离心式湿气压缩机转子在线清洗技术——以莺歌海盆地乐东气田为例

常户星 陈肇日 刘向阳 苟潮洋

中海石油（中国）有限公司湛江分公司

乐东气田有3台大型离心式湿气压缩机组，用于天然气的增压外输，在运行1年后，C机组出现振动高故障关停，通过内窥镜对压缩机流道检查，发现压缩机转子叶轮有严重的结垢现象，第一次故障分析认为，可能是由于投产初期操作不当的偶发故障，只要进行1次全面清理就可一次性解决问题。于是把C机整机拆除，紧急空运回美国原厂进行了解体清洗，在历时3个月并花费40万美元维修费之后，C机返回重新投入正常运行，然而在运行96d后，C机再次出现振动高报警关停，通过内窥镜检查，发现振动高的原因仍然是压缩机转子叶轮结垢引起的。

通过对地层水［1－3］和结垢物的分析以及所有工艺设备仔细检查之后，最终确认是由于压缩机前的除液设备—涤气罐没有达到设计要求，使气体携带少量地层水进入压缩机而产生结垢现象，由于转子结垢，导致转子的动平衡被破坏，转子形成偏心，在压缩机转速高达8 000r／min下，偏心所产生的离心力为偏心重的10e5倍，转子转动时的不平衡使压缩机产生剧烈振动，最终导致压缩机关停。

随后另外两台压缩机也相继出现振动升高的现象，检查后确认也是叶轮结垢引起的，由此看来平台压缩机叶轮结垢已经成为一个共性问题，生产状况岌岌可危。如何尽快消除压缩机的振动故障，保证乐东气田生产的连续性和稳定性，成为生产人员迫切需要解决的一个难题。

1 压缩机转子在线清洗技术研究

1.1 压缩机转子结垢的成因

通过在压缩机进口取样（编号：201110673）送实验室化验，获得了结垢物质化验结果（表1），分析发现垢样的主要成分为NaHCO3水型盐类物质，与乐东气藏地层水水型相符，证明结垢物来自于地层水。

表1 乐东22－1气田地层水分析化验报告表

分析认为，乐东气田地下气藏中的地层矿物盐在高温高压的条件下，溶解于地层水中，地层水的总矿化度达到20 000mg／L，这种高矿化度水与天然气共同分布于气藏孔隙中。气藏开发后，天然气从孔隙中不断向井筒运动，在此过程中溶解有矿物盐的高矿化度水被天然气携带出地面，由于地面工艺流程设备除液效率不高，使少量游离水随天然气中进入了压缩机，在多级压缩过程中，气体温度从38℃升高到108℃，在高温条件水分不断蒸发，随着水分的减少，溶有矿物盐的水溶液达到过饱和状态，最终矿物盐以结晶体析出［4－6］，附着在压缩机转子的叶轮表面，形成盐垢（图1），并呈现不规则分布，使压缩机的动平衡状态遭到破坏，发生偏心，随着盐垢越聚越多，偏心越来越严重，由于偏心产生的振动［7－9］越来越高，最终导致压缩机关停。

1.2 压缩机转子清洗思路

1.2.1 清洗技术思路

彻底除掉天然气里面的水分是问题的根本解决之道，但是由于海上平台空间的局限性，除液用的涤气罐无法更换为效率更高的设备，也无法在工艺流程中增加分子筛等脱水设备。除非进行大规模的改造，否则在短期内无法实现，但这种方法投资大，停产损失大，万不得已才会采用。

图1 内窥镜观测到的压缩机叶轮结垢现象照片

另一种解决方式是采取措施去除压缩机转子上面的结垢物。如果整机拆卸送回美国原厂进行解体检修，不但费用高而且周期长，已实施的C机组的送修实例已经验证了这种方法不切合实际生产状况。

那么能不能用其他方式现场除垢？通过对垢样化验结果（表1）分析，发现垢样中Na＋含量约为75%，基本都能溶解于水，这为压缩机进行水洗除垢提供了依据，如果在现场对压缩机内腔的转子进行在线水洗，投入的成本少，不需要拆卸机组，而且能够在短时间内恢复压缩机运行，这个解决问题的思路最切合生产实际。但是通过对压缩机本体结构进行分析，水洗存在一个较大的风险：可能会损坏轴端密封，如果损坏了轴端密封，就算叶轮清洗成功也没有用，如何保护压缩机轴端密封，成为实施在线清洗作业的关键。

1.2.2 压缩机轴端密封保护

离心压缩机轴端密封系统［11］是压缩机最精密的部分，在压缩机的驱动端和非驱动端各有一套相同的密封系统；每套密封系统都包含有三级密封；在压缩机运行时，密封气一部分通过一级密封后部分从主排放口排出机体在安全区域冷放空，一部分通过二级密封后与通过开口环形密封的缓冲气一起从二级密封排放口排出机体在安全区域冷放空；在整套密封系统中，密封所用气体为工艺气本身，当一级密封失效时，第二级密封可以起到辅助安全密封的作用，可保证工艺介质不大量向大气泄漏；缓冲空气系统的作用是分隔润滑油和天然气，防止润滑油进入密封系统损坏密封。

通过对压缩机轴端密封系统的结构（图2）与工作原理进行分析，在压缩机处于停机状态时，压缩机的控制逻辑将密封气和缓冲空气都关闭。如果进行清洗作业，压缩机腔体内进水后，水将可能会通过迷宫密封进入到轴承腔内，导致润滑油黏度的变化而损坏轴承。因此，在线清洗技术的关键是如何做好轴端密封系统的保护，只要保持密封气压力足够高，密封气就会通过叶轮端的密封进入压缩机腔室，密封气压力可以抵消水静压与克服水在干气密封端面上的附着力，将水隔离在干气密封之外，避免造成干气密封与轴承的污染，因此清洗作业前必须启用密封气。

图2 压缩机轴端密封示意图

实践表明，当密封气和压缩机腔室中的压差大于130kPa时，压差所产生的气流足以阻止污水流入轴端密封系统，就可以避免清洗液和污垢对密封系统的污染。

1.3 在线清洗实施方案

实施方案分2步：第1步淡水清洗。将淡水注入压缩机腔体到1／2位置，对叶轮进行24h浸泡，然后人工转动叶轮180°再次注水浸泡24h，如此反复进行3遍浸泡和切换。内窥镜观察的结果表明用淡水浸泡清洗法可以除掉转子的叶轮表面上NaCl、KCl等易溶于水的垢盐，叶轮上的垢盐已经大为减少，但还有少量盐垢附着在叶轮表面未清除干净。进一步分析认为，由于地层水中还含有Ca2＋、Mg2＋和 HCO3－，在压缩内部的高温下，HCO3－会和Ca2＋、Mg2＋发生化学反应，产生CaCO3、MgCO3，反应方程式如下：

而CaCO3、MgCO3不溶于水，因此淡水无法彻底将垢清洗干净，虽然水洗后试机表明压缩机振动减小，但并没有达到理想状态。

第2步冰醋酸溶液清洗，是用冰醋酸配成的溶液浸泡，除掉不溶于水的CaCO3和MgCO3。其化学反应方程式如下：

由于冰醋酸属于弱酸，对压缩机转子的金属腐蚀很小，而且在市场上容易获得，是一种较佳的清洗剂。最终决定采用冰醋酸的水溶液作为清洗剂，实施在线循环清洗作业。具体作业程序为：

1）能源隔离，拆除相关管线及安装液位计。

2）清洗流程如图3所示，连接好清洗液储罐、循环泵、进液口和出液口。

3）将醋酸和水按4∶100比例配比成清洗液，清洗液的pH值控制为3～4。

4）导通清洗流程，将配好的清洗液通过循环泵注满压缩机腔体，保持机体内液位，使清洗液沿着储罐→循环泵→压缩机腔体→储罐流程对叶轮进行循环清洗。

5）定时检测清洗液的pH值，当pH值不再升高时说明压缩机叶轮污垢清洗干净。

6）清洗结束后，排掉压缩机腔体内的残液，马上使用淡水进行浸泡冲洗。

图3 压缩机清洗流程示意图

7）管线回装，N2吹扫，充压测漏，启机测试。

结果表明，这种在线循环清洗除垢的方法十分有效，清洗后压缩机振动情况得到明显改善，压缩机轴段密封也得到了保护。

进一步优化措施：在循环清洗的同时，为了进一步提高清洗的效率，在压缩机非驱动端安装气动辅助马达（图3），持续给压缩机盘车，让转子以80～100r／min的速度缓慢转动，使原来的静态浸泡变成动态浸泡，这样就使盐垢溶解速度加快，提高了清洗的效率，缩短清洗作业时间。通过内窥镜检查，清洗效果显著（图4）。

图4 压缩机叶轮清洗后照片

2 在线清洗作业注意事项

2.1 对密封气系统压力的控制

清洗作业过程中，操作人员需要时刻注意观察控制界面中的密封气系统压力（图5），使干气密封压差不低于130kPa，缓冲器密封不低于152kPa，确保压缩机密封系统的安全。

2.2 对清洗液的pH值的控制

图5 密封气系统压力监测图

清洗液是由醋酸［12］和水按4∶100比例配比而成，清洗液的pH值控制在3～4之间，pH值过低容易对压缩机叶轮造成腐蚀［13］。在机体酸液排完后，先冲入少量苏打水中和，随后不断用淡水浸泡清洗，直至pH值检验为中性为止，最后用纯净的氮气对压缩机进行吹扫干燥，避免残液对转子和定子造成腐蚀。

3 在线清洗效果

压缩机转子清洗作业时间一般需要3d，平台生产人员通过对每次压缩机前后端的振动值及压缩机效率等参数的跟踪分析（表2），数据显示天然气压缩机转子清洗效果良好。

压缩机在线清洗后，机组振动数值恢复到正常水平；清洗后的效率（0.679 8）比清洗前的效率（0.521 2）提高了30%；干气密封排放压力在清洗前后无变化，表明干气密封完好没有受到污染。截至2014年2月16日，乐东气田3台压缩机共实施在线清洗作业25次，均除垢成功，保证了压缩机的正常运行。

离心压缩机转子在线清洗方法在国内同类机组属于首次应用，该项技术在其他气田（如东方气田）同类压缩机进行了推广应用，也同样取得了良好的效果。

4 结论

1）含有高矿化度水的湿气在多级离心式压缩机的叶轮易形成结垢现象。

表2 乐东气田压缩机转子清洗前后参数对比表

2）实践证明，不拆卸机组，利用清洗液对压缩机叶轮进行在线清洗的技术方案是可行的。

3）在线清洗的关键是保护好压缩机轴端密封，可以利用保持密封气压力对密封进行保护，避免清洗过程中清洗液对密封系统造成污染。

4）同类型的压缩机在发生水溶性盐垢时可采用类似方案予以解决。

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