適用于天然氣凈化及MDEA脫碳工藝的 CO2壓縮機組優(yōu)化設(shè)計

葉永平，羅 倩，王 欣，何 偉，盧福志

(1.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川 成都 610100；2.中加壓縮機撬及管道工程公司，卡爾加里 加拿大)

1 引言

在油氣開采領(lǐng)域，天然氣凈化廠經(jīng)常使用MDEA脫碳工藝進行脫碳凈化。其中凈化出來的二氧化碳可以通過再生、脫水及壓縮等工藝進行循環(huán)利用，也可以注入地下進行CO2-EOR二氧化碳驅(qū)油。與一般的天然氣相比，再生二氧化碳有如下幾個特點：

(1)壓力一般20～60 kPa；

(2)CO2含量約90%；

(3)含飽和水蒸汽；

(4)分子量大；

(5)高壓時容易液化；

(6)腐蝕性強。

當再生二氧化碳需要循環(huán)利用進行壓縮時，這些因素為壓縮機組的設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)，導致其機組布局、分離器設(shè)計、冷卻器選擇以及振動控制措施等與常規(guī)天然氣壓縮機有很大不同。如何在設(shè)計階段充分考慮這些關(guān)鍵因素，并采取相應(yīng)創(chuàng)新性措施解決其帶來的問題，是保證二氧化碳壓縮機組安全運行的關(guān)鍵。

本文以某油田天然氣乙烷回收工程二氧化碳壓縮機組DGY1120M600×600×540×360×230×160(如圖1所示5級壓縮、電動機驅(qū)動、轉(zhuǎn)速750 r/min)為例，說明在往復式二氧化碳壓縮機組成撬設(shè)計中，如何根據(jù)再生二氧化碳的特點進行機組布局、如何進行振動控制以及如何合理設(shè)計分離器和冷卻器等，并在設(shè)計過程中通過相關(guān)分析對機組設(shè)計進行評估及優(yōu)化以滿足二氧化碳壓縮的工藝及相關(guān)規(guī)范要求，可為同類壓縮機組的設(shè)計提供技術(shù)參考。

圖1 設(shè)計機組的撬體總圖布置

2 機組設(shè)計

某油田天然氣乙烷回收工程利用MDEA脫碳工藝將乙烷中的二氧化碳提取出來，達到凈化乙烷氣的目的，然后將提取出來的二氧化碳增壓后注入地下或者其他用途。二氧化碳經(jīng)過MDEA脫碳工藝提取出來后的壓力為80 kPa，經(jīng)過管路損失后，進入壓縮機約20～40 kPa，含飽和水蒸氣，最高需要壓縮至6.9 MPa，單機最大排量12×104Nm3/d，六列五級壓縮，國內(nèi)外均無此類機組的應(yīng)用，因此需要對CO2壓縮機組進行設(shè)計及分析。設(shè)計要點如下：

(1)采用管殼式換熱器實現(xiàn)對二氧化碳冷卻后溫度的自動控制。

二氧化碳壓縮機場站具備循環(huán)水系統(tǒng)，采用了水冷管殼式換熱器進行二氧化碳氣體的冷卻，通過物性計算和露點分析，末級排氣CO2在6.9 MPa時，當溫度低于30 ℃就會液化，會導致壓縮機組出現(xiàn)排氣壓力突降、液態(tài)二氧化碳沖刷管路系統(tǒng)等故障。四級進氣狀態(tài)的CO2在3.0 MPa時，當溫度低于5 ℃就會液化，此時壓縮機組就會出現(xiàn)壓力突降，液態(tài)二氧化碳沖擊氣閥，導致氣閥損壞，液態(tài)二氧化碳進入壓縮缸，發(fā)生頂缸事故，導致重大安全事故發(fā)生。為了控制CO2冷卻后的溫度，本機組采用自動調(diào)節(jié)水流量的方式達到溫度控制的目的。

(2)用于除去級間析出的大量液態(tài)水的分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

通過露點分析，每級壓縮冷卻后會析出大量的液態(tài)水，一級壓縮冷卻后析出水約150～390 kg/h，二級壓縮冷卻后會析出水約50～140 kg/h，三級壓縮冷卻后析出水約30～70 kg/h，四級壓縮冷卻后析出水約0～28 kg/h，五級壓縮冷卻后析出水約0～12 kg/h，如果大量的水滴沖擊氣閥，會導致氣閥壽命降低，甚至氣閥損壞，液態(tài)水進入壓縮缸也會出現(xiàn)頂缸，因此一級進氣、二級進氣和三級進氣分離器的內(nèi)部分離效率及分離精度都需要內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用重力分離及高效率的捕霧器保障分離效果，從而保證機組的安全運行。

(3)二氧化碳壓縮機停機后的防腐蝕處理。

二氧化碳壓縮機停機后，機組內(nèi)會儲存有二氧化碳氣體，且含有很多殘留的液態(tài)水和水蒸氣。如果長時間停機，殘留在機組內(nèi)的氣體會對壓縮機產(chǎn)生持續(xù)的腐蝕。為了預防此類問題，機組設(shè)置了一個自動置換的功能，用于壓縮機組長時間停機情況下對殘留氣體進行氮氣置換，保證壓縮機停機后的防腐蝕。

(4)六列五級壓縮機的活塞配重及壓縮缸布局。

壓縮機組采用五級壓縮，缸徑分別為2×φ600，φ540，φ360，φ230，φ160。高轉(zhuǎn)速往復式壓縮機的所有列的往復質(zhì)量配重要求為偏差不超過1.1 kg，根據(jù)活塞設(shè)計，φ600與φ230，φ160均無法達到這個配重要求，因此優(yōu)化布局后，采用對稱兩列配重。遵循配重要求，五級壓縮列的活塞重量與六級壓縮列的活塞重量匹配，并兼顧管路連接的合理性，配置出壓縮缸最合理的布局。

(5)基于脈動分析的六列五級壓縮機組的壓力容器及工藝管路布局。

撬裝式六列五級壓縮的壓力容器布局較困難，尤其是位于中間列的緩沖罐及分離器的方位及布局很受限制，既要考慮不影響活塞組件的抽芯檢修和管路連接，還需要考慮振動問題和干涉問題，因此需要結(jié)合脈動和振動分析，將緩沖罐的方位及分離器的布局做一個最優(yōu)配置。

(6)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型。

管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)有很多型式，但是大氣量，大管徑的管殼式換熱器用于撬裝式設(shè)備上的較少，由于撬裝式設(shè)備的占地面積及高度空間均有限制，無法容納常規(guī)結(jié)構(gòu)的換熱器，因此需要設(shè)計一種方便配管，占空間較小，適用于撬裝配套的管殼式換熱器。

(7)常壓進氣的工藝卸載流程的優(yōu)化及閥門配置。

針對進氣壓力很接近大氣壓的壓縮機組，在卸載時會出現(xiàn)進氣壓力被高壓的排氣端氣體沖高，而導致壓縮機因超負荷而劇烈抖動的現(xiàn)象，產(chǎn)生巨大的安全隱患。為了避免卸載時出現(xiàn)這個情況，需要合理配置閥門以及卸載工藝流程。

(8)分段旁通管路設(shè)計。

壓縮機組的氣體組分中，含有大量的水和二氧化碳，均容易在低溫下液化和冰堵，因此高壓端旁通回流到低壓端的降壓過程需要分段旁通，保證每段的壓力降低和溫度降低均不會導致液態(tài)組分的形成。

3 機組分析及設(shè)計優(yōu)化

3.1 機組振動控制分析

機組振動控制分析主要包括氣流脈動分析及機械振動分析，首先根據(jù)機組布置對系統(tǒng)進行仿真建模并計算，然后根據(jù)計算結(jié)果對機組設(shè)計進行優(yōu)化并提出振動控制設(shè)計建議，達到控制系統(tǒng)振動的目的。

氣流脈動分析方面，3臺機組并聯(lián)運行時的進氣匯管及排氣匯管系統(tǒng)分析模型分別如圖2、3所示。實施氣流脈動控制措施后，進、排氣匯管中氣流脈動計算結(jié)果與API 618標準允許值的比值分別在圖4、5中給出。從圖中可以看出，進、排氣匯管中氣流脈動值均低于標準值。該氣流脈動在進、排氣匯管中產(chǎn)生的脈動不平衡力分別在圖6和圖7中顯示，其幅值遠低于標準允許值。

圖2 進氣匯管系統(tǒng)氣流脈動分析模型

圖3 排氣匯管系統(tǒng)氣流脈動分析模型

圖4 進氣匯管系統(tǒng)氣流脈動比值

圖5 排氣匯管系統(tǒng)氣流脈動比值

機械振動分析方面，3臺機組并聯(lián)運行的機械振動分析模型如圖8所示。振動控制設(shè)計優(yōu)化后計算得到的系統(tǒng)動態(tài)位移響應(yīng)如圖9所示，最大動態(tài)位移0.07 mm，滿足機組振動要求。

圖8 機組機械振動分析模型

圖9 計算的機組動態(tài)響應(yīng)

根據(jù)機械振動分析結(jié)果，對該機組的驅(qū)動機、壓縮機、容器和管道分別設(shè)計了相應(yīng)的支撐。作為示例，圖10和圖11分別顯示了排氣緩沖罐加楔形支撐以及在分離器支撐底梁上加筋板等措施。

圖10 排氣緩沖罐加楔形支撐

圖11 分離器支撐底梁加筋板

3.2 機組熱應(yīng)力控制分析

單從振動控制的角度，機組布局及支撐的剛度越大越好。但如果只從機組振動的角度來布局機組和設(shè)計支撐，往往容易導致系統(tǒng)熱應(yīng)力超標等問題。這就要求對機組進行熱應(yīng)力分析，確保系統(tǒng)在滿足振動控制的同時，也不發(fā)生系統(tǒng)熱應(yīng)力超標等問題。

熱應(yīng)力分析是采用圖8所示機械分析模型進行的。根據(jù)分析結(jié)果對支撐設(shè)計的優(yōu)化措施包括采用可橫向移動管夾代替普通管夾、使用法蘭抓手代替原管夾支撐等。圖12顯示了支撐優(yōu)化后3臺機組并聯(lián)運行時的標準應(yīng)力比。從圖中可以看出，系統(tǒng)熱應(yīng)力得到有效控制，滿足標準要求。計算結(jié)果同時表明系統(tǒng)運行時管道發(fā)生熱變形后，管道無碰撞，管道支架無脫空，說明系統(tǒng)運行時不會由于熱變形產(chǎn)生相關(guān)安全問題。

圖12 3臺機組并聯(lián)運行時標準應(yīng)力比

3.3 分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

對重力氣液分離器而言，其分離效果主要由氣體流動速度、分離器高度及分離絲網(wǎng)來決定。在氣體流量一定時，其流動速度直接由分離器直徑確定。因此重力氣液分離器的關(guān)鍵參數(shù)是直徑、高度和絲網(wǎng)類型。

根據(jù)分離器計算結(jié)果，對分離器尺寸及絲網(wǎng)類型進行了優(yōu)化。作為示例，圖13和圖14分別顯示了一級分離器和五級分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計?？紤]到一級分離器氣量大和含液量高的特點，選擇了大直徑筒體以及網(wǎng)格狀絲網(wǎng)；根據(jù)五級分離器氣體壓力高和含液量低的特點，選擇了小直徑筒體以及葉片狀絲網(wǎng)。

圖13 一級分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖14 五級分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

4 結(jié)論

對再生二氧化碳往復式壓縮機組進行了優(yōu)化設(shè)計。通過對機組進行合理布局及支撐優(yōu)化，既控制了機組振動，又滿足機組運行過程中的應(yīng)力和變形要求；應(yīng)用重力分離及高效率的捕霧器，保障了對飽和水蒸氣分離效果；采用管殼式換熱器實現(xiàn)對二氧化碳冷卻后溫度的自動控制，避免了高壓二氧化碳的液化問題；設(shè)置一個自動氮氣置換的程序，預防機組停機后的腐蝕問題。

同時，對設(shè)計機組進行了振動以及熱應(yīng)力控制分析，以及對分離器分離效果進行了評估，確保機組滿足相關(guān)標準要求。本文工作可為再生二氧化碳壓縮機組的成撬設(shè)計和安全使用提供技術(shù)參考依據(jù)。