煤层气田集气站压缩机选型及驱动方式比较_工程实践

摘要

摘要：对离心式、往复式、螺杆式压缩机对煤层气田集气站工艺的适应性进行了分析。对电动机驱动与燃气轮机驱动方式进行了比较，电动机驱动方式更具优势。针对电动机驱动压缩机，结

摘要：对离心式、往复式、螺杆式压缩机对煤层气田集气站工艺的适应性进行了分析。对电动机驱动与燃气轮机驱动方式进行了比较，电动机驱动方式更具优势。针对电动机驱动压缩机，结合工程实例，对电网供电、燃气发电机供电的技术经济性进行了比较。

关键词：煤层气；集气站；压缩机选型；驱动方式；供电方式

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

开发利用煤层气不仅可从根本上防止煤矿瓦斯事故的发生，保证煤矿安全生产，还可有效利用煤层气，在一定程度上改善我国的能源结构，增加洁净的气体能源，弥补我国常规天然气在地域分布和供给量上的不足^[1～5]。井口煤层气压力较低，在煤层气田开采过程中，产气量波动较大，初期和末期均较小，中期产气量较高，且从井口采出后，气体会夹带水分和煤粉。在煤层气集输过程中，对煤层气进行增压，所选用的压缩机必须适应入口压力低、气量变化范围大、气体中含有水分并携带少量固体粉尘等这3个条件。这也是煤层气田集气站压缩机选型的制约因素。本文对煤层气田集气站压缩机选型及驱动方式进行比较。

1 集气站压缩机选型

① 集气站工艺流程

煤层气田集气站主要功能之一是将煤层气进行增压。从各单井来的煤层气，通过采气干管进入集气站，经气液分离器进行气液分离后，进入压缩橇进行增压，增压后的煤层气经换热橇、计量橇后通过集气干管外输，分离出的污水进入排污池。煤层气田集气站工艺流程见图1。

② 集气站压缩机选型

一般情况下，我们根据气体组成、进气压力和气量变化范围进行压缩机选型。常用的天然气压缩机有离心式、往复式、螺杆式。目前在技术上，这3种机型都比较成熟，但各有优缺点。

离心式压缩机只能适应气源比较稳定、气量较大、压缩比小的工况，而煤层气田的产量及达产时间较难估计，大多情况下，集气站是在未达设计规模下运行的，因此离心式压缩机不适用于煤层气的增压。

往复式和螺杆式压缩机都能适合于气量波动较大、压缩比大的工况。在煤层气的研究开发初期，往复式压缩机成为首选的煤层气增压设备，但随着运行时间延长，暴露出诸多问题，其中液击是易出现的问题之一。液击是由于煤层气中含有水分，在进入气缸后没有在排气过程迅速排出，在活塞接近上止点时被压缩而产生的瞬间冲击。液击可以在很短时间内造成压缩受力件(如阀片、活塞、连杆、曲轴、活塞销等)的损坏。只有减少或避免液体进入气缸，才可以防止往复式压缩机发生液击，但煤层气中的水分是无法完全去除的。

螺杆式压缩机是一种容积式作回转运动的气体压缩机，气体的压缩是靠一对互相啮合、旋转相反的阴阳螺杆转子在缸体内作回转运动产生的容积变化来实现。随着螺杆转子旋转，螺杆式压缩机周期性完成进气、压缩和排气3个过程。螺杆式压缩机具有多相混输功能，高精度同步齿轮副起固定螺杆转子间隙的作用，螺杆转子采用厚薄齿结构，保证压缩机在任何工况下(即便反转时)阴阳螺杆转子之间以及螺杆转子与缸体之间都不接触。因此，阴阳螺杆转子齿面之间实际上留有间隙，能压送含液、含粉尘气体，更不会发生液击现象。

由上海鲍斯压缩机有限公司生产的煤层气螺杆式压缩机，充分考虑到地面抽采的煤层气压力波动大、含有水分和煤粉的工况条件。在阴阳螺杆转子进气端与排气端的转子轴上均配置机械密封，保证输送介质与转子轴承润滑油能完全隔开，水分及煤粉无法进入润滑油系统。该公司生产的煤层气螺杆式压缩机缸体采用喷水冷却，不但保证压缩介质温度在85℃以下，不会出现结焦，而且保障压缩过程安全并降低运行成本。目前，螺杆式压缩机在山西许村、成庄、昔阳等多个煤层气项目中得到应用，最大日处理量已达到22×10⁴m³/d。

对于日处理量，国内往复式压缩机可达到50×10⁴m³/d以上，而日处理量大于22×10⁴m³/d的螺杆式压缩机在国内尚没有应用的业绩。综合考虑工艺适用性、造价、运行成本及国内制造工艺，并借鉴以往工程项目经验，建议日处理量在15×10⁴m³/d以上的压缩机，宜采用往复式；15×10⁴m³/d及以下的压缩机，宜采用螺杆式。

2 压缩机驱动方式的选择

压缩机有电机驱动、燃气轮机驱动两种方式。电机驱动方式需要配置相应的输、配、变电系统，电动机的供电要求为一级负荷，受电网的制约较大，一般在对环保要求高、外部电网供电可靠、电价较便宜及电力供应充足的地区选用。燃气轮机驱动方式需配置相应的燃气系统、控制系统、启动系统和1套较小容量的输配电系统。燃气可直接取自附近的井口煤层气，对电网供电的需求量小，依赖性小。因此，燃气轮机驱动方式成为电网配置薄弱、电价较高和电力供应紧张地区的首选方式^[6]。两种压缩机驱动方式的技术经济性比较见表1。由表1可知，电动机具有工况适应性较好、耐用、易操作、造价低的优势，比燃气轮机具有优势。因此我们推荐采用电动机驱动压缩机，但对于供电系统难以覆盖的煤层气田，可以采取燃气发电机供电方式，不仅保证了压缩机的安全运行，而且可以直接使用井口煤层气。

3 供电方式的技术经济性比较

山西某煤层气田集气站设5台日处理量为15×10⁴m³/d的电动机驱动螺杆式压缩机，动力电10kV，(50±2)Hz，三相。该集气站选址位置距离已建110/35kV变电站约12km。拟采用电网供电、燃气发电机供电两种方式，下面分析两种供电方式的技术经济性。

由电网供电，集气站侧需建设1座35/10kV变电站，110/35kV变电站与35/10kV变电站间需架设35kV输电线路12km。输电线路自110/35kV变电站35kV母线引出，通过架设35kV双回路输电线路，到达35/10kV变电站。站内设两台35/10kV主变压器，两台主变压器分列运行，容量为2×5000kVA。电动机电源引自35/10kV变电站内10kV母线。

由燃气发电机供电，需安装5台电压等级为10kV、2000kW燃气发电机，4用1备。

两种供电方式的经济性比较见表2。电价为0.47元(kW·h)，气价为1.2元/m³，使用寿命为20年。由表2可知，对于该工程，采用电网供电比采用燃气发电机供电经济性优。但这两种供电方式有各自的优缺点：①电网供电。优点：造价低，可靠性高。缺点：集气站投运受变电站及线路建设期影响，运行费用受电价制约。②燃气发电机供电。优点：燃气自有，占地面积小，不受供电条件限制。缺点：造价高，2000kW燃气发电机供货时间较长(约1年)，燃气发电机运行维护费用较高，运行费用受气价影响。因此，应根据不同工程的实际情况，综合考虑技术经济性，选择供电方式。

4 结论

① 对于煤层气压缩机，当日处理量＞15×10⁴m³/d时，宜采用往复式；当日处理量≤15×10⁴m³/d时，宜采用螺杆式。

② 推荐采用电动机驱动压缩机，对于供电系统难以覆盖的煤层气田，可以采取燃气发电机供电方式。

参考文献：

[1] 王许涛，赵兴涛，张百良.平顶山矿区煤层气开发利用模式探讨[J].煤气与热力，2007，27(9)：56-59.

[2] 徐正康.煤层气在城市燃气中的利用[J].煤气与热力，2007，27(2)：38-40.

[3] 宋汉成，焦文玲，李娟娟，等.煤层气利用与输送的安全性[J].煤气与热力，2006，26(11)：8-11.

[4] 刘闯，于京春，齐明，等.煤层气利用技术方案研究[J].煤气与热力，2005，25(9)：62-64.

[5] 张存森.煤层气液化流程及技术现状[J].煤气与热力，2008，28(9)：B12-B14.

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

(本文作者：薛爱芹¹ 李延宗¹ 张莹² 1.中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司河北任丘 062552；2.中石油煤层气有限责任公司北京 100028)