川东气田站场增压工艺技术

川东气田战场增压工艺技术
经过多年的开发，由于地层压力下降，目前川东气田总投产井数的30%，尤其是部分中后期低产低效井压力递减很快，已无依满足集气站的集输条件，只能采用间隙生产方式。

该生产方式使天然气供需矛盾日益突出，川东气田的稳产形式严峻。

为延长气田稳产期，提高气田最终采收率，探索气田增压工艺就势在必行。

1 增压目的与要求
增压站是输气管道的接力站，主要功能是给管道增压，提高管道的输送能力，对于气田单井能达到提高采收率的目的。

（1）随着天然气的开采，气田地层压力会逐步下降，当集气站的单井来气或净化厂来的天然气压力低于输送管线的输气压力时，应在输气管道上设置增压站，以提高输气管道的起始输送压力，进而满足输气量要求。

（2）天然气输送过程中，会产生沿程阻力损失和局部阻力损失，使得输气压力逐渐降低，因此为了达到所需的输气量要求，必须为输气管道设置增压站，来弥补管道气体流动过程中的阻力损失。

2 站场增压工艺及工况选择
2.1 离心式压缩机组成的增压站
离心式压缩站，无论驱动方式和压缩技术如何，其工艺流程都可概括为三种基本形式：串联、并联和串并联混合型，其中多台离心式压缩机并联方式最为常用。

离心式压缩机属于速度型压缩机，压缩机组的流量是压比、转速的函数，压缩机组的流量、出口压力可以通过转速调节来实现。

但离心式压缩机具有喘振和阻塞工况特性，流量变化幅度较小。

随着压比增加，压缩机叶轮级数赠多，流量范围更窄。

在设计工况下，压缩机组的运行效率为80%~84%，在偏离设计工况时，效率降低较多。

离心式压缩机适用于大排量、流量变化幅度较小，增压比低的工况，单台功率较大，流量范围为70%~120%。

对大气量、工况确定的管道增压，离心式机组经济性能优异。

2.2 往复式压缩机组成的增压站
在增压管道中，采用往复式压缩机的压气站为达到适应气井工况条件的大范围变化，可在不同时期选择并联或串联流程。

来气首先进入净化设备脱除机械杂质及液滴，再经分配汇管进入压缩机各压缩缸。

压缩后的气体经下游汇管外输。

站上应配备空气冷却系统、润滑油冷却系统及燃料气系统等。

天然气发动机的燃料气由调压阀调压后供给。

往复式压缩机为容积式压缩机，压缩机对流量的适应范围较宽。

压缩机热效率较高，设计负荷下可达80%~84%，在处理量减少时，因通气阀阻力降低，效率略有增加。

往复式压缩机适用于小流量，流量变化幅度（40%~120%）较大，大增压比的工况，效率随工况变化基
本不变。

对中、小气量，不确定性较多的集气站或节点站增压，往复式机组较为灵活。

往复式压缩机日常维修工作量大，维护费用高。

由于动力不平衡性和气流的脉动作用，设备基础和配管等需采取防振动措施，噪声较大，需要考虑噪音治理。

2.3 压缩机类型的工况选择
(1)优先使用离心式压气机的站场。

对于气量较大，且气量波动幅度不大，排气压力为中、低压的情况宜离心式压缩机。

当流量小时，离心压缩机的叶轮相应较窄，加工制造困难，运行不稳定。

特别是多级压缩的情况下，由于气体被压缩，后几级叶轮的流量更小，因此，离心式压缩机的最小流量受到限制。

此外，由于离心式压缩机是先使气体得到动能，然后再把动能转化为压能。

因此相对于空气密度小的气体，要得到同样的压缩比，必须使气体的流速更高。

而这样必然导致摩擦损失的增加，因此离心压缩机压缩低分子量的气体是不利的。

另外考虑到川东气田现有配套支、干线管网，为减少新管网的建设投资费用，对于气田的单井集气站增压模式，不宜使用离心式压缩机增压。

（2）优先使用往复式压气机的站场。

在高压和超高压压缩时，一般采用活塞式压缩机。

往复式压缩机的压比通常是3﹕1~4﹕1，在理论上往复式压缩机压比可以无限制，而且会导致较高的机械应力和排气温度，一般排气温度都限制在180℃~205℃以下，实际运行中的压缩机排气温度更低。

往复式压缩机的转速为125~514r/min，活塞速度大都为3.5~4.25m/s，气体通过气阀的速度在22.5~40 m/s之间，综合绝热效率为0.75~0.85。

由于往复式压缩机具有效率高，出口压力范围宽，流量调节方便等特点，在气田集气站的单井管线集输方面得到广泛应用。

3 与增压有关的工艺计算
3.1 单台机组的处理量、机组数量的确定
在决定集气站增压机台数时应考虑两个问题：一是备用系数；二是工况变化范围。

一个压缩机站运行的机组越少，总功耗越低，经营费用就越省，但相对的备用系数大，基建投资高。

例如一个站一用一备的方式运行时最省功，但备用系数却为100%，机组投资增加一倍。

相反，运营的台数越多，备用系数小，装机总功率低，可降低机组投资，但燃料消耗却增加很多，一般认为，备用系数在20%~30%较为经济。

增压站压缩机运行台数组合应适应流量变化情况，可根据工况变化增减运行台数，以使每台机组都能在最高效率区内工作。

此外，还应考虑机组的可靠性和维修工作量，对新机型和零部件磨损大的，应适当增加备用机组。

3.2 往复式增压机组的功率计算
式中N为理论功率（KW）；ε为压缩比（p2/p1）；p1为入口状态下的压力；p2为出口状态下的压力；k为气体的绝热指数；V1为气体在吸入状态下的体积流量。

压缩机实际所需功率
式中为压缩机实际所需功率（KW）；为机械效率，对大中型压缩机为0.9~0.95，对于小型压缩机为0.85~0.9；为传动损失，皮带传动为0.96~0.99，齿轮传动为0.97~0.99，直联为1.0。

在计算压比时应考虑吸入阀和排气阀之间的管路和阀门的压力损失，可由下式计算
式中，分别为吸、排气阀压力损失系数，可由经验图查得。

当压缩气体的密度和活塞速度不同时，应进行修正。

活塞速度修正
气体密度修正
式中为压缩机活塞速度(m/s)；为压缩气体实际密度(kg/m3)。

单一气体的绝热指数可从天然气的理化性质中查得，混合气体的绝热指数可按下式计算
式中为混合气体绝热指数；为混合气体中i组分的绝热指数；为混合气体中i组分的分子成分。

在高于大气压力的情况下，气体吸入状态的体积流量应进行修正
式中为进口状态体积流量(m3/min)；为基准状态体积流量(m3/min)；为基准状态压力(MPa)；为基准状态温度(K)；为入口状态温度(K)；为入口状态压缩因子。

增压管线的往复式压缩机往往是单级压缩，当为多级压缩时，由于压比较高，通常要采用中间冷却，可根据冷却后的进气温度分段计算理论功率，然后再求其总功率。

3.3 天然气压缩过程中的温升
往复式压缩机和离心式压缩机计算排气温度皆按下式计算
式中为压缩机排气温度(K)；为压缩机入口气体温度(K)。

对于多级压缩的情况，可以根据每级压缩后中间冷却器的出口温度作为下一级的入口温度分段计算。

3.4 增压站的阻力降
集气站场内压降主要消耗在以下几部分：过滤分离器、站内管段和各类管件等。

不同的站场站内设施有所不同，但同样设施的计算方法是相同的。

各部分压降参考公式如下：（1）分离器压降。

计算公式如下
式中为通过分离器的压降(Pa)；为阻力系数；为天然气密度(kg/m3)；为天然气流速(m/s)；为纤维层厚度(m)；为纤维层孔隙率(%)；为纤维直径(m)。

（2）站内管段和各种管件压降。

在集气站内，消耗在直管段上的沿程摩擦损失和消耗在各种管件上的局部摩擦损失相比要小得多。

因此，站内一般只考虑由各种管件所造成的局部摩阻。

计算公式如下：
式中为经过各种管件的压降(Pa)；为气体流过各管件时，工况下的平均流速(m/s)；为阻力系数；为气体密度(kg/m3)。

（3）站内总压降。

计算公式如下
从上述压降计算可知，如果一个站场站内管段和各种管件以及分离器都设置的话，站内总压降最大不超过200kPa（即0.2MPa）。

3.5 压缩机组的燃料消耗
式中为压缩机组的燃料气耗量(m3/h)；为压缩机组原动机消耗功(kW/h)；为原动机单位热耗(J/( h·kW))；为燃料气热值（J/m3）。