王铁军 齐德珍 王赤宇 郝颜杰 张红军 吴玉琰

1. 中油工程项目管理公司天津设计院, 天津 300457; 2. 中国石油塔里木油田公司迪那油气开发部, 新疆 库尔勒 841000

0 前言

注气期,调峰型地下储气库中天然气将经注气装置过滤、增压后注入地层,注气压缩机是注气装置的核心设备。作为连接上游长输管道及地下储气库的枢纽,注气装置应满足储气库整个注气期内工况要求,而在一个注气期内,注气量及注气压缩机进出口压力等多变,对注气压缩机选型提出了更高要求。因此,确定注气规模,进而确定注气压缩机数量及类型是注气装置设计的关键。

1 地下储气库注气规模的确定

地下储气库按照气库作用分为调峰型储气库和战略储备型储气库[1],目前国内已建储气库以季节调峰型地下储气库为主[2]。

对于调峰型储气库,注气规模的确定既要考虑地下储气库的储气能力,又要结合长输管道供气能力及用户调峰需求[3]。首先需预测出市场天然气需求量、天然气需求结构以及用户的不均匀性,再计算出市场需要的调峰量,最后根据储气库气藏特性分析拟选储气库是否满足市场需求,进而明确储气库注气规模[4]。国内已建调峰型储气库注气规模一般根据储气库的有效工作气量,在均注基础上,考虑1.1～1.2倍系数来确定。以已建大港油田板南储气库为例[5],该库的设计工作气量为4.27×108m3,注气期为220 d,考虑均注则每天的注气量为194×104m3/d,在此基础上考虑1.2倍系数,因此确定注气规模为240×104m3/d。该规定非硬性指标,根据大港已建储气库的运行经验,最高日注气量与日均注气量的比值会达到1.6以上,而储气库无法实现均注的理想状态。某储气库群2017-2019年一个注气期内的日注气变化见图1,根据三年的统计,最高日注气量与日均注气量的比值分别达到1.7、2.0、1.8。

图1 某储气库群2017-2019年注气期日注气量变化图Fig.1 The daily injection rate in a gas storage groupduring the injection period of 2017-2019

此外根据国内某储气库运行经验,该库设计工作气量为1.89×108m3,设计注气期为220 d,设计注气规模为100×104m3/d,该库共有9口注气井可用于注气。根据近年来实际运行情况统计,该库实际年注气一般在1.2×108m3左右,远未达到设计工作气量要求,经现场分析主要是由于受修井作业、压缩机本体及发动机故障、压缩机定期保养及其他不确定因素等影响,实际注气天数远低于220 d,因此在一个注气期内注气量远低于设计有效工作气量。

综上,由于储气库选址的稀缺性及天然气供需分析预测存在不确定性[6],建议对于季节调峰型储气库不应局限于根据均注考虑1.1～1.2倍系数确定注气规模,应对注气期管道的可供气量确定适宜的调峰系数,在投资允许及库容满足的情况下,尽可能增大注气装置规模,以便最大程度利用储气库库容,并且减少后期扩建改造。

2 国内已建储气库注气压缩机选型

注气压缩机选型与匹配主要包括确定机组的型式、台数和驱动机型式[7]。机组设计参数包括入口压力、入口流量以及出口压力等,各项参数需要综合气源参数、长输管道系统参数及储气库注气期运行参数进行分析优化确定[8]。对于储气库来说机组台数匹配的基本原则为不设置备用,尽可能地选用大功率机组,机组台数不少于2台兼顾出现小流量的工况。在需要设置采气增压流程时,注气压缩机应按照注气工况进行选型,同时兼顾适应采气增压工况。

目前，国内已建地下储气库主要为枯竭气藏型地下储气库,此类储气库地层埋层深,地层压力高,随着天然气不断注入,地层压力不断升高,压缩机出口压力波动大。国内储气库建设早期,储气库注气规模小,一般在500×104m3/d以下,由于往复式压缩机更能适应出口压力高、波动范围大,且入口条件相对不稳定的情况,在注气效率、操作灵活性等方面具有突出优势[9],因此目前已建储气库均采用往复式压缩机作为注气装置设备,国内已建季节调峰型储气库注气压缩机配置情况见表1。国内已研制出功率6 000 kW、注气压力43 MPa、转速1 000 r/min的往复式压缩机组,已在苏桥储气库安全平稳运行超800 h[10]。

3 国外储气库注气压缩机选型

美国储气库注气压缩机大多采用往复式压缩机[11],而欧洲国家的天然气主要依赖进口,且国土面积相对较小,对于大型储气库多采用离心压缩机或离心压缩机与往复式压缩机组合的配置,以大幅减少机组数量,降低设备投资和占地面积。

表1 国内已建季节调峰型储气库注气压缩机配置情况表

荷兰Shell公司所属Norg储气库,总库容达到280×108m3,工作气量为30×108m3,注气量为1 200×104～2 400×104m3/d,最高工作压力为30 MPa，注气系统设置2台38 MW电驱离心式压缩机,不设备用[12],转速为10 558 r/min,不设置备用。

德国Wintershall公司Rehden储气库采用枯竭气藏建库,注采井工作压力为11～28 MPa,总有效工作气量为42×108m3,最大注气量为3 360×104m3/d。压缩机全部采用离心式压缩机两段增压，一段有5台,全部为燃气轮机驱动,其中2台10 MW、2台9 MW、1台25 MW,入口压力为6～8 MPa,出口压力为21 MPa;二段有2台,电机驱动,均为12.5 MW,入口压力为21 MPa,出口压力为26 MPa。

4 储气库注气压缩机选型配置建议

4.1 离心式压缩机在储气库中应用初探

随着储气库的不断建设,国内出现了规模较大的储气库,有效工作气量20×108m3的储气库若选用往复式压缩机,数量已达到8台,为减少压缩机数量,急需开展研究离心式压缩机在地下储气库运行工况下的适应性与可行性。

离心式压缩机具有排量大、重量轻、结构简单的优点,但流量调节范围较小,小流量运行时容易发生喘振。目前，专门用于储气库的压缩机为单轴多级垂直剖分压缩机,压缩机的出口最高压力可达90 MPa,出口压力>35 MPa 的超高压压缩机,实际入口流率范围为250～480 000 m3/h,转速为3 000～20 000 r/min。离心式压缩机可以通过变转速和防喘振旁路的组合方式调节气量和出口压力范围,变工况调节时首先采用变转速调节,当单独调节转速不能满足要求时,通过控制防喘振阀门的开度进行旁路调节[13],某储气库的离心式压缩机性能曲线见图2。

图2 离心式压缩机性能曲线图Fig.2 The performance curve of centrifugal compressors

离心式压缩机在运行过程中55%的故障来自于润滑和密封系统,为提高机组安全可靠性[14],世界各大压缩机厂商相继开发了基于电磁轴承的一体式无油润滑压缩机系统。整体式磁悬浮电驱离心式压缩机将电机与压缩机封装在一起,采用电磁轴承支撑,用流程气冷却[15],无润滑油及干气密封系统,大大提高了压缩机的可靠性,压缩机的单台功率达到22 000 kW[16],该类压缩机结构示意见图3。采用变频器可通过压缩机的转速调节适应工况变化,转速的调节范围可达30%～105%。目前,整体式离心压缩机在欧洲储气库已得到广泛应用。往复式压缩机、油润滑轴承离心式压缩机、磁力轴承离心式压缩机的对比见表2,较之往复式压缩机,离心式压缩机具有机组数量小、占地面积小、维护费用低、投资低等优点。

图3 整体式磁悬浮电驱离心式压缩机示意图Fig.3 Schematic diagram of integral magnetic levitationvariable frequency speed regulating centrifugal compressor

表2 三种类型压缩机对比表

注气初期,地层压力较低,压缩机一般大流量、低压比运行,注气中后期,压缩机一般低流量、高压比运行[17],离心式压缩机两级缸可串、并联,因此可以寻求通过压缩机两级缸的串、并联和压缩机组之间的串、并联组合来满足注气工况需求,例如在注气初期,运行单台压缩机或2台压缩机并联运行,在注气末期,2台压缩机串联运行。通过优化离心式压缩机选型和调整串、并联以及采用大、小不同机型的组合配置,离心式压缩机也能很好地适应储气库的变工况运行。例如对于采用8台往复式压缩机的大型储气库,采用2台离心机组即可满足气量波动范围见图4,同时可降低设备投资和占地,目前受国内离心式压缩机生产能力的限制,尚缺少出口压力30 MPa以上储气库用压缩机的生产应用实例,因此,储气库专用大排量高压力的离心式压缩机的研制及应用研究,将成为下一步研究的重点方向。

图4 某储气库采用离心式压缩机与往复式压缩机不同注气时间压缩机台数对比图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 储气库注气压缩机选型配置建议

通过国外调研及对离心式压缩机在储气库中应用可行性分析,不同规模地下储气库注气压缩机选型在单一采用往复式压缩机基础上,可扩展应用离心式压缩机。小型储气库可采用往复式压缩机组合,但在注气规模较大,单机排量限制造成压缩机数量过多的情况下,需考虑离心式压缩机。离心式压缩机选型要求机组有较宽的稳定工作区,运行工况避开喘振流量范围[18-20],并且尽量保证单机排量下限满足储气库注气波动的下限要求。

通过对不同规模的储气库采用往复式压缩机、离心式压缩机配置,可从经济性及对气量波动的适应性等方面来进行综合对比分析,对于注气规模小于600×104m3/d的储气库建议采用往复式压缩机，对于注采规模大于600×104m3/d的储气库建议采用2台及以上离心式压缩机配置,同时根据储气库所需的最小调峰气量需求,可搭配往复式压缩机组用于注气末期节能注气。由于压缩机进出口压力范围及气量波动存在不确定性,对于新建储气库注气压缩机配置方案选择应根据具体技术经济比选而定。

5 结论与建议

1)国内已建调峰型储气库一般在均注基础上考虑1.1～1.2倍系数确定注气规模,由于储气库选址的稀缺性及天然气供需分析预测存在不确定性,应根据注气期管道的可供气量确定适宜的调峰系数,在投资允许及库容满足的情况下,尽可能增大注气装置规模,以便最大程度利用库容,减少后期扩建改造。

2)国内已建储气库均采用往复式压缩机,国外对大型储气库采用离心式压缩机与往复式压缩机组合使用或单纯使用离心式压缩机,离心式压缩机可满足储气库高压力注气需求。

3)对于注气规模小于600×104m3/d的储气库建议采用往复式压缩机，对于注采规模大于600×104m3/d的储气库建议采用2台及以上离心式压缩机组配置。