高压比无油纯干式螺杆压缩机在浮式生产储卸油装置上的应用

高 华，李东芳，辛 顺，郑晓娟，张守森

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

1 低压天然气压缩工艺流程

某海上浮式生产储卸油装置（FPSO）上部模块设置有一套低压气螺杆压缩机。该低压气螺杆压缩机主要用于回收处理低压天然气，其工艺流程图见图1。

图1 低压天然气压缩工艺流程图

来自二、三级分离器的天然气经过低压压缩机入口冷却器进入涤气罐进行气液分离，分离得到的液相经增压泵Ⅰ增压后进入凝析油分离器，分离得到的气相进入一级螺杆压缩机。气相压力被一级螺杆压缩机从30 kPa（G）压缩到850 kPa（G），经过一级压缩后海水冷却器进入二级螺杆压缩机，压力被压缩到2 400 kPa（G）后再经过二级压缩后海水冷却器冷却进入凝析油分离器分离。分离出的天然气主要用作锅炉的燃料气，分离出的凝液经增压泵进入凝析油分离器处理后进入液化石油气（LPG）回收系统。

为了保证后续浮式LPG生产系统的安全运行，该套低压气螺杆压缩机的选型设计就显得尤为重要。

2 低压气螺杆压缩机工况分析

该低压气螺杆压缩机设计处理气量为25×104m3/d（标准状态），气体压力从 30 kPa（G）两级压缩到 2 400 kPa（G），进口压力 30 kPa（G），出压力口2 400 kPa（G），出口压力较高，属于两级压缩的高压比工况。这种工况在以往海上油气田开发项目中未出现过。

该低压气螺杆压缩机的处理工况有如下特点：①伴生气中的C3和C4组分较多，压缩过程易凝析出重烃，重烃要进入轻烃回收系统进行回收，需确保重烃的品质不被污染。这也是该压缩机处理要求的关键。②压缩机逐年运行的低压气处理量是变化的，见表1。

表1 低压气螺杆压缩机逐年运行处理气量 ×104m3/h

螺杆压缩机一般主要分为无油和喷油[1-2]两大类，无油螺杆压缩机又可以分为无油纯干式和无油喷液式[2-5]。

该低压气螺杆压缩机使用工况特殊，笔者在调研压缩机生产厂家技术资源的基础上，开展了螺杆压缩机的具体选型方案分析。

3 低压气螺杆压缩机选型方案

3.1 方案一——两级无油纯干式螺杆压缩机

两级无油纯干式螺杆压缩机为符合API 619—2010 “Rotary-type Positive Displacement Compressors for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries”[6]的干式压缩机。由于没有喷油进行冷却，因此气体受压缩产生的热量及转子承受的载荷均较大，对转子力学性能要求较高，轴承选型较严苛。同时，由于单级压缩的进出口压差大，故需要选择抗大压差的机械密封。

国内压缩机生产厂家还没有两级无油纯干式螺杆压缩机制造能力，而国外生产厂家，如德国曼透平公司和日本神钢公司可以制造供货。两级无油纯干式螺杆压缩机结构示意见图2。

图2 两级无油纯干式螺杆压缩机结构示图

3.2 方案二——两级无油喷液式螺杆压缩机

无油喷液式螺杆压缩机为国产无油螺杆压缩机，是为适应无油干式螺杆压缩机研发的[7-8]。喷液式螺杆压缩机通过向压缩腔内喷入软化水、轻质柴油或者压缩过程中的凝析油等不与压缩工艺介质反应的液体[9-11]，来起到一定的冷却、润滑和降噪作用，从而降低排气温度。经了解，目前国内还没有出口压力2 400 kPa（G）无油喷液式螺杆压缩机成功应用的案例[12-13]，无油喷液式螺杆压缩机最大出口压力一般能达到1 600 kPa（G）。由此，考虑降低压缩机出口压力的方案，并评估出口压力对LPG回收产量的影响是否在可接受范围内。

维持原低压天然气压缩流程，将二级螺杆压缩机出口压力降低到1 600 kPa（G），通过典型年份的工艺模拟，得到LPG回收系统的主要工艺参数变化，见表2。

表2 采用方案二模拟得到的LPG回收产量

分析表2可以知道，压缩机出口压力降低后，LPG回收系统的操作压力及进液量都会降低。LPG的回收产量会降低约5%，合格轻油的产量降低约0.5%。按照LPG、合格轻油价格分别为4 000元/t、3 000元/t计算，LPG、合格轻油产量减少造成的损失分别约为900万元 /a、190万元/a。由此可知，方案二对LPG回收系统的影响较大，不建议采用。

3.3 方案三——两级喷油式螺杆压缩机

与无油干式螺杆压缩机相比，喷油式螺杆压缩机压缩腔内喷入冷却油，压缩产生的热量被冷却油带走，不会产生显著温升，单级压缩比较高。因此，采用喷油式螺杆压缩机能达到本项目要求的高压比的处理要求，国内外也至少有3家厂家具有类似项目压缩机生产业绩。

但该低压气螺杆压缩机处理工况特殊，采用两级喷油式螺杆压缩机存在一些风险[4]：①喷入压缩腔内的润滑油被压缩过程析出的重烃稀释，导致机组运行时的振动、噪声都比较大。②压缩过程产生的重烃会夹带润滑油，不易被分离，进入下游LPG回收系统后对LPG回收品质产生影响。

3.4 方案四——低压螺杆压缩机加往复式压缩机

调整原低压天然气压缩流程，将两级螺杆压缩机改为一级压缩采用低压螺杆压缩机、二级压缩采用往复式压缩机，具体流程见图3。

图3 采用方案四的低压天然气压缩工艺流程图

采用方案四之后两级压缩的出口排压可以达到2 600 kPa（G），可以省去下游LPG回收系统的增压泵。

与采用两级螺杆压缩机相比，二级压缩使用往复式压缩机在流程上存在差异：①需额外增加1套现场控制盘，一级螺杆压缩机与二级往复式压缩机各自独立控制。②需分别设置回流控制一级压缩机与二级压缩机，且二级压缩机入口必须增加涤气罐将液体分离。如果使用两级螺杆压缩机，该涤气罐在某些工况下不是必须的，且两级压缩机之间只需要设置一路大回流管线。③二级压缩使用往复式压缩机时，二级压缩机与一级压缩机需各自配置独立的电机。若两级均采用螺杆压缩机，则可以共用1套电机。

3.5 方案对比

以上4种低压气压缩机选型方案对比分析见表3。

表3 低压气压缩机选型方案对比

从表3可以看出，选用两级无油纯干式螺杆压缩机最具技术综合优势，只是需从国外采购设备，初始投入费用较高。在项目费用允许的情况下，最终选择两级无油纯干式螺杆压缩机作为低压气压缩机。

4 低压气无油纯干式螺杆压缩机介绍

4.1 主要技术参数

经过对压缩机选型方案的对比分析，最终确定的低压气两级无油纯干式螺杆压缩机主要技术参数为，一级处理量25×104m3/d，一级压缩进气压力 30 kPa（G）、排气压力 850 kPa（G），一级压缩进气温度40℃、排气温度85℃；二级处理量15×104m3/d，二级压缩进气压力 800 kPa（G）、排气压力2 400 kPa（G），二级压缩进气温度40℃、排气温度85℃。一级转子长径比2.0、二级转子长径比1.2。压缩机轴功率1 735 kW，撬块质量126 t，撬块尺寸 13 m×5 m×9 m，流量控制方式为回流控制。

4.2 相关控制配置

为防止无油纯干式螺杆压缩机反转，减小启动力矩和轴承载荷，压缩机停机时尽快平衡进出口压力，增设了反应速度快的卸载阀，做到两平衡、一泄放、两回流（图4）。即将设置有卸载阀的管路连接到每一级压缩出口管道的入口，并在二级压缩机出口设置泄放阀以保证整个压缩机系统的安全泄放，为满足不同年份的流量调节设置两回流控制。

图4 无油纯干式螺杆压缩机两级压缩系统相关控制配置示图

4.3 润滑及机械密封系统

无油纯干式螺杆压缩机机组有1套润滑油系统为压缩机和齿轮箱提供润滑及密封。无油纯干式螺杆夺缩机润滑油系统主要包括润滑油箱、润滑油泵、润滑油冷却器及双联滤器等，见图5。

图5 无油纯干式螺杆压缩机润滑油系统组成

无油纯干式螺杆压缩机机械密封为接触油密封，机械密封供油压力需高于每级工艺气入口压力250 kPa（G）且消耗润滑油、工艺气。采用同一润滑油系统分别向无油纯干式螺杆压缩机轴承及齿轮箱、一级压缩机机械密封、二级压缩机机械密封提供3种油压。主要通过调压阀来实现油压调节，主油路调压采用压力止回阀，分支油路调压采用压差止回阀。

4.4 浮式液位晃动影响

无油纯干式螺杆压缩机组为双机头供油，加上齿轮箱散热，因此需要的润滑油油箱体积较大。考虑浮式液位晃动的影响，油箱及相关仪表的设计需做特殊考虑[14]。

在油箱内部设置了多个开孔挡板，以减少液位晃动带来的吸空，减少油液对油箱壁的冲击。考虑到浮式LPG装置沿FPSO船左右弦方向（横向）的晃动更为明显，液位计A、B的安装位置宜取油箱横向上的中心点（图6），以避免晃动造成的误差乃至误关。

同时，进行压缩机各部分结构强度设计时考虑了爆炸载荷的影响。

图6 液位计安装位置图

4.5 出口管道消音器特殊设计

该低压气无油纯干式螺杆压缩机的下游背压高达2 500 kPa（G），而压缩机内部的压力并未达到2 500 kPa（G），所以压缩机处于一种欠压缩状态，压缩机会通过不断向出口外排气而维持住下游2 500 kPa（G）的压力。无油纯干式螺杆压缩机1个转子上有4个螺线，每旋转1周，压缩机出口处就会开启4次，欠压缩会造成4次瞬时的反流，形成很强的脉动冲击，对压缩机出口及消音器产生很强的作用力。

为解决由欠压缩带来的低频率脉动产生的噪声问题，采用了特殊设计的由共振器和减振器组成的消除脉动冲击系统，见图7。该消除脉动冲击系主要由填充物层、消音栅等组成，进口形式设计特殊。

图7 低压气螺杆压缩机消除脉动冲击系统

4.6 机组罩壳设计

无油纯干式螺杆压缩机的低频噪声可以高达110 dB，为了降低噪声带来的影响，考虑在压缩机机头及齿轮箱噪声较大的设备上加装隔音罩[15]。如果将压缩机设计在封闭的罩壳内，则罩壳的相关配套设计会比较复杂，罩壳内需设计照明系统、逃生系统、消防系统及维修滑道梁等，占地空间将较大。

综合考虑压缩机安装位置上部空间没有遮挡、相关人员活动区域及噪声传播路径，将压缩机设计在1个顶部敞开的半封闭式罩壳内（图8），由此可规避封闭罩壳设计带来的设备质量及成本增加等问题。

图8 低压气压缩机整撬布置图

4.7 整撬紧凑布置设计

该低压气压缩机整撬内包含设备较多，有压缩机主体、电机、隔音罩、一级冷却器、二级冷却器、级间洗涤罐、齿轮箱、油箱、油冷却器及控制盘等。压缩机管线尺寸也较大，为充分利用平台有限的布置空间，将压缩机整撬设计为2层紧凑布置（图 8）[16-21]。

5 结语

近年来，随着海上油气田开发朝深水领域发展及国家对海上环保要求的提高，对海上油气处理设备提出了高参数化要求，其使用工况也越发严苛。文中选用的高压比两级无油纯干式螺杆压缩机在FPSO上应用效果良好，LPG生产系统运行稳定。说明无油纯干式螺杆压缩机适用于油气田项目中的低压天然气特殊处理工况，可为浮式LPG生产系统运行提供有力保障，具有重要的推广应用价值。