煤層氣田集氣站壓縮機選型及驅動方式比較

摘 要

摘要：對離心式、往復式、螺桿式壓縮機對煤層氣田集氣站工藝的適應性進行了分析。對電動機驅動與燃氣輪機驅動方式進行了比較，電動機驅動方式更具優勢。針對電動機驅動壓縮機，結
摘要：對離心式、往復式、螺桿式壓縮機對煤層氣田集氣站工藝的適應性進行了分析。對電動機驅動與燃氣輪機驅動方式進行了比較，電動機驅動方式更具優勢。針對電動機驅動壓縮機，結合工程實例，對電網供電、燃氣發電機供電的技術經濟性進行了比較。
關鍵詞：煤層氣；集氣站；壓縮機選型；驅動方式；供電方式
Selection of Compressor Type and Comparison of Their Driven Methods for Gas Gathering Station in Coal Bed Methane Field
XUE Aiqin，LI Yanzong，ZHANG Ying
Abstract：The adaptability of centrifugal compressor，reciprocating compressor and screw compressor to the process of gas gathering station in coal bed methane field is analyzed.A comparison is made between electric motor-driven method and gas-turbine driven method，and the electric motor-driven method is dominant.For electric motor-driven compressor，the technical and economic efficieneies of power supply from electric network and gas engine are compared through an engineering example.
Key words：coal bed methane；gas gathering station；selection of compressor type；driven method；power supply method
    開發利用煤層氣不僅可從根本上防止煤礦瓦斯事故的發生，保證煤礦安全生產，還可有效利用煤層氣，在一定程度上改善我國的能源結構，增加潔凈的氣體能源，彌補我國常規天然氣在地域分布和供給量上的不足[1～5]。井口煤層氣壓力較低，在煤層氣田開采過程中，產氣量波動較大，初期和末期均較小，中期產氣量較高，且從井口采出后，氣體會夾帶水分和煤粉。在煤層氣集輸過程中，對煤層氣進行增壓，所選用的壓縮機必須適應入口壓力低、氣量變化范圍大、氣體中含有水分并攜帶少量固體粉塵等這3個條件。這也是煤層氣田集氣站壓縮機選型的制約因素。本文對煤層氣田集氣站壓縮機選型及驅動方式進行比較。
1 集氣站壓縮機選型
   ① 集氣站工藝流程
   煤層氣田集氣站主要功能之一是將煤層氣進行增壓。從各單井來的煤層氣，通過采氣干管進入集氣站，經氣液分離器進行氣液分離后，進入壓縮橇進行增壓，增壓后的煤層氣經換熱橇、計量橇后通過集氣干管外輸，分離出的污水進入排污池。煤層氣田集氣站工藝流程見圖1。

   ② 集氣站壓縮機選型
   一般情況下，我們根據氣體組成、進氣壓力和氣量變化范圍進行壓縮機選型。常用的天然氣壓縮機有離心式、往復式、螺桿式。目前在技術上，這3種機型都比較成熟，但各有優缺點。
    離心式壓縮機只能適應氣源比較穩定、氣量較大、壓縮比小的工況，而煤層氣田的產量及達產時間較難估計，大多情況下，集氣站是在未達設計規模下運行的，因此離心式壓縮機不適用于煤層氣的增壓。
   往復式和螺桿式壓縮機都能適合于氣量波動較 大、壓縮比大的工況。在煤層氣的研究開發初期，往復式壓縮機成為首選的煤層氣增壓設備，但隨著運行時間延長，暴露出諸多問題，其中液擊是易出現的問題之一。液擊是由于煤層氣中含有水分，在進入氣缸后沒有在排氣過程迅速排出，在活塞接近上止點時被壓縮而產生的瞬間沖擊。液擊可以在很短時間內造成壓縮受力件(如閥片、活塞、連桿、曲軸、活塞銷等)的損壞。只有減少或避免液體進入氣缸，才可以防止往復式壓縮機發生液擊，但煤層氣中的水分是無法完全去除的。
   螺桿式壓縮機是一種容積式作回轉運動的氣體壓縮機，氣體的壓縮是靠一對互相嚙合、旋轉相反的陰陽螺桿轉子在缸體內作回轉運動產生的容積變化來實現。隨著螺桿轉子旋轉，螺桿式壓縮機周期性完成進氣、壓縮和排氣3個過程。螺桿式壓縮機具有多相混輸功能，高精度同步齒輪副起固定螺桿轉子間隙的作用，螺桿轉子采用厚薄齒結構，保證壓縮機在任何工況下(即便反轉時)陰陽螺桿轉子之間以及螺桿轉子與缸體之間都不接觸。因此，陰陽螺桿轉子齒面之間實際上留有間隙，能壓送含液、含粉塵氣體，更不會發生液擊現象。
    由上海鮑斯壓縮機有限公司生產的煤層氣螺桿式壓縮機，充分考慮到地面抽采的煤層氣壓力波動大、含有水分和煤粉的工況條件。在陰陽螺桿轉子進氣端與排氣端的轉子軸上均配置機械密封，保證輸送介質與轉子軸承潤滑油能完全隔開，水分及煤粉無法進入潤滑油系統。該公司生產的煤層氣螺桿式壓縮機缸體采用噴水冷卻，不但保證壓縮介質溫度在85℃以下，不會出現結焦，而且保障壓縮過程安全并降低運行成本。目前，螺桿式壓縮機在山西許村、成莊、昔陽等多個煤層氣項目中得到應用，最大日處理量已達到22×104m3/d。
    對于日處理量，國內往復式壓縮機可達到50×104m3/d以上，而日處理量大于22×104m3/d的螺桿式壓縮機在國內尚沒有應用的業績。綜合考慮工藝適用性、造價、運行成本及國內制造工藝，并借鑒以往工程項目經驗，建議日處理量在15×104m3/d以上的壓縮機，宜采用往復式；15×104m3/d及以下的壓縮機，宜采用螺桿式。
2 壓縮機驅動方式的選擇
    壓縮機有電機驅動、燃氣輪機驅動兩種方式。電機驅動方式需要配置相應的輸、配、變電系統，電動機的供電要求為一級負荷，受電網的制約較大，一般在對環保要求高、外部電網供電可靠、電價較便宜及電力供應充足的地區選用。燃氣輪機驅動方式需配置相應的燃氣系統、控制系統、啟動系統和1套較小容量的輸配電系統。燃氣可直接取自附近的井口煤層氣，對電網供電的需求量小，依賴性小。因此，燃氣輪機驅動方式成為電網配置薄弱、電價較高和電力供應緊張地區的首選方式[6]。兩種壓縮機驅動方式的技術經濟性比較見表1。由表1可知，電動機具有工況適應性較好、耐用、易操作、造價低的優勢，比燃氣輪機具有優勢。因此我們推薦采用電動機驅動壓縮機，但對于供電系統難以覆蓋的煤層氣田，可以采取燃氣發電機供電方式，不僅保證了壓縮機的安全運行，而且可以直接使用井口煤層氣。
 

3 供電方式的技術經濟性比較
    山西某煤層氣田集氣站設5臺日處理量為15×104m3/d的電動機驅動螺桿式壓縮機，動力電10kV，(50±2)Hz，三相。該集氣站選址位置距離已建110/35kV變電站約12km。擬采用電網供電、燃氣發電機供電兩種方式，下面分析兩種供電方式的技術經濟性。
    由電網供電，集氣站側需建設1座35/10kV變電站，110/35kV變電站與35/10kV變電站間需架設35kV輸電線路12km。輸電線路自110/35kV變電站35kV母線引出，通過架設35kV雙回路輸電線路，到達35/10kV變電站。站內設兩臺35/10kV主變壓器，兩臺主變壓器分列運行，容量為2×5000kVA。電動機電源引自35/10kV變電站內10kV母線。
    由燃氣發電機供電，需安裝5臺電壓等級為10kV、2000kW燃氣發電機，4用1備。
    兩種供電方式的經濟性比較見表2。電價為0.47元(kW·h)，氣價為1.2元/m3，使用壽命為20年。由表2可知，對于該工程，采用電網供電比采用燃氣發電機供電經濟性優。但這兩種供電方式有各自的優缺點：①電網供電。優點：造價低，可靠性高。缺點：集氣站投運受變電站及線路建設期影響，運行費用受電價制約。②燃氣發電機供電。優點：燃氣自有，占地面積小，不受供電條件限制。缺點：造價高，2000kW燃氣發電機供貨時間較長(約1年)，燃氣發電機運行維護費用較高，運行費用受氣價影響。因此，應根據不同工程的實際情況，綜合考慮技術經濟性，選擇供電方式。

4 結論
    ① 對于煤層氣壓縮機，當日處理量＞15×104m3/d時，宜采用往復式；當日處理量≤15×104m3/d時，宜采用螺桿式。
    ② 推薦采用電動機驅動壓縮機，對于供電系統難以覆蓋的煤層氣田，可以采取燃氣發電機供電方式。
參考文獻：
[1] 王許濤，趙興濤，張百良.平頂山礦區煤層氣開發利用模式探討[J].煤氣與熱力，2007，27(9)：56-59.
[2] 徐正康.煤層氣在城市燃氣中的利用[J].煤氣與熱力，2007，27(2)：38-40.
[3] 宋漢成，焦文玲，李娟娟，等.煤層氣利用與輸送的安全性[J].煤氣與熱力，2006，26(11)：8-11.
[4] 劉闖，于京春，齊明，等.煤層氣利用技術方案研究[J].煤氣與熱力，2005，25(9)：62-64.
[5] 張存森.煤層氣液化流程及技術現狀[J].煤氣與熱力，2008，28(9)：B12-B14.
[6] 劉燁，巴璽立，劉忠付，等.煤層氣地面工程工藝技術及優化分析[J].石油規劃設計，2008，19(4)：34-37.
 
(本文作者：薛愛芹1 李延宗1 張瑩2 1.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司 河北任丘 062552；2.中石油煤層氣有限責任公司 北京 100028)