jié)省占地效果明顯。由于占地面積小，在設(shè)備多、場地緊湊的工場立式緩沖罐適用性更好。

由于緩沖罐罐體會造成天然氣進(jìn)入后流速大幅降低，因此緩沖罐罐體具有重力分離器作用，緩沖罐都需設(shè)計排液管道[16]，以便對積液定期排放。由于緩沖罐內(nèi)部承受著連續(xù)強(qiáng)大的脈動沖擊，安裝自動排液裝置(如浮球液位開關(guān))容易損壞失效，人工手動開閥排液仍為緩沖罐排液的主要方法。由于立式緩沖罐的水平截面積比臥式緩沖罐截面積小，在相同的液量下，垂直液位行程變大，在排液時液位更好控制，能較好地避免過排和欠排。

在相同的液量下，由于立式緩沖罐比臥式緩沖罐在垂直方向的液體厚度更大，液封作用自然更強(qiáng)，排放積液時在脈動氣流的沖擊下發(fā)生氣竄的可能性更小，能減少天然氣浪費(fèi)和環(huán)境污染。

雖然立式緩沖罐相比臥式緩沖罐有上述優(yōu)點，但由于立式緩沖罐為豎立安裝，其高度比臥式緩沖罐更高，會給維修和保養(yǎng)作業(yè)帶來困難，維保作業(yè)人員需要借助固定式或臨時的操作平臺才能完成維保作業(yè)，給維保作業(yè)帶來了不便。雖然如此，但天然氣地面設(shè)備維保作業(yè)周期較長，其影響有限。

立式緩沖罐與臥式緩沖罐的優(yōu)缺點綜合比較如表1。

表1 立式緩沖罐與臥式緩沖罐的優(yōu)缺點比較

眾所周知，天然氣重力分離器最早都是臥式分離器，后來才從臥式分離器發(fā)展出立式分離器。盡管臥式分離器分離效果比立式分離器好，但立式分離器占地面積小、液位控制容易的優(yōu)點明顯[17]，所以在天然氣采輸現(xiàn)場我們看到立式分離器的應(yīng)用反而比臥式分離器多。如同立式分離器能有效克服臥式分離器的某些缺點而獲得廣泛應(yīng)用一樣，立式緩沖罐也能克服臥式緩沖罐的固有缺陷，因而也具有較高的應(yīng)用價值。實際上在立式緩沖罐的研究中借鑒了分離器從臥式分離器發(fā)展到立式分離器的思路，通過從臥式緩沖罐發(fā)展而來的立式緩沖罐，由于具有明顯的優(yōu)點，因此和立式分離器一樣，未來有望獲得廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語

往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)排出的脈動氣流會引發(fā)沖擊和劇烈振動，對設(shè)備、測量儀表造成破壞，對安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。通過緩沖罐對天然氣壓縮機(jī)脈動氣流進(jìn)行消脈，能有效降低脈動氣流對設(shè)備的損害、保障安全生產(chǎn)并使測量儀表正常工作。

目前使用的臥式緩沖罐存在占地面積大、液位控制困難、容易氣竄的固有缺陷。通過對緩沖罐的安置方向和隔板重新設(shè)計，研制出的立式緩沖罐占地面積小，在設(shè)備多、場地緊湊的工場適用性好。同時還具有更好的液位控制和防氣竄能力，能較好地避免過排和欠排、減少天然氣浪費(fèi)和環(huán)境污染，防止離心泵形成氣縛現(xiàn)象。由于立式緩沖罐相比臥式緩沖罐具有顯著的優(yōu)點，在石油天然氣工業(yè)中具有較大的推廣價值。