天然气分公司放空天然气回收技术应用探索

刘博（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

1 现状

天然气分公司组建于1973年，是集天然气加工、净化、原油稳定、长输管道管理及储运销售于一体的专业化公司，已建油气处理装置29套，其中天然气深冷装置8套，浅冷装置9套，净化装置3套，原油稳定装置10套，承担着为油田生产、工业用户、城市居民提供燃料和原料的任务。

天然气压缩机是天然气深冷和浅冷装置的核心设备，主要作用是将低压油田气增压后进一步处理，压缩机运行过程中密封气有一部分泄漏放空[1]，既污染了环境又浪费资源。为干气密封形式的压缩机共有8台，总密封泄漏量为每年36.7×104m3，直接放入火炬系统[2]。离心压缩机放空密封气泄漏情况见表1。

表1 离心压缩机放空密封气泄漏情况Tab.1 Leakage of venting seal gas in centrifugal compressor

2 压缩机密封气回收工艺介绍

通过研究离心压缩机结构原理、工艺流程和运行参数等，分别在北Ⅰ-2深冷、北Ⅱ-2深冷和南八深冷应用了射流工艺、增压工艺、双端面密封结构改造，三种技术实现了密封泄漏气回收[3]。

2.1 射流回收工艺

射流回收工艺主要是将低压放空气通过喷射式混合器转变为高压气体，然后进入管网回收[4]。其中喷射式混合器是由喷嘴、吸入室、扩压管三部分组成，设备没有运动部件，工作时具有一定压力的工作流体通过喷嘴高速喷出，将压力能转变为速度能，使吸气区压力降低产生真空，被抽介质顺利进入吸入室，两股介质在扩散段内混合，最后以高压排出。射流原理见图1。

图1 射流原理Fig.1 Schematic diagram of jet principle

2020年北Ⅰ-2深冷离心压缩机应用双射流（串联2个喷射混合器）回收技术后年回收天然气约3.4×104m3，熄灭了火炬长明灯[5]。其工艺流程是利用增压机出口的高压天然气为工作流体，经过调压至2.2 MPa进入喷射器，将干气密封泄漏气吸入喷射器，然后进入压缩机入口，完成泄漏气回收。北Ⅰ-2深冷射流回收装置流程见图2。

2.2 增压回收工艺

增压回收工艺探索了两种形式将密封气引至装置入口实现回收，一种是采用小型压缩机将泄漏密封气增压后回收至装置入口；另一种是当密封气压力高时，可将泄漏气的压力适当升高，然后引至压力相对较低的装置入口。

第一种工艺，北Ⅱ-2深冷自主设计工艺流程，采用增压工艺回收放空密封气。北Ⅱ-2深冷为干气深冷，入口压力高达0.8 MPa，除了压缩机密封气泄漏，还存在膨胀机密封气泄漏，因此，使用增设小型压缩机的方式回收泄漏密封气。工艺流程为原料气压缩机和膨胀机密封泄漏气进入缓冲罐后经变频螺杆压缩机压缩至1.0 MPa，空冷器冷却在35℃左右进入原料气压缩机入口。回收装置设计了变频、回流、溢流调节系统，保证了回收装置平稳运行，避免了对装置的影响，实现了小流量且不稳定密封气的安全回收，应用后年回收压缩机放空气2×104m3、膨胀机放空气约79×104m3，熄灭了火炬长明灯。北Ⅱ-2深冷密封气增压回收流程见图3。

第二种工艺，南八深冷压缩机高压缸上通过增设压力调节阀，将密封气泄漏气的压力稳定在0.18 MPa，将泄漏气回收至压力相对较低的低压缸入口，完成泄漏气回收。年回收天然气约1.7×104m3，熄灭了火炬长明灯。南八深冷压缩机高压缸密封泄漏气回收流程见图4。

图2 北Ⅰ-2深冷射流回收装置流程Fig.2 Jet recovery device in NorthⅠ-2 cryogenic station

图3 北Ⅱ-2深冷密封气增压回收流程Fig.3 Pressurized recovery of sealed gas in NorthⅡ-2 cryogenic station

图4 南八深冷压缩机高压缸密封泄漏气回收流程Fig.4 Recovery of leakage gas from compressor high-pressure cylinder seal in Nanba cryogenic station

2.3 压缩机干气密封结构改造

南八深冷压缩机低压缸双端面干气密封结构改造，主要是将原来串联的单端面密封改为双端面密封[6-8]。

串联式干气密封，相当于两组单端面干气密封，主要工作原理是注入密封气（天然气）使密封系统内的动、静密封环之间产生约3μm的气膜，防止密封环磨损。运行时一部分气体进入工艺介质，一部分气体（天然气和氮气的混合气）经一级动静环后，进入干气密封一级泄漏（泄漏量约10 Nm3/h，其中天然气含量约占21%），从放空管线去火炬燃烧掉，形成火炬长明灯。

双端面密封相当于面对面布置两套单端面密封，两个密封共用一个动环[9-10]。采用氮气作为阻塞气体，控制主密封气（氮气）的压力始终维持在比工艺气体压力高于0.2～0.3 MPa，通过主密封气封住泄漏的工艺气体。干气密封结构工艺见图5。

南八深冷离心压缩机干气密封改造前后流程对比见图6，采用了双端面干气密封技术，将原一级泄漏口封堵，通过主密封气（氮气）封住泄漏的工艺气体，随前置密封气一同进入工艺介质。投用后无泄漏，密封状况良好，年回收密封气约3.4×104m3，熄灭火炬长明灯。

图5 干气密封结构Fig.5 Schematic diagram of dry gas seal structure

图6 南八深冷离心压缩机干气密封改造前后流程对比Fig.6 Schematic diagram of centrifugal compressor dry gas seal before and after modification in Nanba cryogenic station

3 应用效果

通过现场试验，射流回收工艺、增压回收工艺、干气密封结构改造都适合压缩机密封泄漏气回收。三种技术压缩机密封气回收工艺对比情况见表2，射流回收工艺具有不改造压缩机密封结构、无动设备、运行稳定等优点，但需大量高压气体携带，全部气体回到压缩机入口，年增加压缩机耗电约43×104kWh；增压回收工艺具有不改造压缩机密封结构，螺杆机出口压力高，不受回收压力限制，但是设备多，投资较大，运维费用相对大，年约3万元。干气密封结构改造具有不新增设备、不增加能耗、不增加操作内容等优点，但是需要依据设备结构进行制作，难度大，配件成本相对较高。

表2 压缩机密封气回收工艺对比情况Tab.2 Process comparison of compressor sealing gas recovery

4 结论

通过在生产装置上应用新技术和工艺方式的改进等措施回收放空天然气，见到了明显成效。

1）射流回收工艺、增压回收工艺、双端面密封改造三种回收工艺均能解决离心压缩机密封气泄漏放空问题，具有一定的推广应用前景。

2）上述三种技术应用后年收放空天然气89.5×104m3，其中压缩机密封放空10.5×104m3，膨胀机放空气79×104m3，避免了放空气污染。根据大庆油田天然气成本核算价格1.64元/m3，可增加经济效益147万元/a。

3）射流工艺适合于老型压缩机的泄漏气改造，增压回收工艺适合回收至背压相对较高的装置，双端面密封改造适合轴端布置紧凑型压缩机组的改造。