國產天然氣壓縮機應用現狀及展望

作者： 2015年11月18日來源：互聯網瀏覽量：

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近年來,天然氣在能源消費市場中所占的比例日益增長。據2015年《BP世界能源統計年鑒》統計,2014年天然氣在世界能源一次消費中的比重已達23.7%;而在中國,這一比例僅為5.6%。從國家能源戰略等多個方面來看,大力推動天然

　　近年來,天然氣在能源消費市場中所占的比例日益增長。據2015年《BP世界能源統計年鑒》統計,2014年天然氣在世界能源一次消費中的比重已達23.7%;而在中國,這一比例僅為5.6%。從國家能源戰略等多個方面來看,大力推動天然氣產業發展勢在必行,而在其相關設備的制造工藝方面取得突破,是未來一段時期內我國工業生產的重要內容。

　　壓縮機作為天然氣生產工藝流程中的一種常見設備,普遍應用于天然氣生產的各個環節。國內天然氣壓縮機的制造始于20世紀80年代,最初由四川簡陽空壓機廠和四川石油管理局著手研發生產。經過多年發展,國內的壓縮機制造行業已有長足的進步,部分成橇機型基本可以替代國外同類產品。但是與國外成熟產品相比,國產天然氣壓縮機在部分技術方面仍存在一定的差距。因此,分析對比國內外壓縮機主要機型,明確國產壓縮機的優缺點,可以為國產壓縮機的后續生產提供參考。

　　1國內外天然氣壓縮機現狀及對比

　　目前,油氣田常用的壓縮機主要有往復式和離心式兩種(表1),其廣泛應用于氣田開發中的排水采氣、集氣處理、增壓輸入天然氣管網、管道增壓輸送和地下儲氣庫等領域。

　　1.1排水采氣用壓縮機

　　在天然氣開采的過程中,氣藏會出現壓力衰竭現象,為保持氣藏壓力并持續生產,需要使用壓縮機進行增壓作業。氣舉工藝就是借助壓縮機將高壓氣源注入井內,降低注氣點至井口的壓力梯度進而降低井底回壓,增加生產壓差,從而提高流體流速,增加天然氣攜液能力以排出井底積液,使被水淹的井恢復生產并最終實現連續或間歇性生產的排水采氣工藝。天然氣壓縮機在該過程中起到至關重要的作用。

　　在設計用于排水采氣的壓縮機時,重點考慮的技術參數是進氣壓力、排氣壓力、排氣量、壓縮級數和壓力比。主要技術要求是:①壓力高,一般要求在10MPa以上;②功率一般在1000kW以內。國內油氣田使用的主要的進口機型由Ariel、Cooper以及GE等公司生產;主要的國產機型為成都壓縮機廠(以下簡稱成壓廠)生產的ZTY系列、CFA/CFC系列分體式,以及江漢第三機械廠的RDS系列分體式。成壓廠生產的ZTY系列與Cooper生產的DPC系列是排水采氣用壓縮機的典型機型,這兩種機型的技術參數對比如表2所示。

　　由表2可見,成壓廠生產的ZTY系列壓縮機功率范圍為85~630kW,劃分為9個功率級,Cooper公司DPC型AJAX系列壓縮機的功率范圍在85~735kW之間,兩者功率比較接近,但國產機型在高功率方面仍有缺陷。ZTY系列的壓力范圍為0.2~4.5MPa,最高排氣壓力可以達到35 MPa,最高單級壓力比達5.9。

　　根據用戶的實際吸氣、排氣壓力及排氣量需求,可以進行配套設計,形成高中低以及多品種的壓縮機組,滿足不同地區、不同技術要求的生產現場需求。但是國產ZTY系列天然氣壓縮機在技術成熟度、市場占有率、品牌知名度,使用壽命和可靠性等方面,與Cooper公司DPC型AJAX系列壓縮機相比,還有一定的差距。

　　中國石油長慶油田公司蘇里格氣田(以下簡稱蘇里格氣田)訂購了18臺成壓廠生產的無基礎ZTY630機組,同時也訂購了Cooper公司生產的有基礎DPC2804和無基礎DPC2803。這三套機組在同等工況條件下運行,截至目前運行情況良好。其現場振動情況對比如表3所示。

　　通過國產和進口機型的技術參數及氣田現場應用情況對比可以看出:國產排水采氣用成橇天然氣壓縮機組在設計和現場參數方面均接近國外產品,基本可以滿足氣田氣舉等排水采氣生產工藝的要求。

　　1.2集氣處理用壓縮機

　　隨著氣井不斷開采,井口壓力也會隨之降低,當壓力下降到集氣系統壓力之下時,就需要采用增壓設備將采出的天然氣輸入到集氣管網中。高壓集氣過程適用的天然氣壓縮機類型主要是往復式壓縮機。在設計機組過程中,重要的技術參數主要有出口壓力、進口壓力和排氣量等。在集氣站增壓方案中,壓縮機出口壓力必須大于等于支線和干線的運行壓力,才能保證增壓后的天然氣順利進入支線和干線。進口壓力則由氣田增壓穩產期末的井底壓力來確定,壓縮機安裝在集氣站內或附近,要求進口壓力應與來自氣井的天然氣進站壓力基本保持一致。最后根據場站總處理規模和壓縮機臺數確定單機功率,一般每個集氣站的壓縮機臺數以3~5臺為宜。用于集氣處理的壓縮機對壓力要求不高,一般在8 MPa以下;功率等級則根據集氣站天然氣處理量要求來確定,一般的單機功率在3500kW以內。

　　以成壓廠生產的6CFC系列與Cooper公司生產的WH64系列為例,在相同工況下,兩種型號的對比如表4所示。

　　成壓廠生產的6CFC系列RTY3360型壓縮機是典型的國產成橇壓縮機,其核心部件例如發動機采用進口裝置。從表4可以看出,成壓廠生產的6CFC系列RTY3360型壓縮機和Cooper公司生產的WH64系列RTY1490型壓縮機都采用美國廠家制造的發動機;國產RTY3360型壓縮機的功率和轉速均高于進口WH64系列RTY1490型壓縮機;兩種機型的吸入壓力和排氣壓力基本相同;此外國產RTY3360型壓縮機的排氣量、震動烈度、壓力不均勻度、噪聲等指標均不遜于進口RTY3360型壓縮機。在目前天然氣集氣處理過程的應用中,國產成套壓縮機組在能力范圍、技術參數、最高排氣壓力和適用范圍等方面與國外同等產品的差距在縮小。

　　1.3 管道輸送用壓縮機

　　天然氣長輸管道需要在沿途建立天然氣增壓站,通過壓縮機多次多級增壓,才能實現天然氣長距離運輸。壓縮機常被比喻為天然氣管道輸送的“心臟”。常用于管道輸送的天然氣壓縮機有往復式和離心式兩種類型,具體采用哪種類型需要根據管道增壓情況以及安裝天然氣壓縮機的環境條件來確定。一般來說,往復式適用于工況不穩定、壓力高或超高且流量較小的情況;而離心式適用于處理量大且處理量波動幅度不大(變化范圍在70%~120%之間)的情況。按照目前國內外新建的天然氣輸送管道發展趨勢(壓力高、口徑大且流量高),離心式使用范圍將越來越廣泛。

　　進口離心式壓縮機主要是通用電氣(GE)和羅羅(RR)制造的產品,以西氣東輸管道為例,其干線上已建成并投入使用的天然氣增壓站都主要采用GE和RR離心式壓縮機產品。除設備以外,GE公司還提供包括壓縮機組安裝、調試、使用培訓等服務,以及2012年的產品備件。國產離心式壓縮機的研發以沈陽鼓風機集團(以下簡稱沈鼓)為代表,但其在設計和制造方面仍處于起步階段。2011年,由沈鼓自主設計生產的三套壓縮機組分別在西氣東輸管道二線西段的烏魯木齊、永昌和瓜州(支線)天然氣增壓站投入使用;2012年,由沈鼓自主設計生產成橇建設的電驅天然氣壓縮站———西氣東輸二線高陵分輸壓縮站投入使用。

　　截至2014年年底,4臺國產化機組全部運轉正常,累計運轉時間超過4000h。國內外離心式壓縮機產品的參數對比如表5所示。

　　目前國內長距離的天然氣管道使用的壓縮機組基本都來自國外進口,僅有少量站點采用沈鼓生產的國產機組或將其作為后備機組,因此建設成本高,而且維修、備件及相關服務都需要依賴國外公司。這些都不利于天然氣管道的安全穩定運行。國產的離心式機組使用時間尚短,在穩定性、可靠性、安全性和故障率等方面仍有待時間驗證。因此,繼續推進國內長距離天然氣管道中關鍵設備(例如壓縮機組)的國產化進程,對于降低管道建設成本、振興裝備制造業乃至保證國家能源供應安全都具有重要的意義。

　　1.4儲氣庫用壓縮機

　　天然氣儲氣庫的功能是調峰,在消費量低時向儲氣庫注氣儲存,在高峰期時向管道輸送天然氣。在注氣過程中,需要使用大型的天然氣壓縮機。儲氣庫使用的天然氣壓縮機主要有兩種類型:往復式和離心式壓縮機。由于離心式壓縮機的價格遠遠高于往復式壓縮機,而且具有很大的工作局限性,因此一般采用往復式壓縮機。

　　目前,國產壓縮機在技術參數等方面無法完全滿足儲氣庫的工況要求,因此,國內氣田主要采用進口壓縮機,小部分采用國外進口國內成橇的設備,僅有少量早期建成的儲氣庫采用國內生產的壓縮機作為備用機組。2015年,國內首臺自主生產的儲氣庫壓縮機組在中國石油華北油田公司興9儲氣庫投入使用。這是2010年成壓廠在引進儲氣庫壓縮機成橇技術后,經過消化吸收,形成自主的設計、制造和成橇技術而研制生產的產品。該產品是6000kW壓縮機組,主要適用于儲氣庫工況。

　　國內儲氣庫的注氣壓縮機主要存在以下兩方面問題:①對壓縮機出口壓力要求高,最低要達到35MPa,國內生產的壓縮機可以達到這一數值,但是在天然氣處理量方面仍有不足之處,根本原因是壓縮機的功率不足,需要開發更大功率的壓縮機主機才能適應儲氣庫工況;第二,儲氣庫的壓力變化較大,這就要求注氣壓縮機的壓力適應范圍要廣,而且工況變化范圍大,對使用的壓縮機的適應性、操作性、可靠性和安全性提出了更高的要求,壓縮機一旦出現問題,對儲氣庫的運行影響很大。目前來看,國內生產的注氣壓縮機在可靠性和安全性方面與國外產品相比仍有很大差距。

　　1.5對比小結

　　通過上述國內外壓縮機的對比可以看出,國產往復式壓縮機組發展迅速,與國外產品水平逐漸縮小。離心式壓縮機組國內產品進步明顯,但差距仍然較大,目前只有沈鼓和西安陜鼓動力股份有限公司(以下簡稱陜鼓)可以制造離心式機組產品。

　　1.5.1 技術對比

　　1)從技術參數來看,國產壓縮機產品在功率和工作壓力兩方面仍然存在不足。目前國內生產的整體式壓縮機最大功率是630kW,而Cooper產品可達745kW;分體式壓縮機功率差距更大,國內最高可達3500kW,配套機組功率為3356kW,而Ariel產品可達7450kW。從工作壓力來看,國內生產的往復式壓縮機最高為35MPa,而2009年塔里木油田引進的國外產品設計壓力為55 MPa,實際工作壓力是48 MPa。2014年中國石化西北分公司定制,由成壓廠生產的高壓壓縮機組試驗壓力可達51.38 MPa,達到國外類似產品的工作壓力,填補了我國相關產品的空白,但實際應用有待考核。

　　2)使用壽命和可靠性方面需要提高。目前國內生產的壓縮機投入使用的時間仍較短,無法與國外同類產品的使用時間進行比較。國外壓縮機組的連續運轉時間是國內產品的數倍,有的甚至可以達到數十倍。在易損件方面,國內產品的壽命超過半年,而國外的已普遍超過兩年,有的機型部分易損件甚至可達五年以上。此外,細節也是國內壓縮機產品的短板,比較集中體現在產品中采用的閥門、儀表和電氣元件等方面。國外GE和RR等企業實現了機型系列化,主要零部件互換性明顯強于國內廠家。

　　3)國產機的真正國產化比重較低。主機、控制閥、調速器、安全閥、活塞環、氣閥等主要零部件基本依賴進口。

　　1.5.2 市場對比

　　國內產品由于占有率不足,市場認知度較低,存在著客戶不愿或不敢使用的情況。部分招標中也存在客戶指定使用國外產品的情況。但國內產品在購買和維護成本方面具有明顯的優勢。據市場調研,國產機的費用比進口機便宜20%~30%,并且國產機的售后服務比進口機更完善更便捷,因而國產機在價格和服務上也具備優勢。同時,對比國外產品,國內廠商供貨周期較短。

　　2國產天然氣壓縮機制造建議

　　2.1豐富類型,生產針對性產品

　　目前國內主要壓縮機產品類型以往復式為主,離心式和螺桿式生產較少。國外的壓縮機機型已基本實現了系列化生產,主要零部件的互換性也強于國內廠家。因此,國內廠家應把重心放在產品研發方面,進一步豐富產品系列,并與國內的實際應用情況相結合,生產具有針對性的相關產品。針對目前國內生產的壓縮機產品的可靠性不強且品牌認可度有限的情況,近年來,天然氣壓縮機生產的民營企業,例如山東科瑞石油裝備有限公司、煙臺杰瑞石油服務集團股份有限公司等都通過成為Ariel和GE等壓縮機制造商的成橇企業,采用主機進口后在國內組裝成橇的方式來生產壓縮機組,目前銷量良好。

　　2.2明確產品優勢,提高服務水平

　　國內生產的壓縮機產品主要優勢在于價格和售后服務。產品的問題則多來自于人為操作不當和本身的設計缺陷。這些問題都需要在實際應用中不斷地發現并改進。因此,國內生產廠家應加強對產品運行信息的監測以及相關技術人員的培訓工作,為后續產品的設計和制造提供參考。

　　2.3創立專家團隊,改進設計能力

　　由于油氣田現場工況往往較為復雜,對各種用途的天然氣壓縮機的設計要求很高。例如在海上處理酸性氣體時,水與天然氣中的酸性氣體結合后很容易腐蝕設備,降壓膨脹使水結冰容易堵塞加氣機管道和閥門等。而目前國內企業仍缺乏能力生產用于海上酸氣工況條件下的天然氣壓縮機。因此,相關制造企業急需建設具有研發背景和資深工藝設計能力的人才團隊,并借鑒國外成熟壓縮機制造企業的經驗,實現從概念研究、實驗室研發最終到規模化產出的全過程。

　　由于新研發的產品在客觀上確實存在使用風險,很多客戶都偏向于進口成熟產品,導致國內的新產品推廣難度很大,一直無法進行現場試驗,進而無法向市場推廣。因此,國內壓縮機生產廠家應研究落實國家大型裝備的“首臺套”相關配套政策,建立產學研一體化創新體系,將產品投入市場作為開發的重點。

　　2.4加強對標工作,提高標準符合性

　　國內企業要提高產品質量,首先就要做好對標工作。制造企業應按照國際通用的標準和行業規范來提供產品與服務,由此打好產品質量基礎,為國內用戶提供高品質產品,并為產品“走出去”打好基礎。目前在石油化工行業內,往復式壓縮機主要遵循兩套API技術標準,分別是API-618和API-11P。

　　國內也已發布了這兩套標準的對應版本,分別是GB/T20322《石油及天然氣工業用往復壓縮機》(根據ISO13707,API-618)和GB/T25359《石油及天然氣工業用集成橇裝往復壓縮機》(根據ISO13631,API-11P),前者適用于煉油化工等關鍵裝置使用的中、低速壓縮機;而后者主要適用于石油天然氣工業上游用橇裝式高轉速、短行程往復活塞式壓縮機。

　　3結束語

　　國內外油氣田常用的壓縮機主要用于排水采氣、集氣處理、管道輸送和儲氣庫四個領域。目前在排水采氣和集氣處理領域,國產成套壓縮機組可以滿足國內油氣田使用,基本可以替代進口機型。但是這些天然氣壓縮機主要是在進口主機和閥門等零部件的基礎上進行橇裝的成套壓縮機組,主要零部件依賴進口。

　　在技術參數方面,國產壓縮機的最大功率和最高工作壓力與國外機型相比,還有一定的差距。在使用壽命和可靠性方面,國產機的易損件壽命、連續運轉時間普遍低于進口機型。在管道輸送領域,特別是對于大型長輸管道,國產機的應用遠遠不如進口機。目前國產長輸管道輸送用離心式壓縮機只有沈鼓和陜鼓可以制造。然而其在設計和制造方面仍然處于起步階段,維修、備件及相關服務都需要依賴國外公司。在儲氣庫領域,國產壓縮機無法完全滿足儲氣庫的工況要求,因此主要采用進口機型。

　　根據目前國產天然氣壓縮機與進口機型的差距,為提高國產壓縮機的質量和應用性能,在國產機制造方面提出幾點建議:①加強產品研發,豐富產品系列,采用主機進口后國內成橇的方式生產壓縮機組;②加強對產品運行信息的監測及相關技術人員的培訓,提高服務水平,幫助用戶節約成本;③建設具有研發背景和資深工藝設計能力的團隊,借鑒國外成熟壓縮機制造企業的經驗,從概念和實驗室研發推廣到規模化產出;④加強對標工作,努力按照國際通用的標準和行業規范來提供產品和服務,提升質量。

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