往复式天然气压缩机现场应用的优化浅析*

王凌寒 车强

（1.中石化石油机械股份有限公司研究院；2.中石化石油机械装备重点实验室）

往复式压缩机是操作灵活且最有效的压缩机机型之一，拥有最为广泛的参数范围：容积流量、进排气压力范围和功率范围等，因此被广泛用于天然气工业的各领域：包括井口气增压回收、管道气增压输送、储气库注采气、气举采油、高压注气、CNG/LNG利用等。根据操作目的和工况参数的不同，往复式压缩机的优化可以有不同的含义：提高生产效率、提高可靠性、避免故障、降低碳排放等。主要探讨的是提高生产能力、节能降耗、现场监测和维护等优化措施。

1 在井口增压采气过程中的优化

在井口增压采气应用中，随着天然气储层压力的递减，机组进气压力降低，须定期对压缩机组进行优化以适应工况的改变，使压缩机组最大限度地降低进气压力，同时提高排量。

在增压采气应用中，影响压缩机生产能力的因素有多种：气缸余隙容积；运转速度；吸入压力；由活塞环、进排气阀及填料等气密性决定的气缸泄露损失；其他因素，如气体组分、进气温度、气缸冷却情况等。

下面通过设置气缸余隙容积来提高压缩机组生产能力[1]。机组为3级压缩、4列结构布置的Ariel JGT/4机型，表1为当前工作条件。

表1 当前操作条件

表1所示，两个一级气缸余隙缸打开0.5 in，运行速度为900 r/min（额定转速为1200 r/min）。通过关闭余隙缸，并将转速提高到1200 r/min，将得到压缩机的进气压力降低，流量增加的结果，见表2。

表2 前后结果对比

表2表明，这种优化的结果是吸入压力降低0.5 MPa、流量增加2.6×104m3/d。

改变气缸余隙容积：气缸余隙容积越大，当活塞压缩至终点往回运动时，由于余隙内的高压气体在吸气时产生膨胀而占去气缸的有效容积，以至吸入新鲜气量减少，使压缩机的生产能力下降，容积效率减小。由此，减小气缸的余隙容积可以增大压缩机的生产能力。但余隙过小也会造成积炭、撞缸的可能性。

2 调节流量，节能降耗

在机组安全运行情况下，如何节能降耗是优化的重要部分。现场应用中，当气田的开采量小于机组的设计排量时，机组未被充分利用，此时需要通过调节来节能降耗。

2.1 流量调节的方法

现场应用中，压缩机的流量需要根据气井的生产量调整。往复式压缩机的流量调节的方法主要有[2-3]：

1）旁路调节。这种调节方法虽然简单可靠，但是能耗浪费严重、调整操作频繁。

2）改变转速。流量和功率随转速变化，这种方法简单可靠。内燃机驱动的压缩机转速较易改变，电动机驱动的压缩机需要变频装置，成本较高。

3）调节气缸余隙容积，目前主要采用以下两种方式：可变容积余隙缸，是用来改变缸头端余隙容积的装置。余隙容积取决于余隙缸活塞的位置，操作方便、灵活，相对安全的；固定容积余隙缸，是提供一个固定容积的余隙装置，一个固定余隙缸只能打开或关闭，较可变容积余隙缸不灵活。

4）选用单作用气缸。在选用单作用气缸之前，必须对整机的性能进行分析，以确保安全运行。

5）停用气缸。前提是有多个一级压缩气缸，且其他卸载方法是不够的。停用一个一级压缩气缸，而其他气缸继续工作，即被压缩气体体积减少0～50%。

2.2 案例研究

案例一：井口增压采气工况下，压缩机组为燃驱的3级压缩/771 kW往复式压缩机，气井生产流量由原来的4.53×104m3/d降低为3.68×104m3/d时，通过开启旁通阀使功率和燃料气节省。如表3所示。可以通过先降低运行速度，然后开启1级压缩和2级压缩气缸余隙来减少机组流量，从而与3.68×104m3/d气井生产能力相匹配。

由表3可知，通过降低运行速度和开启气缸余隙，机组已能完全关闭旁路阀，功率消耗下降16.2%，燃料气消耗下降16.7%（即减少燃气消耗500 m3/d，按照市场燃气价格约每立方2.5元，燃气消耗每天节省1250元，即每年单台机组可节省费用45万元）。

表3 优化配置后的结果对比

案例二：往复式压缩机在气举采油应用中，为了实现高压缩比，气举压缩机通常配置3级或4级压缩，在每级压缩有气体再循环。再循环气体使每级压缩保持所需的压缩比，因此，该压缩系统通常工作在一个稳定模式下的状态[4]。

下面的案例描述了气举压缩机通过调整余隙容积减少天然气再循环量。该气举压缩机为3级压缩/3568 kW的往复式压缩机。通过调整一级气缸余隙容积来减少一级压缩气体再循环量，从而提高压缩机的效率，实现节能降耗。表4列出了一级压缩重新配置前后的结果。

表4 优化配置后的结果对比

由表4可知，优化后一级气缸气体再循环量下降20.7%，耗电量下降5%，即减少电力消耗4256 kWh/d，按照市场电费价格约每千瓦时0.8元，电力消耗每天节省3400元，即每年单台机组可节省费用120余万元。

3 状态监测与维护

3.1 往复式压缩机的局限性

往复式压缩机有其局限性和操作限制，为确保安全运行，必须受到重视。下面是最常见的限制因素：

1）排气温度。压缩过程中气体温度将升高，必须确保每个压缩阶段的排气温度不超过活塞环、支撑环、气阀、排气管和冷却器等关键部件的最高设计温度。根据API618规定，最高排气温度不应超过150℃。

2）杆载。往复式压缩机有一个额定的活塞杆杆载，也可以称为机体部件可承受的连续工作负荷。为了安全运行，杆载超过额定杆载的95%时需监测杆载值。

3）容积效率。容积效率是压缩机有效排量与压缩机行程容积的比率。也可看作是气缸的实际泵送能力与行程容积相比。为避免气阀组件破损，容积效率应保持大于20%。

4）反向角。为确保对十字头销足够的润滑和冷却，在活塞杆载荷方向有一个反向角，为了安全运行，应大于给定的反向角。

5）转速。压缩机运转速度应保持低于或等于生产厂家规定的额定转速，但同时高于压缩机和驱动机的最低临界速度。

3.2 状态监测

状态监测是监测机组运行状态参数，在往复式压缩机的现场应用中具有重要意义：识别和预测潜在故障，减少意外停机；提高零部件使用寿命；提高可靠性；提高效率；提供历史数据库图表和趋势分析；提高资产利用率，识别隐藏的生产潜力。

状态监测主要有以下检查：每日记录参数、目视检查、旧油分析、振动分析、阀盖温度记录、红外摄像机记录、第三方监测系统等。以上的状态监测参考值是基于与标准值、预期值或范围的偏差，这些偏差不只是由磨损或者失效的零部件引起的，也可能是由流量、进排出压力、外界温度和气体组分等的变化引起的。

图1是Dresser Rand公司进行的行业调查，评估导致往复压缩机计划外停机的主要因素。由图所示，气阀、压力填料、工艺问题、活塞环、支撑环、卸荷器和气缸润滑系统被鉴定为不定期停机的7大主要原因，占计划外停机因素的79.6%，它们都可以通过状态监测来减少故障。气阀破损占计划外停机因素的36%，是非计划停机的主要原因，在压缩机运行早期阶段检测气阀损坏对于避免故障是很有必要的。

3.3 运行维护

重点分析往复式压缩机组现场应用过程中关键的维护问题：气缸漏气、低容积效率、高杆载、低反向角等。

图1 导致压缩机非正常停机的原因

3.3.1 气缸漏气

气缸漏气是由进排气阀、活塞环、气缸填料的低气密性引起的，可导致气缸组件损伤和气缸温度升高。漏气的影响为排量和生产效率降低，漏气引起气体再循环，再循环气体在一级压缩过程中占用新的气体可占用的容积。吸入压力提高，气缸压缩气体的能力降低，吸入压力将上升。资产损失，气阀零件可能划伤气缸壁，见图2。

图2 气缸刮伤图

综上所述，气缸漏气可通过观察吸入压力、气体温升、压缩比等监测参数来预测。当气阀损坏时，漏气特征趋势如图3所示。当活塞环磨损时，漏气特征趋于线性增加，然后稳定在一个较高的漏气，如图4所示。

图3 阀门损坏漏气特征趋势

图4 活塞环磨损漏气特征趋势

3.3.2 低容积效率

容积效率是压缩机实际排量与行程容积的比值[5]。由于压缩机不能提供相当于其容积的气体量，所以容积效率始终小于100%。容积效率是随气缸余隙容积、气缸漏气、气体的组分变化而改变的。根据以下理论公式可推断，当气缸余隙容积增加时，容积效率降低。

式中：λV——容积效率；a——相对余隙容积；m——膨胀过程指数；ε——气体的压力比；Zs、Zd——进气、排气状态的压缩系数。

由于低容积效率的气缸几乎没有做功，同时容积效率低于20%会导致气阀磨损率的增加，增加维护的成本。监测每个气缸的容积效率，确保维持在20%以上。

3.3.3 高杆载

杆载是压缩机的另一个结构极限因素，有两种类型的杆载：静态杆载和动态杆载。静杆载是指在压缩过程施加在活塞、活塞杆和轴承上的力。动杆载是往复运动部件高速运动的结果，是静态和惯性杆载的综合载荷，见图5。

压缩机运行时，必须确保杆载不超过额定杆载。压缩机的运行条件发生任何改变时，必须重新计算杆载，以确保不超过额定值。较好的做法是监测杆载，接近额定杆载95%，同时监测气阀的状况。

图5 动态杆载

3.3.4 低反向角

反向角是另一个重要的监测参数。反向角对十字头销的润滑有极为重要的影响[6]，随着曲轴旋转，当杆载被施加到十字头销一侧时，在十字头销和连杆衬套之间产生有限的间隙，活塞杆的受力方向发生翻转，反转角度的大小和持续时间必须允许润滑油填充这些有限的间隙，以实现对十字头销与衬套摩擦副之间足够的润滑和冷却。如果由于力的不平衡引起十字头销只受单侧的力或反向角度与持续时间不够，将由于不能正常润滑而导致十字头销和衬套的快速磨损。

产生低反向角的主要原因有：低转速、单作用气缸；气阀损坏；大活塞杆对应小活塞；高压力下的高压缩比。

4 结语

从提高生产能力、节能降耗两方面通过对往复式天然气压缩机分析内在因素，结合现场应用案例，探讨了压缩机现场应用的优化措施。通过不断的优化，对于不同工况下，可以提高压缩机的利用率，有助于确保天然气田的最大生产寿命，同时节省机组使用功率，实现节能降耗。

在状态监测和运行维护方面，通过分析往复式压缩机关键结构限制因素，重点分析往复式压缩机现场运行时应注意的关键的监测和维护问题：气缸漏气、低容积效率、高杆载、低反向角等。