沁水盆地煤层气田压缩机的选择与应用

陶永 王红霞 韦玮 张永琪

（1.西安长庆科技工程有限责任公司；2.中国石油华北油田煤层气勘探开发分公司）

随着能源需求不断增加，对环境保护的要求也日趋严格。煤层气作为巨大潜在清洁能源，在全球能源结构中扮演越来越重要的角色。据预测［1］，全球煤层气远景资源量为260×1012m3，中国为36.8×1012m3，位居世界第三位。中国1 500m以浅的资源量约为 27×1012m3，相当于全国常规天然气资源总量的三分之二，是美国煤层气资源量的2～3倍，开发前景广阔。根据中国煤层气十二五发展规划，到2015年煤层气（煤矿瓦斯）产量达到300×108m3，其中地面开发 160×108m3。因此，在当前中国常规天然气资源比较匮乏的情况下，煤层气产业化发展将会成为中国天然气发展战略的重要组成部分，其开发建设是集能源综合利用、环境保护、煤矿安全于一体的新兴能源领域。

煤层气属于非常规天然气，与常规天然气相比较，煤层气集输有其鲜明的特点［2］。投产初期产量较低，平均单井日产约为2 000m3；井口压力低，一般为0.1～0.3MPa，需要在集气站增压外输；生产周期长，单井寿命15～20年。沁水盆地煤层气集输工艺流程［3］为单井产气经过串接与阀组接入采气管线，然后进入集气站。在集气站首先过滤分离，再通过压缩机增压至1.4～1.6MPa，将煤层气通过集气管线输送至处理厂处理外输。最终可采用接入长输管线、进入天然气（CNG）加气站和液化天然气（LNG）工厂等处理利用方法。目前，沁水盆地樊庄、郑庄区块均采用进入长输管线的处理模式，将所产商品气全部接入西气东输管道［4］。

沁水盆地采用的集输总流程是集气站和处理厂两地进行增压后外输。处理厂因气量较大和较稳定，多选用往复式压缩机；而集气站因数量多、有差异、气量小且不稳定等因素，集气站压缩机将涉及选型问题。

1 煤层气田压缩机的选择

目前，国内外燃气输送工程用于增压的压缩机主要是往复式压缩机、离心式压缩机和螺杆压缩机。

1.1 离心式压缩机

离心式压缩机是驱动装置带动主轴叶轮（工作轮）转动，在离心力作用下，气体获得能量被甩到工作轮后面的扩压器中，而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进气部分进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气体连续流动。

离心式压缩机适用于大流量、工况稳定的站场；压比较小，一般不超过3；单台功率最大30 000kW；结构紧凑，尺寸小；易损件少、运转可靠、维护费用低，但是，稳定工况区较窄，效率一般低于往复式压缩机。离心式压缩机多用于长输管道压气站。

1.2 往复式压缩机

往复式压缩机是通过曲柄—连杆机构将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，依靠缸内活塞的往复运动来改变工作腔容积，借以达到压缩气体提高气体压力的目的。

往复式压缩机适用于中小流量、变工况的站场；单级压比大（一般为4～6）、效率高（一般为90%）；单台功率较小，最大功率6 000kW，能耗低；加工方便，对材料要求低，造价低廉；生产、使用、设计、制造技术成熟；适应性强，气量调节范围大，一般可在 45%～100%的工况下运行。但是，其体积大、重量大、噪音大，易损件多；输气不连续、气体压力有波动。往复式压缩机多用于流量不稳定及分期建设的气田地面工程［5］。

1.3 螺杆式压缩机

螺杆式压缩机也被称为螺旋式压缩机是由一对平行、互相啮合的阴、阳螺杆构成，是回转压缩机中应用最广泛的一种。

螺杆式压缩机排量范围大，利用滑阀或变频调节可以实现10%～100%的排气量调节。压比相对较小（一般不超过4）；高转速、易损件少；体积小、重量轻；转子每转一周要排气数次，基本上是连续排气，脉动性较小；噪音小，对介质中含煤粉等杂质适应性强。目前，螺杆式压缩机在低压低产气田有一些应用业绩，其进口压力一般小于0.5MPa，出口压力 1～2MPa，排量一般为 2×104～10×104m3/d。

但是，螺杆式压缩机效率较低（一般达70%～85%）、能耗高。多用于小气量波动工况或与往复式压缩机互补采用。

1.4 压缩机类型选择

煤层气集输工艺中，气井产量低且波动较大，要外输的增压比较大［6］。离心式压缩机很难满足煤层气田的开发要求，而往复压缩机和螺杆压缩机比较适合于煤层气田的开发特点。因此，离心压缩机几乎在煤层气田没有应用，而往复压缩机和螺杆压缩机在煤层气田开发中均有应用。

2 沁水盆地煤层气田压缩机的应用

2.1 往复式压缩机

根据目前中国往复式压缩机的实际生产情况，在已开发的煤层气田中最常用的往复式压缩机参数见表1。

表1 不同功率往复式压缩机计算参数

国内往复式压缩机的生产技术日臻成熟，可根据排量和进出口压力的不同进行选择应用。

煤层气增压压比高、气量变化范围大、压缩介质为简单分离的未净化的煤层气，要求压缩机变工况能力比较强。往复式压缩机具有这种性能，可通过调节余隙、调整单双作用和改变转速实现变工况运行，最大排气量范围45%～100%。因此，往复式压缩机在煤层气田集输工程中应用较多。沁水盆地煤层气气田樊庄和郑庄区块产能建设工程和处理厂工程中均采用了往复式压缩机。

2.2 螺杆式压缩机

国内生产电机驱动螺杆压缩机的技术成熟可靠，使用寿命较长，维护维修方便；而燃气驱动螺杆压缩机技术相对较弱，使用寿命较短及维护维修工程量大，国内实际工程应用较少。由于螺杆式压缩机的工况适应性强，采用变频调节方式，排气量调节范围大，可从 10%到 100%。因此，近年来电动机驱动螺杆压缩机在煤层气田广泛使用。

电驱螺杆压缩机在低压、低产气田及煤层气增压有一些应用业绩，其进口压力一般小于0.5MPa，出口压力 1～2MPa，排量 2×104～20×104m3/d。目前，国内煤层气田应用较成熟的螺杆压缩机主要是小排量（不大于10×104m3/d）压缩机。国内最大排量（20×104m3/d）首次应用是在樊十集气站，经过现场运行，存在噪音大等问题，配套技术不太成熟，不具备大面积推广的条件。沁水盆地煤层气气田夏店区块和樊庄区块后续产能建设工程中应用的是排量不大于10×104m3/d的螺杆压缩机。

3 结语

由于煤层气田的开发机理不同于天然气田，煤层气的上产有一个缓慢过程，因而，压缩机的运行要考虑投产初期规模达不到设计规模的情况。今后，在煤层气田的开发建设中，压缩机设计方案应合理配置，以保证其运行安全、高效、经济。在已建的煤层气工程中，螺杆压缩机一般使用在 5×104～10×104m3/d的小气量增压条件下工况较稳，效率较高。因此，煤层气田集输中推荐处理气量小于10×104m3/d使用螺杆压缩机，大气量（超过20×104m3/d）使用往复式压缩机，也可根据具体项目情况采用两种压缩机混合配置方案。

[1] 王红霞.煤层气集输与处理[M].北京： 中国石化出版社，2013： 8-20.

[2] 薛岗，许茜，王红霞，等.沁水盆地煤层气田樊庄区块地面集输工艺优化[J].天然气工业，2010，30(6)：87-90.

[3] 许茜，薛岗，王红霞，等.沁水盆地煤层气田樊庄区块采气管网的优化[J].天然气工业，2010，30(6)：91-93.

[4] 刘烨，巴玺立，刘忠付，等.煤层气地面工程工艺技术和优化分析[J].石油规划设计，2008，19(4)： 34-37.

[5] 王红霞，刘祎，王登海，等.沁水盆地煤层气地面工艺技术[J].天然气工业，2008，28(3)： 109-110.

[6] 惠熙祥，田炜，巴玺立，等.我国煤层气田地面工程存在的问题及对策[J].石油规划设计，2012，23(2)：14-16.