浅谈地下储气库用注气压缩机的研发与制造

浅谈地下储气库用注气压缩机的研发与制造
周生伟
【摘要】储气库注气压缩机作为一种高端动力装备在研发和制造上有着诸多问题亟待解决,国内还没有一家企业能够生产.从注气压缩机的使用工况进行分析,给出了总体研制要求,根据总体要求阐述了注气压缩机研制过程中应注意的几个重要参数并对关键零部件的研制重点进行了探讨.
【期刊名称】《压缩机技术》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P46-48,52)
【关键词】地下储气库;注气压缩机;研制;气阀;压缩缸
【作者】周生伟
【作者单位】中国石油集团济柴动力总厂,山东济南250306
【正文语种】中文
【中图分类】TH457
地下储气库是大量储存天然气的一种有效方式，是在较深的地层，利用封闭的岩层构造储气，具有储气容量大、压力高、成本低的特点。

它对调节冬夏季节天然气供需矛盾，保障用户需求、优化集输系统运行等具有重要作用，是发挥长输管线输气能力、解决用户用气不均匀、满足城市调峰及应急供气的最有效手段。

注气压缩机是地下储气库的“心脏”设备，作用是将输气管线送来的天然气加压后注入地下气藏。

根据 SY/T6638-2005《天然气长输管道和地下储气库工程设计节
能技术规范》建议：地下储气库注气压缩机宜选用往复压缩机。

注气压缩机作为一种高端动力装备与其它用途压缩机相比有着独自的特点和要求。

目前，国内还没有一家企业能够生产，国内已建和在建的储气库注气压缩机全部依赖进口。

国外注气压缩机的生产厂家主要集中在美国，以库珀公司、艾里尔公司和德莱赛兰公司为代表。

中国石油集团济柴动力总厂成都压缩机厂研制的国内首台拥有自主知识产权最大功率高速往复活塞式天然气压缩机组—RTY3360（3500 kW）压缩机组用于油气田
增压集输已运行7000 h，该机组自使用以来，噪声低、振动小，运行安全平稳，
各项指标达到或优于设计标准要求。

本文根据注气压缩机的工况特点，提出总体研制要求，在RTY3360压缩机成功研制经验的基础上，归纳总结压缩机研制过程中应注意的几个重要参数并对关键零部件的研制重点进行探讨，为类似产品的研发和制造提供参考。

地下储气库注气系统具有高出口压力、高压比、高流量以及压缩机出口压力波动大的特点。

注气压缩机需要适应输气管道的参数变化要求，入口压力随输气管道压力的变化而变化，同时注气量要随着储气库季节调峰气量的变化进行调整。

以大港储气库群板中北高点地下储气库为例，压缩机入口压力变化范围 1.8～2.6 MPa，流量波动范围 60～90万 m3/d。

压缩机出口压力需要满足注气井井口压力的不断升高要求，在注气期，管道来气源源不断地通过注气压缩机注入地下，井口压力随着天然气不断注入而不断升高，从注气初期的十几MPa升高到注气末期的30 MPa，这就要求注气压缩机能够适应地层压力的不断变化。

以板中北高点地下储气库为例，注气初期其井口压力为 12.2 MPa，到注气末期井口压力达到26.08 MPa。

注气
工艺简易流程如图1所示。

注气压缩机由于用途的特殊性，要求必须具备高可靠性。

高可靠性指标为连续运行时率大于 6000 h，大修周期大于40000 h，各零部件的设计和选用必须满足高可
靠性要求。

在压缩机主机的研制中，要遵循以下原则：
（1）压缩机能够在设计转速的75%～100%范围内安全运行；
（2）活塞最高允许平均速度为300 m/min；
（3）每级气缸的最高允许排气温度不得超过150℃；
（4）反向角足够大，保证十字头销及其衬套之间充分润滑；
（5）最大活塞杆负荷小于最大允许活塞杆负荷的85%；
（6）注入地层的天然气所含润滑油量不超过1×106；
（7）压缩机气缸配置手动可调余隙装置。

储气库注气要求压缩机的排量都比较大，因此压缩机机型都比较庞大，根据装置的不同和对进出口压力要求的不同，压缩机的级数也不同。

决定压缩机机型的主要参数包括级数、列数、平均活塞速度、活塞杆负荷等。

4.1 压缩机级数的确定
压缩机的级数主要受到级排气温度的限制。

美国石油学会标准API618《石油、化工及及气体工业用往复式压缩机》规定，除非另有规定和认可，最大预期排出温度应不超过150℃，此限制适用于所有规定的运行和负荷条件。

为满足高出口压力，注气压缩机多采用多级压缩。

大港储气库群压缩机入口压力 2.5～4.0 MPa，出口压力13～32 MPa，采用三级压缩。

4.2 压缩机的结构型式
合理确定压缩机的结构型式及各运动零部件参数，能够使机组运转平稳、噪声小、振动低。

大型往复压缩机一般为多级多列结构，为取得较好的动力平衡及运行稳定性，多采用卧式布置，相对两列的曲拐夹角为180°，使得相对两列运动件的运动
方向相反但同步。

通过合理配置往复质量和旋转质量，可使相对两列的旋转惯性力、一阶及二阶往复惯性力达到完全平衡；两曲拐曲柄再配以相应的平衡重，还能消减惯性力矩。

通常注气压缩机采用卧式对称平衡型往复活塞式。

4.3 压缩机的转速及平均活塞速度
压缩机的转速和平均活塞速度对压缩机的MTBF（平均无故障工作时间）起着关键作用，同时也决定了压缩机机型的大小。

转速高、机型小、重量轻、成本低，但气缸、活塞杆、十字头滑道、活塞销等部件的摩擦及磨损加剧，不平衡的惯性力增加，气阀寿命低、转速低，机型大，气阀、填料、活塞环的寿命长。

根据注气压缩机最高活塞允许速度的要求，压缩机转速一般不超过1000 r/min。

4.4 压缩机的活塞杆负荷
压缩机机身、连杆、十字头、活塞杆的设计一般都是以活塞杆负荷为基准参考数据。

在平均活塞速度确定的情况下，活塞杆的气体负荷基本上就可以确定，机型的大小也就可以确定。

注气压缩机要求，在任何工况下（包括压缩机部分卸荷及出口压力位安全阀定压条件下）最大活塞杆负荷小于最大允许活塞杆负荷的85%。

4.5 反向角
美国石油学会标准API618《石油、化工及及气体工业用往复式压缩机》规定“压缩机的最小反向角不得小于15°”；美国库珀公司规定其压缩机反向角要在30°以上；艾里尔公司规定最小反向角不小于25°。

如果没有活塞杆负荷反向或足够大的反向角，十字头、十字头销及连杆小头衬套会在几分钟的运行时间里产生高温并烧损。

活塞杆负荷反向的核算是往复活塞压缩机设计的一项重要工作；同时压缩机在工况变化时也必需进行负荷反向的计算，要保证负荷反向有足够长的时间。

注气压缩机用途的特殊性要求各零部件的研制必须以高可靠为攻关目标，因此有必要针对影响压缩机长期运行的几个关键因素进行分析，提高其可靠性。

5.1 活塞杆的研制
活塞杆在压缩机往复运动中，承受着拉伸、压缩交变载荷和一定的冲击载荷。

压缩机出现的故障体现在活塞杆上主要是磨损过快和活塞杆断裂。

要满足高出口压力、高压比、高流量以及压缩机出口压力波动大的特点，活塞杆必须承受大的活塞力和
具有较高的疲劳强度，在结构设计和材料的选用、工艺处理上都要重点研究。

5.2 气阀、填料和活塞环的研制
气阀、填料和活塞环是往复压缩机的易损件，据统计，往复压缩机的故障停机中有60%以上是由于上述3种部件的实效造成的。

随着理论的逐步完善和新材料的开
发应用，压缩机易损件的寿命已经得到显著地提高。

往复压缩机的气阀根据气缸内的吸入端和排出端的压力差自动进行开闭，良好的气阀能够降低压缩机的压力损失、提高效率。

在气阀的研制过程中，要综合考虑压缩机的使用工况，合理设计气阀升程，气阀当量面积、气阀阀速、气阀弹簧刚度等结构参数，加大新材料的开发应用，提高效率和可靠性。

近年来，采用的非金属PEEK材料（聚醚酮）阀片的气阀使气阀寿命大幅度提高，因此得到了越来越广泛的应用。

活塞压缩机中采用活塞环及填料函对气缸内气体进行密封，高转速下磨损加快，摩擦热不容易导出，对活塞环及填料函的性能及寿命提出了严峻的挑战。

为了设计出具有高效密封作用的密封元件结构形式，需要对密封件摩擦、磨损特性进行分析计算，对其磨损失效、热失效进行定量评价。

5.3 高压压缩缸的研制
高压压缩缸的研制是注气压缩机研制需重点解决的问题。

要承受30～40 MPa排
气压力，首先要对结构及材料详细研究，进行气缸动力及静力有限元计算，分析缸体内的应力分布及变化规律，从而优化锻件气缸的优化设计。

再者要重点研究锻造工艺、热处理工艺和加工工艺，最后要进行渗漏试验、强度试验等机械性能检验或试验。

注气压缩机应选用有试验验证的气缸。

5.4 气流脉动和机械振动分析
注气压缩机的高可靠要求必须很好解决压缩机输气管线的气流脉动和机械振动问题。

注气压缩机脉动和振动控制按照美国石油学会标准 API618《石油、化工及及气体
工业用往复式压缩机》介绍的第3种方法进行脉动控制系统的研究和设计。

通过
缓冲罐、过滤器降低气流脉动和压缩机的机械振动。

5.5 气缸润滑油系统
注气压缩机气缸润滑油系统一般采用少油润滑方式，通过专门的润滑油分配机构定时、定量地将润滑油加入气缸壁和密封机构等处，以保证活塞在气缸中运动和密封的要求。

由于注气的特殊性，需对气缸润滑油系统进行特殊研究，同时在每一级天然气管路中增加高质量的油气冷凝分离器，确保注入地层的天然气所含润滑油量不超过1×106。

储气库注气压缩机作为一种高端动力装备在研发和制造上有着诸多的问题亟待解决，本文仅是笔者在实际工作中总结出的一些粗浅的认识和见解，以起抛砖引玉，给相关从业人员以参考。

随着国内的压缩机技术水平不断提高，我们相信在不久的将来，一定有国产的注气压缩机应用于储气库现场。

【相关文献】
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[6]6CFC压缩机产品使用说明书.中国石油集团济柴动力总厂成都压缩机厂.。