李 剑

(中国石油西南油气田公司川西北气矿计量监测中心,四川 江油 621700)

在天然气工业中，压缩机是天然气开采、石化加工、远程输送、注气储存、CNG生产、增压燃烧等工艺中必不可少的核心装备[1-3]。当前，天然气压缩机主要采用往复式压缩机和离心式压缩机。其中，往复式压缩机以适用压力范围宽、流量调节范围大、排出压力稳定、热效率高、压比较高、适应性强等优点成为应用最广泛的天然气压缩机。往复式天然气压缩机由于有吸、排气的间歇性动作，使压缩机排出的气流具有脉动性。这种脉动气流引发的冲击和振动会加速管输设备及其附件的疲劳破坏，天然气装置若长期在剧烈振动的环境下运行，极易发生泄漏着火或爆炸事故，对气田的安全生产构成严重威胁；脉动气流还容易损坏测量仪表，并使仪表测量结果失准，影响工艺的监测和控制[4-11]。为了消除脉动气流的危害，往复式天然气压缩机都需要在压缩机出口处安装缓冲罐(缓冲罐)进行消脉[12-13]，但目前使用的卧式缓冲罐存在占地面积大、液位控制困难、容易窜气等缺陷。为此，本文对卧式缓冲罐进行了详细分析，发现了卧式缓冲罐存在缺陷的原因，并对缓冲罐进行设计改进，以解决卧式缓冲罐存在的缺陷。

1 缓冲罐及其存在的缺陷

1.1 缓冲罐消脉原理

天然气压缩机缓冲罐消脉是利用体积较大的罐体吸纳储存脉动气流的能量，使能量在罐体内混合重组均匀化，达到消减脉动的目的[13]，这一过程与波涛汹涌的激流从河流冲入宽阔湖泊后会趋于平静的原理相似。最早使用的缓冲罐为罐式(如图1)，罐体由圆形筒体和两端的椭圆或球形封头焊接而成。由于罐式缓冲罐需要较大的容积才能达到较好的消脉效果，较大的罐体使其制造成本高、占地面积大。为了节省成本和减少占地面积，人们又发明了带限流管的缓冲罐[14-15](如图2)，其内部用隔板分成两个等容积腔室，并用限流管连通。这种缓冲罐不仅通过罐体消脉，还通过限流管的强制流速突变进一步重组了能量分布。这一设计增强了消脉作用，使用更小的罐体就能达到同样的消脉效果，大幅减少了缓冲罐的制造成本和占地面积。这种缓冲罐已成为当前最先进的压缩机消脉缓冲罐，往复式天然气压缩机缓冲罐普遍采用了这种带限流管的缓冲罐。

图1 罐式缓冲罐

图2 带限流管卧式缓冲罐

带限流管缓冲罐的响应系数μ为[14-15]：

(1)

由(1)式看出，限流管流通面积Ac越小，消脉效果越好；分隔腔室容积C越大，消脉效果越好。但限流管流通面积Ac设计太小会增大压损，分隔腔室容积C设计越大，成本和体积均会增大，因此这两个参数受到工艺需求、能耗、成本和体积的限制，实际应用中应多方兼顾、合理设计这两个参数。

1.2 卧式缓冲罐存在的缺陷

目前,天然气压缩机所采用的缓冲罐都是卧式。由于往复式天然气压缩机的压比较高，需要较大的缓冲罐才能达到理想的消脉效果，因此卧式缓冲罐存在3个缺点：①卧式缓冲罐占地面积大。卧式缓冲罐采用横置安装，占地面积大，这一特点在场地有限的陆地集输站、海上平台和设备密集的石油化工厂，会对设备的摆放安装带来困难。②排液时液位控制困难。缓冲罐内部大腔体具有重力分离器作用，会使天然气中液体分离出来并沉降在罐体底部，对一定的液量而言，卧式缓冲罐内部由于水平截面积大，使得垂直液位行程变小，在排液时液位不易控制，容易过排和欠排。③容易气窜。由于缓冲罐内部气体处于脉动冲击状态，排液时气体容易突破液封窜入排液管道，其原理和冲击电钻采用脉动冲击更容易钻穿墙体类似。卧式结构本来就会使液封作用减弱，脉动冲击和弱液封共同作用加剧了气窜，气窜逃逸出来的天然气通常是通过污水沉淀罐的呼吸阀排入大气中的，气窜造成了天然气浪费和环境污染，气窜还会使气体进入离心泵腔形成气缚现象。

由于卧式缓冲罐存在上述3个缺陷，有必要对其进一步改进。

2 立式缓冲罐

2.1 立式缓冲罐的结构

为了克服卧式缓冲罐存在缺陷，将卧式缓冲罐的安置方向和隔板重新设计，研制出立式缓冲罐，结构如图3所示。立式缓冲罐按罐体轴线垂直于地面安装，用隔板把罐体分成两个等容积腔室，并用限流管连通，下腔室的排液管道从罐体最下端引出，上腔室的排液管道从隔板最下端引出。立式缓冲罐的罐体用裙座支撑的方式固定在地基上。

(a)平隔板型 (b)倾斜隔板型

图3中(a)为平隔板型立式缓冲罐，(b)为倾斜隔板型立式缓冲罐。平隔板型立式缓冲罐的隔板处于水平状态，虽然也能减少占地面积、并改善下腔室控制液位和防气窜能力，但上腔室控制液位和防气窜能力却未获显著改善。倾斜隔板型立式缓冲罐采用倾斜隔板是为了在等容积分隔罐体的同时使上腔室分离出的液体自动汇集在倾斜隔板低端，以增大上腔室垂直液位行程，便于液位控制并减少气窜发生，但倾斜隔板也会增加制造难度和成本。两者适用的区别是：对罐体直径较小的立式缓冲罐可采用平隔板型立式缓冲罐，对罐体直径较大的立式缓冲罐宜采用倾斜隔板型立式缓冲罐。

立式缓冲罐的主要结构(等分腔室、限流管)和卧式缓冲罐相同，两者都是利用罐体吸纳储存脉动气流的能量，并用限流管的流速突变进一步增强消脉作用，因此两者的消脉原理一样，消脉效果相同，其响应系数μ仍按照式(1)所列公式计算。

2.2 立式缓冲罐优点及应用前景

为了达到较好的消脉效果，缓冲罐罐体需要做的较大。如果采用卧式，占地面积自然也大，而采用立式，则能大幅减少占地面积。例如，一个缓冲罐罐体由筒体和两端的半球形封头组成，筒体半径R=1.875 m，筒体长L=5 m，筒体两端的半球形封头半径R=1.875 m(与筒体半径相等)，卧式缓冲罐罐体的占地面积为卧式圆形筒体的水平投影与两端半球形封头的水平投影之和，即卧式缓冲罐的占地面积为：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。立式缓冲罐的占地面积为立式圆形筒体的水平投影为：SL=πR2=π×1.8752=11.039 m2，那么SL/SW=11.039 m2/29.789 m2=0.371，由此可见，立式缓冲罐的占地面积仅为卧式缓冲罐的约1/3。本例中实际节省占地面积为SW-SL=29.789 m2-11.039 m2=18.75 m2，节省占地效果明显。由于占地面积小，在设备多、场地紧凑的工场立式缓冲罐适用性更好。

由于缓冲罐罐体会造成天然气进入后流速大幅降低，因此缓冲罐罐体具有重力分离器作用，缓冲罐都需设计排液管道[16]，以便对积液定期排放。由于缓冲罐内部承受着连续强大的脉动冲击，安装自动排液装置(如浮球液位开关)容易损坏失效，人工手动开阀排液仍为缓冲罐排液的主要方法。由于立式缓冲罐的水平截面积比卧式缓冲罐截面积小，在相同的液量下，垂直液位行程变大，在排液时液位更好控制，能较好地避免过排和欠排。

在相同的液量下，由于立式缓冲罐比卧式缓冲罐在垂直方向的液体厚度更大，液封作用自然更强，排放积液时在脉动气流的冲击下发生气窜的可能性更小，能减少天然气浪费和环境污染。

虽然立式缓冲罐相比卧式缓冲罐有上述优点，但由于立式缓冲罐为竖立安装，其高度比卧式缓冲罐更高，会给维修和保养作业带来困难，维保作业人员需要借助固定式或临时的操作平台才能完成维保作业，给维保作业带来了不便。虽然如此，但天然气地面设备维保作业周期较长，其影响有限。

立式缓冲罐与卧式缓冲罐的优缺点综合比较如表1。

表1 立式缓冲罐与卧式缓冲罐的优缺点比较

众所周知，天然气重力分离器最早都是卧式分离器，后来才从卧式分离器发展出立式分离器。尽管卧式分离器分离效果比立式分离器好，但立式分离器占地面积小、液位控制容易的优点明显[17]，所以在天然气采输现场我们看到立式分离器的应用反而比卧式分离器多。如同立式分离器能有效克服卧式分离器的某些缺点而获得广泛应用一样，立式缓冲罐也能克服卧式缓冲罐的固有缺陷，因而也具有较高的应用价值。实际上在立式缓冲罐的研究中借鉴了分离器从卧式分离器发展到立式分离器的思路，通过从卧式缓冲罐发展而来的立式缓冲罐，由于具有明显的优点，因此和立式分离器一样，未来有望获得广泛应用。

3 结语

往复式天然气压缩机排出的脉动气流会引发冲击和剧烈振动，对设备、测量仪表造成破坏，对安全生产构成严重威胁。通过缓冲罐对天然气压缩机脉动气流进行消脉，能有效降低脉动气流对设备的损害、保障安全生产并使测量仪表正常工作。

目前使用的卧式缓冲罐存在占地面积大、液位控制困难、容易气窜的固有缺陷。通过对缓冲罐的安置方向和隔板重新设计，研制出的立式缓冲罐占地面积小，在设备多、场地紧凑的工场适用性好。同时还具有更好的液位控制和防气窜能力，能较好地避免过排和欠排、减少天然气浪费和环境污染，防止离心泵形成气缚现象。由于立式缓冲罐相比卧式缓冲罐具有显著的优点，在石油天然气工业中具有较大的推广价值。