高压大流量煤层气螺杆压缩机技术应用

郭洋洋 韩要坤 高 啸 李风江

(冰轮环境技术股份有限公司,山东 264002)

1 煤层气螺杆压缩机介绍

伴随国内工业进程的发展，数控加工精度的提升，中国螺杆压缩机的设计水平、加工能力已经达到比较高的水平；目前中国先进的喷油螺杆压缩机设计理论和关键技术主要包括压缩机自动化柔性加工技术、3D砂模打印铸造技术、6.4MPa(G)高压转子型线技术、螺杆压缩机高压密封技术、高压螺杆关键接触间隙技术、流体动压润滑技术等，螺杆压缩机专业技术与国内市场需求的结合，引领着国际螺杆压缩机的应用方向。伴随国家能源供给侧结构性改革，煤层气行业经过10余年的发展，高压大流量煤层气螺杆压缩机组已逐渐应用于国内众多煤层气场站，螺杆压缩机的稳定性、设备的紧凑性，受到行业内人士的普遍认可。

螺杆压缩机属于容积式回转压缩机，煤层气增压输送主要是采用喷油螺杆压缩机组。在煤层气压缩过程中喷入润滑油，润滑油与煤层气混合，在压缩过程中起到冷却、润滑、密封、降噪的作用，通过调节喷入润滑油的温度和流量，调节机组的排气温度。通过润滑油系统的结构设计和流速优化，避免煤层气微量粉尘和水蒸气对机组润滑系统的影响，喷油螺杆压缩机与驱动电机采用直联方式，无需设同步齿轮和变速箱，阳转子通过压缩腔气体直接带动阴转子旋转，结构简单、运行更可靠(图1)。

图1 煤层气螺杆压缩机组流程框图

2 喷油螺杆压缩机组设计及应用优势

2.1 驱动方式

煤层气井多分布在偏远山区，多数现场没有电网分布，针对此种条件，可以采用燃气发电机组供电或燃气发动机直接拖动压缩机运转；当采用燃气发电，螺杆压缩机必须采用变频启动，减小压缩机组启动电流，降低对发电网的冲击。

2.2 节能优势

喷油螺杆压缩机设有单独的流量调节机构，采用位于壳体内部转子下端的滑阀，通过高压润滑油驱动油活塞轴向移动，带动滑阀轴向移动调节转子与滑阀间密封腔容积大小，实现流量调节的目的，密封腔容积的调节范围为10%～100%，伴随密封腔容积的减小，压缩机功耗降低。此种流量调节方式，更体现在对井口长期开采而引起的流量衰减的适用性，通过减小抽采气量，避免井口产生负压，保护气井长期稳定运行。

2.3 排气压力露点控制

因喷油螺杆压缩机压缩过程中喷入润滑油，必须保证煤层气在压缩过程中无液态水析出，以免造成润滑油被稀释，粘度下降；通过对煤层气进气温度、水蒸气分压力和进出口压缩比的综合计算，结合机组设计的喷油温度，确定控制机组排气温度比排气压力下露点温度高10℃以上，同时确保喷油螺杆压缩机排气温度上限不超过105℃。煤层气压缩机组多为室外露天安装运行，机组冷却方式为风冷；当机组在冬季低温条件下启动，启动前必须先对润滑油进行充分的预热，并对润滑油管路进行伴热和保温，控制系统采集启动前润滑油温度并开启润滑油加热器，确保润滑油供油粘度满足开机要求。

2.4 压缩比适用范围大

喷油螺杆压缩机压比适用范围大，入口最低压力可达到-70kPa，最高排气压力6.4MPa。 因在压缩过程中喷入润滑油冷却，喷油螺杆压缩机单机压比范围为1.5～20，一级压缩即可满足井口和中心站的增压需求，只要排气压力不超过机组设计压力，压缩机实际运行过程中，即使进气压力、排气压力偏离设计点，只要机组输入功率足够，压缩机也可以稳定运行，最大限度满足煤层气开采压力和流量的波动。不会因气井长期运行，采出压力下降而造成机组无法运行；

煤层气过滤净化，煤层气压缩机组入口设有三相分离器，进入压缩机前，首先通过分离器沉降分离对气、水分离，再通过旋风分离，对液滴、煤粉的分离率达到99.9%,分离器底部设置自动排污；进一步通过内置聚结式拦截滤芯对煤层气中的煤粉进行过滤，通过对煤粉和液态水的分离，保证煤层气压缩机组的进气洁净度。压缩机出气口设置油分离器、高效精油分离器，控制出口煤层气含油量小于1ppm，满足后端工艺输送要求，降低机组润滑油消耗。

2.5 余热回收利用

煤层气在压缩过程中会产生压缩热，大多采用风冷换热降温，将压缩热量传递到环境中；煤层气压缩机多分布在野外，通过在润滑油系统或煤层气冷却系统串联水冷换热器，对煤层气压缩机组的余热回收，制取热水用于冬季供暖或生活热水等，增加能源的回收利用率(图2)。

图2 喷油螺杆压缩机润滑油系统余热回收流程框图

2.6 撬装模块化

伴随人工成本的提高，煤层气压缩机组趋于集成撬装化，一般将过滤系统，分离系统，增压系统，冷却系统、热回收系统、机组房舱(如需)集成于一个或两个撬块内，在施工现场仅需接通电、气系统，机组固定在平整的承重地面，即可调试运行。螺杆压缩机对基础要求低，大大节约土建费用及工程建设周期。

2.7 防爆要求

煤层气主要成份为甲烷，为易燃易爆气体，不同于压缩空气，在压缩过程中，需严格控制易燃易爆气体渗漏率，喷油螺杆压缩机配套机械密封，通过润滑油隔离压缩腔和环境，最大限度降低轴封处气体的渗漏。煤层气压缩机组须满足标准GB3836《爆炸性气体环境用电气设备》，防爆级别Zone2，IIA T1。压缩机配套电机及电气控制系统均需满足防爆使用要求；电缆布线必须满足GB 50257《电气装置安装工程 爆炸和火灾危险环境电气装置施工及验收规范》标准要求，防爆走线型式：阻燃线缆+桥架/铠装电缆连接，满足野外使用的防护要求，仪表接口、线缆进线口配置电缆密封夹紧接头，整机满足防爆使用要求。

3 喷油螺杆压缩机组特点

3.1 喷油螺杆压缩机组优势

(1)可靠性高，易损件少，对湿冲程(液体、粉尘)不敏感，没有液击危险；

(2)螺杆压缩机成熟的喷液内冷却技术，可在较高压比工况下运行，压比最高可达到20，运行安全可靠；

(3)维护费用低、运转寿命长，维修方便，运动部件少，运行可靠，维护费用、维护劳动强度低，操作人员不必经过长时间的专业培训；

(4)机组具有流量无极可调功能，针对流量调节无需配套变频器；

(5)动力平衡性好。螺杆压缩机没有不平衡的惯性力，运转平稳安全，振动小，重量轻，占地面积少，结构紧凑，不需要复杂基础，安装简单；

(6)连续输气，压力稳定无脉冲，不需要缓冲罐，管路设计简单；

3.2 喷油螺杆压缩机组缺点

(1)造价高。螺杆压缩机的转子齿面是一空间曲面，对加工设备精度要求高。

(2)不能应用于高压条件。由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制，一般螺杆压缩机排气压力不超过6.4MPaG。

(3)不能制成微型。螺杆压缩机依靠间隙密封气体，只有一定的容积流量才能具有优越的性能。

4 项目应用

煤层气螺杆压缩机经过多年使用运行，已积累了充分技术经验。以中海油某山西4×105m3/d煤层气输送项目(图3)为例，选用喷油螺杆压缩机SN40S-1400F两台，机组进气压力：0.05MPa(G)，排气压力：1.4MPa(G)，单台处理气量：2×105m3/d，机组置于煤层气中心站动设备区域，冷却方式为空气直接换热，充分保证夏季冷却性能，经过两年多的稳定运行，各项参数满足设计要求。此机组的稳定运行，为后续管道输送提供了动力，减少了现场操作人员巡检和检修工作量，特别是满足了中心站煤层气生产工艺的高压力、大流量的应用需求，展现出了螺杆压缩机的应用优势。

图3 煤层气输送项目运行现场