煤層氣田集氣站壓縮機(jī)選型及驅(qū)動(dòng)方式比較

摘 要

摘要：對(duì)離心式、往復(fù)式、螺桿式壓縮機(jī)對(duì)煤層氣田集氣站工藝的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了比較，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式更具優(yōu)勢(shì)。針對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，結(jié)
摘要：對(duì)離心式、往復(fù)式、螺桿式壓縮機(jī)對(duì)煤層氣田集氣站工藝的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了比較，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式更具優(yōu)勢(shì)。針對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)電網(wǎng)供電、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較。
關(guān)鍵詞：煤層氣；集氣站；壓縮機(jī)選型；驅(qū)動(dòng)方式；供電方式
Selection of Compressor Type and Comparison of Their Driven Methods for Gas Gathering Station in Coal Bed Methane Field
XUE Aiqin，LI Yanzong，ZHANG Ying
Abstract：The adaptability of centrifugal compressor，reciprocating compressor and screw compressor to the process of gas gathering station in coal bed methane field is analyzed.A comparison is made between electric motor-driven method and gas-turbine driven method，and the electric motor-driven method is dominant.For electric motor-driven compressor，the technical and economic efficieneies of power supply from electric network and gas engine are compared through an engineering example.
Key words：coal bed methane；gas gathering station；selection of compressor type；driven method；power supply method
    開(kāi)發(fā)利用煤層氣不僅可從根本上防止煤礦瓦斯事故的發(fā)生，保證煤礦安全生產(chǎn)，還可有效利用煤層氣，在一定程度上改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，增加潔凈的氣體能源，彌補(bǔ)我國(guó)常規(guī)天然氣在地域分布和供給量上的不足[1～5]。井口煤層氣壓力較低，在煤層氣田開(kāi)采過(guò)程中，產(chǎn)氣量波動(dòng)較大，初期和末期均較小，中期產(chǎn)氣量較高，且從井口采出后，氣體會(huì)夾帶水分和煤粉。在煤層氣集輸過(guò)程中，對(duì)煤層氣進(jìn)行增壓，所選用的壓縮機(jī)必須適應(yīng)入口壓力低、氣量變化范圍大、氣體中含有水分并攜帶少量固體粉塵等這3個(gè)條件。這也是煤層氣田集氣站壓縮機(jī)選型的制約因素。本文對(duì)煤層氣田集氣站壓縮機(jī)選型及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行比較。
1 集氣站壓縮機(jī)選型
   ① 集氣站工藝流程
   煤層氣田集氣站主要功能之一是將煤層氣進(jìn)行增壓。從各單井來(lái)的煤層氣，通過(guò)采氣干管進(jìn)入集氣站，經(jīng)氣液分離器進(jìn)行氣液分離后，進(jìn)入壓縮橇進(jìn)行增壓，增壓后的煤層氣經(jīng)換熱橇、計(jì)量橇后通過(guò)集氣干管外輸，分離出的污水進(jìn)入排污池。煤層氣田集氣站工藝流程見(jiàn)圖1。

   ② 集氣站壓縮機(jī)選型
   一般情況下，我們根據(jù)氣體組成、進(jìn)氣壓力和氣量變化范圍進(jìn)行壓縮機(jī)選型。常用的天然氣壓縮機(jī)有離心式、往復(fù)式、螺桿式。目前在技術(shù)上，這3種機(jī)型都比較成熟，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。
    離心式壓縮機(jī)只能適應(yīng)氣源比較穩(wěn)定、氣量較大、壓縮比小的工況，而煤層氣田的產(chǎn)量及達(dá)產(chǎn)時(shí)間較難估計(jì)，大多情況下，集氣站是在未達(dá)設(shè)計(jì)規(guī)模下運(yùn)行的，因此離心式壓縮機(jī)不適用于煤層氣的增壓。
   往復(fù)式和螺桿式壓縮機(jī)都能適合于氣量波動(dòng)較 大、壓縮比大的工況。在煤層氣的研究開(kāi)發(fā)初期，往復(fù)式壓縮機(jī)成為首選的煤層氣增壓設(shè)備，但隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，暴露出諸多問(wèn)題，其中液擊是易出現(xiàn)的問(wèn)題之一。液擊是由于煤層氣中含有水分，在進(jìn)入氣缸后沒(méi)有在排氣過(guò)程迅速排出，在活塞接近上止點(diǎn)時(shí)被壓縮而產(chǎn)生的瞬間沖擊。液擊可以在很短時(shí)間內(nèi)造成壓縮受力件(如閥片、活塞、連桿、曲軸、活塞銷(xiāo)等)的損壞。只有減少或避免液體進(jìn)入氣缸，才可以防止往復(fù)式壓縮機(jī)發(fā)生液擊，但煤層氣中的水分是無(wú)法完全去除的。
   螺桿式壓縮機(jī)是一種容積式作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣體壓縮機(jī)，氣體的壓縮是靠一對(duì)互相嚙合、旋轉(zhuǎn)相反的陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子在缸體內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，螺桿式壓縮機(jī)周期性完成進(jìn)氣、壓縮和排氣3個(gè)過(guò)程。螺桿式壓縮機(jī)具有多相混輸功能，高精度同步齒輪副起固定螺桿轉(zhuǎn)子間隙的作用，螺桿轉(zhuǎn)子采用厚薄齒結(jié)構(gòu)，保證壓縮機(jī)在任何工況下(即便反轉(zhuǎn)時(shí))陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子之間以及螺桿轉(zhuǎn)子與缸體之間都不接觸。因此，陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子齒面之間實(shí)際上留有間隙，能壓送含液、含粉塵氣體，更不會(huì)發(fā)生液擊現(xiàn)象。
    由上海鮑斯壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的煤層氣螺桿式壓縮機(jī)，充分考慮到地面抽采的煤層氣壓力波動(dòng)大、含有水分和煤粉的工況條件。在陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)氣端與排氣端的轉(zhuǎn)子軸上均配置機(jī)械密封，保證輸送介質(zhì)與轉(zhuǎn)子軸承潤(rùn)滑油能完全隔開(kāi)，水分及煤粉無(wú)法進(jìn)入潤(rùn)滑油系統(tǒng)。該公司生產(chǎn)的煤層氣螺桿式壓縮機(jī)缸體采用噴水冷卻，不但保證壓縮介質(zhì)溫度在85℃以下，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦，而且保障壓縮過(guò)程安全并降低運(yùn)行成本。目前，螺桿式壓縮機(jī)在山西許村、成莊、昔陽(yáng)等多個(gè)煤層氣項(xiàng)目中得到應(yīng)用，最大日處理量已達(dá)到22×104m3/d。
    對(duì)于日處理量，國(guó)內(nèi)往復(fù)式壓縮機(jī)可達(dá)到50×104m3/d以上，而日處理量大于22×104m3/d的螺桿式壓縮機(jī)在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有應(yīng)用的業(yè)績(jī)。綜合考慮工藝適用性、造價(jià)、運(yùn)行成本及國(guó)內(nèi)制造工藝，并借鑒以往工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，建議日處理量在15×104m3/d以上的壓縮機(jī)，宜采用往復(fù)式；15×104m3/d及以下的壓縮機(jī)，宜采用螺桿式。
2 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇
    壓縮機(jī)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式需要配置相應(yīng)的輸、配、變電系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)的供電要求為一級(jí)負(fù)荷，受電網(wǎng)的制約較大，一般在對(duì)環(huán)保要求高、外部電網(wǎng)供電可靠、電價(jià)較便宜及電力供應(yīng)充足的地區(qū)選用。燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)方式需配置相應(yīng)的燃?xì)庀到y(tǒng)、控制系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和1套較小容量的輸配電系統(tǒng)。燃?xì)饪芍苯尤∽愿浇木诿簩託?，?duì)電網(wǎng)供電的需求量小，依賴性小。因此，燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)方式成為電網(wǎng)配置薄弱、電價(jià)較高和電力供應(yīng)緊張地區(qū)的首選方式[6]。兩種壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表1。由表1可知，電動(dòng)機(jī)具有工況適應(yīng)性較好、耐用、易操作、造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)，比燃?xì)廨啓C(jī)具有優(yōu)勢(shì)。因此我們推薦采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，但對(duì)于供電系統(tǒng)難以覆蓋的煤層氣田，可以采取燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電方式，不僅保證了壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，而且可以直接使用井口煤層氣。
 

3 供電方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較
    山西某煤層氣田集氣站設(shè)5臺(tái)日處理量為15×104m3/d的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿式壓縮機(jī)，動(dòng)力電10kV，(50±2)Hz，三相。該集氣站選址位置距離已建110/35kV變電站約12km。擬采用電網(wǎng)供電、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電兩種方式，下面分析兩種供電方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
    由電網(wǎng)供電，集氣站側(cè)需建設(shè)1座35/10kV變電站，110/35kV變電站與35/10kV變電站間需架設(shè)35kV輸電線路12km。輸電線路自110/35kV變電站35kV母線引出，通過(guò)架設(shè)35kV雙回路輸電線路，到達(dá)35/10kV變電站。站內(nèi)設(shè)兩臺(tái)35/10kV主變壓器，兩臺(tái)主變壓器分列運(yùn)行，容量為2×5000kVA。電動(dòng)機(jī)電源引自35/10kV變電站內(nèi)10kV母線。
    由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電，需安裝5臺(tái)電壓等級(jí)為10kV、2000kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，4用1備。
    兩種供電方式的經(jīng)濟(jì)性比較見(jiàn)表2。電價(jià)為0.47元(kW·h)，氣價(jià)為1.2元/m3，使用壽命為20年。由表2可知，對(duì)于該工程，采用電網(wǎng)供電比采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電經(jīng)濟(jì)性優(yōu)。但這兩種供電方式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：①電網(wǎng)供電。優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)低，可靠性高。缺點(diǎn)：集氣站投運(yùn)受變電站及線路建設(shè)期影響，運(yùn)行費(fèi)用受電價(jià)制約。②燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電。優(yōu)點(diǎn)：燃?xì)庾杂?，占地面積小，不受供電條件限制。缺點(diǎn)：造價(jià)高，2000kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供貨時(shí)間較長(zhǎng)(約1年)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，運(yùn)行費(fèi)用受氣價(jià)影響。因此，應(yīng)根據(jù)不同工程的實(shí)際情況，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，選擇供電方式。

4 結(jié)論
    ① 對(duì)于煤層氣壓縮機(jī)，當(dāng)日處理量＞15×104m3/d時(shí)，宜采用往復(fù)式；當(dāng)日處理量≤15×104m3/d時(shí)，宜采用螺桿式。
    ② 推薦采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，對(duì)于供電系統(tǒng)難以覆蓋的煤層氣田，可以采取燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電方式。
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(本文作者：薛愛(ài)芹1 李延宗1 張瑩2 1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司 河北任丘 062552；2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100028)