地下储气库用高压离心式压缩机的应用探讨_李敏.pdf

油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENT收稿日期:2022-07-05作者简介:李敏(1981-)，男，浙江杭州人，高级工程师，硕士，主要从事压缩机、汽轮机等透平机械的应用、设计与研究工作。E-mail:minlia man-escom地下储气库用高压离心式压缩机的应用探讨李敏熊文凌罗晟曼恩机械有限公司，北京100010摘要:传统储气库的运营模式是保证冬季采暖需求，现代储气库的运营模式在保证季节供暖需求同时满足工业天然气消费需求。在“双碳”目标、天然气管网互联互通、天然气定价机制市场化等因素作用下，未来储气库的运营模式将会更灵活、响应速度更快。为了满足储气库响应市场需求的变化，有必要研究储气库设施中关键设备注气用高压离心式压缩机的发展;分析了往复式压缩机和离心式压缩机在地下储气库中应用效率的差别情况;阐述了高压离心式压缩机在地下储气库应用面临的技术难点和解决措施及实验验证，注气用高压离心式压缩机方案须基于掌握高压及超高压应用的技术核心和长期大量的经验、实验验证数据积累;介绍了面向未来的地下储气库注气用高压离心式压缩机解决方案集成式压缩机的特点。因此，高压离心式压缩机在现代地下储气库设施的应用逐渐普及，而集成式压缩机将会更适应未来地下储气库设施高度灵活、快速响应的运营需求。关键词:地下储气库;高压;大规模;往复式压缩机;离心式压缩机;集成式压缩机DOI:10.3969/jissn1006-5539.2023.01.006Discussion on application of high-pressure centrifugal compressorfor underground gas storageLI Min，XIONG Wenling，LUO ShengMAN Energy Solutions SE(MAN-ES)，Beijing，100010，ChinaAbstract:The traditional operating mode of gas storage is to ensure that the demand of heating inwinter，and the operation mode of modern gas storage shall meet the demand of industrial natural gasconsumption while ensuring seasonal heating demand Under the effect of factors such as the“doublecarbon”targets，natural gas pipeline network connectivity taking shape，and natural gas pricing mechanismmarketization，the future operating mode of gas storage will be more flexible and respond faster In order tomeet the change of gas storage in response to market demand，it is necessary to study the development ofgas injection high-pressure centrifugal compressor，the key equipment in gas storage facilities Theefficiency difference of reciprocating compressor and centrifugal compressor in underground gas storage isanalyzed Several technical challenges，solutions and test verification of high-pressure centrifugalcompressor applied in underground gas storage are illustrated The injection compressor solution should bebased on mastering the technical core of high-pressure and ultra-high-pressure application and long-termaccumulation of large amount of experience and experimental data Finally，the hermetically sealed oil-free14天然气与石油NATURAL GAS AND OIL2023年2月integrated turbocompressor is proposed as the future solution of underground gas storage injectioncompressor Thus，the application of high-pressure centrifugal compressors in modern underground gasstorage facilities is popularized，and the integrated compressor will be more suitable for the futureunderground gas storage facilities with high flexibility and quick response operation requirementsKeywords:Underground gas storage;High-pressure;Large scale;Reciprocating compressor;Centrifugal compressor;Hermetically sealed oil-free integrated turbocompressor0前言地下储气库是天然气生产调峰和天然气资源储备的最佳选择12。主要用于冬季供暖的传统天然气消费需求随季节性波动，因此在天然气管网和配气系统基础设施建设过程中必须考虑这种供需之间的波动。随着需求量的增大，这种需求波动幅度也越大。近 20 年来，天然气在工业领域的需求增长改变了天然气的使用模式和传统天然气用于冬季供暖的单极需求增长，这种变化要求现代的储气库设施具备短时间内的大流量吞吐能力，从自身利益角度出发，根据天然气市场价格波动频繁地进行快速、灵活、高效的存储和销售来管理天然气成本。应对并满足这些天然气供气新需求的关键设备就是高可靠性、高灵活性、快速响应的天然气地下储气库用压缩机。本文将讨论随着天然气地下储气库实际需求的变化导致压缩机在地下储气库中的应用现状和发展趋势，研究往复式压缩机和离心式压缩机在储气库中应用的效率差别，阐述离心式压缩机在储气库高压场合应用带来的技术难点、采取措施及实验验证，最后介绍面向未来灵活运营的地下储气库设施注气用高压离心式压缩机解决方案。1地下储气库压缩机应用现状及趋势无论是世界范围还是中国，地下储气库的建设与天然气管网建设几乎都是同步进行的。1999 年，随着陕京天然气管道的建设，中国开始筹建第一座调峰储气库 天津大港大张坨储气库。截至 2020 年底，中国已建成地下储气库(群)17 座，总计 30 座储气库，形成工作气量约 250.2108m3，调峰气量约 134.5108m33，工作气量约占总消费量的 4.3%左右，调峰气量约占总消费量的 2.3%，均远低于世界平均水平 12%和 11%。根据国家“十四五”规划，地下储气库将迎来建设高峰。中国的地下储气库建设起步晚，具有地质条件复杂、注采压力高、采出物组分复杂、注采系统弹性小等特点4。国内初期的储气库建设为探索阶段，储气库的需求主要是为了保证北方地区冬季的供暖，负荷变化周期性强，注气规模小，一般在 500104m3/d 以下;采气压力高，中国长输天然气管网运行压力大多为 1012 MPa，高于国外管网的运行压力 610 MPa;注气压力高，国内储气库埋藏埋深普遍大于 2 500 m，部分注气压力高达 40 MPa，而国外储气库注气压力大多不高于 25 MPa，高注气压力对注气设备的应用也提出了更高的技术要求。早期储气库注气设备选型多采用往复式压缩机来适应这种注采气量小、注气压力高的特点，在注气效率、操作灵活性等方面也具有一定的优势。从王铁军等人5 统计的国内已建地下储气库压缩机配置情况也可看出。进入 21 世纪以来，一方面以煤为基础能源导致的环境问题日益凸显，越来越多的能源使用大户选择在发电领域和化工领域以天然气代替煤，特别是对于新建的发电厂和化工厂，出现了天然气消费需求冬季供暖和工业应用双极增长，增长速度快到出现 2017 年以来连年的“天然气荒”，供需失衡是一个重要原因，另一方面，不同于传统供暖的季节性需求使用模式，配合管网的供气能力完成一个年度的注采周期，在分布式天然气领域，地下储气库需综合考虑消费需求以及平抑天然气价格波动和能源安全储备等功能，根据需求及市场价格进行更加灵活地运营，这种灵活性既要保证传统季节供应的安全性，又要使储气库使用方可以根据当前天然气市场决定购买、储存、销售天然气来管理自己的气体成本。在两方面需求的推动下，为了保证天然气供应，国内储气库建设出现了单个大规模储气库。已建成的辽河油田双 6 储气库和华北油田苏桥储气库工作气量均接近 20108m3，注气规模均超过 1 000104m3/d。这两个储气库采用 8 台电驱往复式压缩机，不仅设备数量多、占地面积大、投资成本高，且设备后期运维费用高，已经无法满足大规模地下储气库对注气设备的大注气量、高度灵活性、高可靠性的使用需求。例如陈月娥等人6 就对呼图壁储气库注气用压缩机的运行故障问题作过分析及改造。为了适应大规模地下储气库(群)对注气设备提出的新要求，使用方开始寻求离心式压缩机替代往复式压缩机以减少设备数量，提高运行可靠性。辽河油田和新疆油田在后期储气库(群)建设中开始采用高压离心式压缩机，单台注气规模接近 1 000104m3/d，注气压力超过 30 MPa，1 台或 2 台压缩机即可满足使用需求且无需备机。24油气储运与处理第41卷第1期OIL&GAS GATHERING,TRANSPORTATION AND TREATMENT2021 年国家能源局石油天然气司发布的中国天然气发展报告 指出，中国天然气产供储销体系取得阶段性成效，四大进口战略通道全面建成，国内管网骨架基本形成，干线管道互联互通基本实现，全国天然气管道总里程达到约 11104km。在国内天然气管网互联互通初具规模，天然气定价机制逐步市场化的背景下，将导致储气库设施必须通过更灵活的操作范围(流量和压力)、更快速的响应能力(对变工况的响应时间和频繁启停)进行气体调度，快速地在气体接收、储备、销售与价格之间找到平衡。相对之前较为固定的储气库运营模式，更看重一次投资成本，未来需要灵活运营的储气库对全生命周期成本的管理就显得尤为重要，这对地下储气库关键设备 注气用压缩机在极高的可靠性、快速的响应性、宽范围的操作性、免维护性等方面提出了前所未有的挑战。此外，随着“双碳”目标的提出，国内的环保措施越来越严格，传统的离心式压缩机即便采用了干气密封，也不可避免地存在各种碳氢化合物气体及凝液的持续泄漏、排放。由此，原始设备制造商(OriginalEquipment Manufacturer，OEM)相继研发面向未来的高速电机驱动的完全密封的无油集成式压缩机，如德国MAN-ES 公司的 HOFIM 和 MOPICO 机型