【壓縮機網(wǎng)】基于南海某大型氣田的實(shí)際工程需求，作者對多種工況下大型氣田外輸離心壓縮機進(jìn)行選型設計進(jìn)行分析說(shuō)明。在壓縮機選型設計時(shí)考慮了實(shí)際配產(chǎn)的逐年流量和壓力以及z*大規模下的流量與壓力。同時(shí)，海洋平臺對機組的數量要求嚴格，過(guò)多的機組數量將導致平臺面積增大，采用較少的機組并滿(mǎn)足所有工況點(diǎn)的運行才是合理可行的選型方案。本文通過(guò)選型分析，論證了在減少機組數量的前提下，完成海上平臺外輸壓縮機組的合理與配置，機組選型兼顧了實(shí)際配產(chǎn)與設計規模，該方案不僅降低了項目投資，還使得機組在不同運行工況下保持較高的運行效率。
引言
南海是我國海上z*大的天然氣生產(chǎn)基地，隨著(zhù)勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)步和工作量進(jìn)一步增加，預計未來(lái)南海天然氣儲量和生產(chǎn)能力將會(huì )快速增長(cháng)。同時(shí)，隨著(zhù)深水開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的海上天然氣也將被開(kāi)發(fā)出來(lái)[1]。2006年，在位于南海珠江口盆地深水區的某構造區塊獲得了重大天然氣發(fā)現，預測地質(zhì)儲量規模為1000×108～1500×108m3。該構造位置深1500m，這標志著(zhù)我國海上油氣勘探作業(yè)領(lǐng)域實(shí)現了由淺水向深水的跨越，也迎來(lái)了南海深水勘探的熱潮。目前,深水油氣田的勘探開(kāi)發(fā)已成為世界跨國石油公司的投資熱點(diǎn),而深水油氣勘探開(kāi)發(fā)也將成為我國海上未來(lái)z*重要的領(lǐng)域之一[2] 。
該大型氣田離淺水區不到100km，因而應該采取水下井口的方式對該氣田進(jìn)行開(kāi)發(fā)（圖1） ：將開(kāi)采出的油氣混合物通過(guò)管線(xiàn)沿陸坡輸送到淺海，在淺海區域建立固定平臺進(jìn)行處理，再將天然氣輸送到陸地。這樣既可以加快油氣田的開(kāi)采速度，又可以降低開(kāi)發(fā)成本。
該模式已經(jīng)形成南海天然氣開(kāi)發(fā)的主要模式，對于淺海區域的固定平臺，將作為深水天然氣輸往終端的加壓站，為深水天然氣的增壓輸送起到了至關(guān)重要的作用。此中轉增壓平臺的增壓工況既要考慮深水氣田開(kāi)發(fā)的復雜性，又要為周邊其他氣田接入預留一定的能力，同時(shí)還需要考慮機組數量和重量對平臺面積及重量的影響，因此外輸壓縮機的設計極其復雜[3-4]。
配置原則
外輸氣壓縮機位于海洋平臺上，該平臺屬于天然氣中轉平臺，接收周邊各深水氣田的天然氣，如圖2所示。
按照目前的工藝設置，中轉平臺接收來(lái)自氣區1的天然氣（濕氣），進(jìn)行脫水處理，同時(shí)接收來(lái)自氣區2的天然氣（干氣），兩者混合后經(jīng)增壓一同輸往陸上終端，此外，設計時(shí)還需要考慮預留氣區的接入。海洋平臺區別于陸上的一個(gè)重要因素是空間限制，采用較多的機組固然可以提高靈活性，但是會(huì )造成平臺面積過(guò)大，成本大增，因此本壓縮機的配置原則如下：
1）滿(mǎn)足工藝條件要求；
2）減少平臺壓縮機臺數，控制平臺設備重量（在海洋工程項目中，重量的控制是項目管理中極其重要的一項內容，重量控制的好壞直接影響整個(gè)項目是否成功[5]）；
3）合理處理實(shí)際產(chǎn)量與預留之間的關(guān)系（實(shí)際產(chǎn)量與平臺預留規模存在較大的差異）；
4）提高機組運行效率、節能減排。
工況分析
由于氣田開(kāi)發(fā)項目海上工程分兩期建設，一期設計規模為濕氣增壓80億方/年，干氣增壓100億方/年，二期建成后總設計規模達到濕氣增壓120億方/年，干氣增壓120億方/年[2]。但是初期投產(chǎn)時(shí)，氣區1和氣區2的實(shí)際產(chǎn)量只有50億方/年，長(cháng)距離、多工況海上增壓系統的設計是本項目的主要任務(wù)。本中轉平臺的壓縮流程如圖3所示。
圖中流程1：
由于2013～2015年，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力較高，約為7500kPa（G），因此，天然氣直接進(jìn)入三甘醇脫水塔，經(jīng)三甘醇脫水后與來(lái)自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機增壓外輸。
圖中流程2：
從2016年開(kāi)始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力降為2500kPa（G），此時(shí)，需設置濕氣壓縮機，天然氣經(jīng)濕氣壓縮機增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來(lái)自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機增壓外輸。
圖中流程3：
預計從2019年開(kāi)始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力將降為1000kPa（G）（與此同時(shí)產(chǎn)量也有所下降），此時(shí)需增設預增壓壓縮機，天然氣壓力被增壓升至2500kPa（G），然后進(jìn)入濕氣壓縮機增壓，增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來(lái)自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機增壓外輸。
由于濕氣壓縮機的壓比穩定，只進(jìn)行簡(jiǎn)單流量分配即可，本文著(zhù)重分析干氣壓縮機的選型設計，在干氣壓縮機的設計時(shí)必須考慮以上所有工況，其工況匯總如下：實(shí)際配產(chǎn)的逐年氣量及外輸壓力；設計規模下的逐年氣量及外輸壓力。
本平臺設計時(shí)，外輸管道的管徑z*終確定為762mm，在外輸管道管徑確定的情況下，外輸壓力隨著(zhù)輸氣量的增加而增加，通過(guò)計算得出，外輸氣量為50億方/年時(shí)，外輸壓力約為11.2MPa（G）；外輸氣量為100億方/年時(shí)，外輸壓力約為19.5MPa（G）；外輸氣量達到120億方/年時(shí)，外輸壓力將達到22.8MPa（G），可以看出，其外輸壓力增加了一倍以上。同時(shí)，在考慮實(shí)際配產(chǎn)時(shí)，還需要考慮逐年的變化量，在可以確定的投產(chǎn)氣量中，2021年，氣量將下降到31億方/年，此時(shí)的外輸壓力僅為8.9MPa（G）。實(shí)際配產(chǎn)的逐年輸氣量及外輸壓力見(jiàn)圖4所示，從圖中可以看出，壓比變化范圍為1.2～1.6；實(shí)際工況點(diǎn)與設計工況點(diǎn)的對比見(jiàn)圖5所示，點(diǎn)1表示實(shí)際配產(chǎn)時(shí)的輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)2和3表示中間選取校核流量情況下的外輸氣量和外輸壓力（66億方/年和86億方/年），點(diǎn)4為設計規模達到100億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)5表示設計規模達到120億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，從圖中可以看出，統籌考慮實(shí)際配產(chǎn)和設計規模時(shí)，其外輸壓力和壓比變化范圍過(guò)大，壓力從1.58變化到3.2。
本項目的難點(diǎn)在于，如何在滿(mǎn)足設計規模的條件下兼容z*小氣量要求。機組要求能夠滿(mǎn)足流量變化30～120億方/年的處理范圍，同時(shí)又對壓縮機的臺數有嚴格的限制，成為本項目的設計瓶頸[7] 。
選型分析
離心壓縮機都有一個(gè)可以保證壓縮機穩定運行的工況范圍[8]。通常情況下，壓縮機的選型目標為：1)希望效率z*高；2)希望工況范圍覆蓋盡量大；3)希望有z*低的成本；4)希望設備數量z*少。事實(shí)上，無(wú)論從優(yōu)化的理論分析或是從實(shí)際設計考慮，這幾個(gè)目標是不可能同時(shí)達到z*優(yōu)的[9]。
本項目也是如此，壓縮機的選型原則和工況適應性是不能同時(shí)達到z*優(yōu)的，如果考慮選型原則，為了減少平臺面積，必須減少運行的機組數量；如果考慮工況的適應性，其運行工況點(diǎn)多，參數變化大，必須設置較多的機組，才能夠使機組在較高的效率點(diǎn)運行，并能覆蓋著(zhù)所有工況點(diǎn)。本項目在與外方簽訂合同時(shí)，明確要求投產(chǎn)建造時(shí)，必須滿(mǎn)足一期的設計工況，即能夠達到100億方/年的壓縮能力，因此壓縮機的配置也必須能夠在該工況下運行[10]。
表1列出了逐年氣量變化情況下及設計工況下干氣壓縮機組的壓比及所需的總軸功率。
從表1中可以看成，干氣壓縮機壓比變化范圍太大，只能采用分級壓縮，或者更換機組及后期換芯的方式實(shí)現，針對兩種不同的配置方式，進(jìn)行以下詳細比較。
1、方案一
由于壓比高，對干氣壓縮進(jìn)行兩級壓縮配置。綜合一期、二期外輸壓力要求，充分照顧壓比均分原則，按干氣一級壓縮機進(jìn)口壓力7.13MPa（G），出口19.5MPa（G）考慮，壓比2.71。干氣二級壓縮機進(jìn)口壓力19.5MPa（G），出口22.8MPa（G），壓比1.17。
1.1 干氣一級壓縮機
單臺流量約為25億方/年。按功率均分，驅動(dòng)器選擇10MW等級燃汽輪機。一期考慮設置5臺機組，滿(mǎn)足一期外輸流量100億方/年時(shí)，4臺機組運行，1臺備用。滿(mǎn)足z*初投產(chǎn)時(shí)，2臺機組運行，3臺備用。二期預留1臺相同規格的壓縮機，二期達到120億方/年規模時(shí)，5臺機組運行，1臺備用。
1.2 干氣二級壓縮機
干氣二級壓縮機為二期預留壓縮機組，當產(chǎn)量超過(guò)100億方/年時(shí)，需要設置干氣二級壓縮機，用來(lái)給干氣一級壓縮機出口干氣增壓。單臺流量約為120億方/年，共設置2臺，1用1備，驅動(dòng)器選擇10MW等級燃機。
1.3 匯總
方案一中，一期需要配置5臺機組，驅動(dòng)器規模約在10MW級別，二期需要設置3臺機組，驅動(dòng)器規模約在10MW級別。同時(shí)還需配置2臺后期的預增壓壓縮機，即方案一壓縮機總共需要設置10臺壓縮機組，單臺機組規模約為10MW級別。
2、方案二
由于可見(jiàn)產(chǎn)量遠達不到一期及二期規模，因此，前期在壓縮機的配置上充分考慮目前實(shí)際的配產(chǎn)情況，并為后期預留一定的空間。
根據實(shí)際配產(chǎn)的情況，機組的軸功率較小，不到10MW，且2013年到2018年機組流量運行較為穩定，在46～50億方/年，2019年到2022年流量穩定在30億方/年上下。根據項目需要，50億方/年和66億方/年流量是項目投產(chǎn)后z*有可能實(shí)現的工況點(diǎn)，而86億方/年、100億方/年和120 億方/年是項目的關(guān)鍵設計點(diǎn)，因此保證這些流量點(diǎn)應具有較高的壓縮機效率和燃機負荷率。
綜合考慮流量、壓比及實(shí)際配產(chǎn)情況，考慮配置2大2小的組合方案，即2臺小機組（10MW）滿(mǎn)足實(shí)際配產(chǎn)的運行工況，且機組處于比較高效的運行區間，2臺大機組(25MW)能夠兼顧實(shí)際配產(chǎn)的運行，同時(shí)可以滿(mǎn)足100億方/年的外輸能力，此時(shí)需要增加1臺機組作為備用，二期產(chǎn)量能夠達到120億方/年時(shí)，將3臺大機組機芯進(jìn)行更換，增加壓比，同時(shí)再增加1臺大機組作為備用，而2臺小機組將考慮作為濕氣預增壓使用。因此，方案二總共需要配置6臺壓縮機組，其中2臺為預增壓壓縮機。這種方案針對不同階段特點(diǎn)采用不同的壓縮機策略方案，z*大優(yōu)點(diǎn)是: 1) 資源配置合理: 前期按照實(shí)際配產(chǎn)進(jìn)行配置，待氣量得到落實(shí)后進(jìn)一步設置機組；2) 壓縮機臺數少。
3、選型結論
從分析結果可以看出，方案一和方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)。
方案一機組適應范圍較廣，一期按規模設置的機組能夠滿(mǎn)足前6年的實(shí)際配產(chǎn)要求，且達到100億規模時(shí)不需更換機組。但是方案一有以下缺點(diǎn)；
1）由于按照100億方/年規模的外輸壓力設置一級壓縮機，其壓比高達2.71，當實(shí)際配產(chǎn)為50億方/年時(shí)，運行工況下，壓比只有1.56，使得機組處于低效工況下運行，燃機效率也較低，增加了平臺的能耗，在氣量得不到落實(shí)的情況下，機組將長(cháng)期處于高能耗階段；
2）機組數量較多，機組數量達到了10臺，平臺占地面積較大，總重量較大，對平臺結構的影響較大，也造成平臺投資的增加；
3）一級壓縮機按照高壓頭設置，當流量小于50億方/年時(shí)，外輸壓頭降低，壓縮機無(wú)法正常運行，必須提高壓頭，然后降壓外輸。
方案二的優(yōu)點(diǎn)如下：
1）2臺小壓縮機組滿(mǎn)足實(shí)際配產(chǎn)需求，機組效率高，運行工況點(diǎn)好，機組占地空間小，待后期氣量落實(shí)后，2臺小壓縮機被4臺大壓縮機組替換，2臺小壓縮機組作為濕氣預增壓壓縮機使用；
2）2臺小機組工作范圍內，壓比在1.51～1.57，換芯后壓比在1.20～1.30，運行工作點(diǎn)相對集中，機組轉速穩定，逐年變化小，機組效率高；
3）4臺大機組在工作范圍內，壓比在2.02～3.19，壓比在壓縮機可調范圍內，運行較為穩定，覆蓋工況多。能夠滿(mǎn)足后期不同流量及壓比的運行條件；
4） 該配置方案不僅減少了壓縮機臺數，而且有效的預防了在氣量得不到落實(shí)的情況下，一期盲目購買(mǎi)過(guò)多機組的風(fēng)險。
其缺點(diǎn)為：
1）管線(xiàn)配置較為復雜；
2）一期氣量達到100億方/年運行時(shí)，需要更換機組，對平臺的改造較為復雜。
綜合比較來(lái)看，方案二在機組數量、投資及運行工況上均具有優(yōu)勢，且能夠同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)際配產(chǎn)與設計規模的運行工況，小機組的運行效率較高，壓縮機處于高效區運行，只是在實(shí)現操作過(guò)程中需要進(jìn)行更換機組和機芯，是能夠通過(guò)現場(chǎng)解決的，故推薦采用方案二作為干氣壓縮機配置方案，機組配置情況如圖6所示。
運行工況點(diǎn)分析
雖然方案二的機組數量z*少，但是由于機組的運行覆蓋范圍太廣，機組能否滿(mǎn)足所有工況點(diǎn)的運行條件，還需要進(jìn)一步論證。根據z*終選擇的機組方案，對其運行的各工況點(diǎn)進(jìn)行詳細分析，圖7為小機組和大機組的性能曲線(xiàn)圖，圖中下面左側的性能曲線(xiàn)為小機組性能曲線(xiàn)，上部的為大機組性能曲線(xiàn)。
如圖7所示，下部50億的點(diǎn)為實(shí)際配產(chǎn)流量下的運行點(diǎn)，此時(shí)，2臺小機組運行，單臺機組流量約為25億方/年；當產(chǎn)量為66億方/年時(shí)，小機組運行工況區間為圖中標志壓比為2.02的橫線(xiàn)（在小機組性能曲線(xiàn)內），此時(shí)小機組流量區間約為25～29億方/年，同種工況下，大機組運行工況區間為圖中標志壓比為2.02的橫線(xiàn)（在大機組性能曲線(xiàn)內），此時(shí)大機組流量區間約為37～41億方/年；當流量超過(guò)66億方/年時(shí)，需要新增1臺大壓縮機組，在校核點(diǎn)工況，即86億方/年工況下，2臺大機組運行，單臺機組流量約為43億方/年；在一期設計工況點(diǎn)2，即100億方/年產(chǎn)量時(shí)，2臺大壓縮機組運行，單臺流量約為50億方/年；在二期工況時(shí)，再新增1臺大壓縮機組，單臺機組流量約為40億方/年。
下面對在50億方/年工況下大機組給小機組備用的工況進(jìn)行分析，如大壓縮機性能曲線(xiàn)所示，當大機組給小機組做備用時(shí)，考慮大機組在32億方/年的流量下運行，其外輸壓力約為11 200kPa（G），運行點(diǎn)將落在大壓縮機運行曲線(xiàn)內，此時(shí)，小壓縮機的流量為18億方/年，也能夠正常運行。不過(guò)此時(shí)壓縮機運行點(diǎn)在運行曲線(xiàn)的邊緣，但仍能包含在曲線(xiàn)范圍內，大機組轉速約為額定轉速的60%，小機組轉速約為額定轉速的70%。上述分析說(shuō)明，在該工況下大機組可以給小機組作為備用。如果參數稍有變化，其運行點(diǎn)跳出性能曲線(xiàn)運行范圍，也可以通過(guò)節流或打回流的方式來(lái)實(shí)現備用。
通過(guò)分析，所選壓縮機在實(shí)際配產(chǎn)及設計工況下均可以正常運行，機組的運行情況匯總如表2所示。
結論
1）本文詳細分析了多工況下大型離心壓縮機的選型設計，結合工程實(shí)際應用，選擇出適合本項目的外輸天然氣壓縮機組配置方案；
2）對于實(shí)際配產(chǎn)與設計規模差距較大的外輸氣壓縮機選型設計，可采用大、小機組相結合的設計理念，充分利用小機組的便利性，提高機組運行效率，同時(shí)采用大機組作為補充，當氣量提升時(shí)，可切換到大機組運行。
參考文獻
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引言
南海是我國海上z*大的天然氣生產(chǎn)基地，隨著(zhù)勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)步和工作量進(jìn)一步增加，預計未來(lái)南海天然氣儲量和生產(chǎn)能力將會(huì )快速增長(cháng)。同時(shí)，隨著(zhù)深水開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的海上天然氣也將被開(kāi)發(fā)出來(lái)[1]。2006年，在位于南海珠江口盆地深水區的某構造區塊獲得了重大天然氣發(fā)現，預測地質(zhì)儲量規模為1000×108～1500×108m3。該構造位置深1500m，這標志著(zhù)我國海上油氣勘探作業(yè)領(lǐng)域實(shí)現了由淺水向深水的跨越，也迎來(lái)了南海深水勘探的熱潮。目前,深水油氣田的勘探開(kāi)發(fā)已成為世界跨國石油公司的投資熱點(diǎn),而深水油氣勘探開(kāi)發(fā)也將成為我國海上未來(lái)z*重要的領(lǐng)域之一[2] 。
該大型氣田離淺水區不到100km，因而應該采取水下井口的方式對該氣田進(jìn)行開(kāi)發(fā)（圖1） ：將開(kāi)采出的油氣混合物通過(guò)管線(xiàn)沿陸坡輸送到淺海，在淺海區域建立固定平臺進(jìn)行處理，再將天然氣輸送到陸地。這樣既可以加快油氣田的開(kāi)采速度，又可以降低開(kāi)發(fā)成本。
該模式已經(jīng)形成南海天然氣開(kāi)發(fā)的主要模式，對于淺海區域的固定平臺，將作為深水天然氣輸往終端的加壓站，為深水天然氣的增壓輸送起到了至關(guān)重要的作用。此中轉增壓平臺的增壓工況既要考慮深水氣田開(kāi)發(fā)的復雜性，又要為周邊其他氣田接入預留一定的能力，同時(shí)還需要考慮機組數量和重量對平臺面積及重量的影響，因此外輸壓縮機的設計極其復雜[3-4]。
配置原則
外輸氣壓縮機位于海洋平臺上，該平臺屬于天然氣中轉平臺，接收周邊各深水氣田的天然氣，如圖2所示。
按照目前的工藝設置，中轉平臺接收來(lái)自氣區1的天然氣（濕氣），進(jìn)行脫水處理，同時(shí)接收來(lái)自氣區2的天然氣（干氣），兩者混合后經(jīng)增壓一同輸往陸上終端，此外，設計時(shí)還需要考慮預留氣區的接入。海洋平臺區別于陸上的一個(gè)重要因素是空間限制，采用較多的機組固然可以提高靈活性，但是會(huì )造成平臺面積過(guò)大，成本大增，因此本壓縮機的配置原則如下：
1）滿(mǎn)足工藝條件要求；
2）減少平臺壓縮機臺數，控制平臺設備重量（在海洋工程項目中，重量的控制是項目管理中極其重要的一項內容，重量控制的好壞直接影響整個(gè)項目是否成功[5]）；
3）合理處理實(shí)際產(chǎn)量與預留之間的關(guān)系（實(shí)際產(chǎn)量與平臺預留規模存在較大的差異）；
4）提高機組運行效率、節能減排。
工況分析
由于氣田開(kāi)發(fā)項目海上工程分兩期建設，一期設計規模為濕氣增壓80億方/年，干氣增壓100億方/年，二期建成后總設計規模達到濕氣增壓120億方/年，干氣增壓120億方/年[2]。但是初期投產(chǎn)時(shí)，氣區1和氣區2的實(shí)際產(chǎn)量只有50億方/年，長(cháng)距離、多工況海上增壓系統的設計是本項目的主要任務(wù)。本中轉平臺的壓縮流程如圖3所示。
圖中流程1：
由于2013～2015年，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力較高，約為7500kPa（G），因此，天然氣直接進(jìn)入三甘醇脫水塔，經(jīng)三甘醇脫水后與來(lái)自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機增壓外輸。
圖中流程2：
從2016年開(kāi)始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力降為2500kPa（G），此時(shí)，需設置濕氣壓縮機，天然氣經(jīng)濕氣壓縮機增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來(lái)自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機增壓外輸。
圖中流程3：
預計從2019年開(kāi)始，深水氣田1濕氣登陸中心平臺壓力將降為1000kPa（G）（與此同時(shí)產(chǎn)量也有所下降），此時(shí)需增設預增壓壓縮機，天然氣壓力被增壓升至2500kPa（G），然后進(jìn)入濕氣壓縮機增壓，增壓后進(jìn)入三甘醇脫水塔，再與來(lái)自氣田2的干氣匯合后，由干氣壓縮機增壓外輸。
由于濕氣壓縮機的壓比穩定，只進(jìn)行簡(jiǎn)單流量分配即可，本文著(zhù)重分析干氣壓縮機的選型設計，在干氣壓縮機的設計時(shí)必須考慮以上所有工況，其工況匯總如下：實(shí)際配產(chǎn)的逐年氣量及外輸壓力；設計規模下的逐年氣量及外輸壓力。
本平臺設計時(shí)，外輸管道的管徑z*終確定為762mm，在外輸管道管徑確定的情況下，外輸壓力隨著(zhù)輸氣量的增加而增加，通過(guò)計算得出，外輸氣量為50億方/年時(shí)，外輸壓力約為11.2MPa（G）；外輸氣量為100億方/年時(shí)，外輸壓力約為19.5MPa（G）；外輸氣量達到120億方/年時(shí)，外輸壓力將達到22.8MPa（G），可以看出，其外輸壓力增加了一倍以上。同時(shí)，在考慮實(shí)際配產(chǎn)時(shí)，還需要考慮逐年的變化量，在可以確定的投產(chǎn)氣量中，2021年，氣量將下降到31億方/年，此時(shí)的外輸壓力僅為8.9MPa（G）。實(shí)際配產(chǎn)的逐年輸氣量及外輸壓力見(jiàn)圖4所示，從圖中可以看出，壓比變化范圍為1.2～1.6；實(shí)際工況點(diǎn)與設計工況點(diǎn)的對比見(jiàn)圖5所示，點(diǎn)1表示實(shí)際配產(chǎn)時(shí)的輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)2和3表示中間選取校核流量情況下的外輸氣量和外輸壓力（66億方/年和86億方/年），點(diǎn)4為設計規模達到100億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，點(diǎn)5表示設計規模達到120億方/年時(shí)的外輸氣量和外輸壓力，從圖中可以看出，統籌考慮實(shí)際配產(chǎn)和設計規模時(shí)，其外輸壓力和壓比變化范圍過(guò)大，壓力從1.58變化到3.2。
本項目的難點(diǎn)在于，如何在滿(mǎn)足設計規模的條件下兼容z*小氣量要求。機組要求能夠滿(mǎn)足流量變化30～120億方/年的處理范圍，同時(shí)又對壓縮機的臺數有嚴格的限制，成為本項目的設計瓶頸[7] 。
選型分析
離心壓縮機都有一個(gè)可以保證壓縮機穩定運行的工況范圍[8]。通常情況下，壓縮機的選型目標為：1)希望效率z*高；2)希望工況范圍覆蓋盡量大；3)希望有z*低的成本；4)希望設備數量z*少。事實(shí)上，無(wú)論從優(yōu)化的理論分析或是從實(shí)際設計考慮，這幾個(gè)目標是不可能同時(shí)達到z*優(yōu)的[9]。
本項目也是如此，壓縮機的選型原則和工況適應性是不能同時(shí)達到z*優(yōu)的，如果考慮選型原則，為了減少平臺面積，必須減少運行的機組數量；如果考慮工況的適應性，其運行工況點(diǎn)多，參數變化大，必須設置較多的機組，才能夠使機組在較高的效率點(diǎn)運行，并能覆蓋著(zhù)所有工況點(diǎn)。本項目在與外方簽訂合同時(shí)，明確要求投產(chǎn)建造時(shí)，必須滿(mǎn)足一期的設計工況，即能夠達到100億方/年的壓縮能力，因此壓縮機的配置也必須能夠在該工況下運行[10]。
表1列出了逐年氣量變化情況下及設計工況下干氣壓縮機組的壓比及所需的總軸功率。
從表1中可以看成，干氣壓縮機壓比變化范圍太大，只能采用分級壓縮，或者更換機組及后期換芯的方式實(shí)現，針對兩種不同的配置方式，進(jìn)行以下詳細比較。
1、方案一
由于壓比高，對干氣壓縮進(jìn)行兩級壓縮配置。綜合一期、二期外輸壓力要求，充分照顧壓比均分原則，按干氣一級壓縮機進(jìn)口壓力7.13MPa（G），出口19.5MPa（G）考慮，壓比2.71。干氣二級壓縮機進(jìn)口壓力19.5MPa（G），出口22.8MPa（G），壓比1.17。
1.1 干氣一級壓縮機
單臺流量約為25億方/年。按功率均分，驅動(dòng)器選擇10MW等級燃汽輪機。一期考慮設置5臺機組，滿(mǎn)足一期外輸流量100億方/年時(shí)，4臺機組運行，1臺備用。滿(mǎn)足z*初投產(chǎn)時(shí)，2臺機組運行，3臺備用。二期預留1臺相同規格的壓縮機，二期達到120億方/年規模時(shí)，5臺機組運行，1臺備用。
1.2 干氣二級壓縮機
干氣二級壓縮機為二期預留壓縮機組，當產(chǎn)量超過(guò)100億方/年時(shí)，需要設置干氣二級壓縮機，用來(lái)給干氣一級壓縮機出口干氣增壓。單臺流量約為120億方/年，共設置2臺，1用1備，驅動(dòng)器選擇10MW等級燃機。
1.3 匯總
方案一中，一期需要配置5臺機組，驅動(dòng)器規模約在10MW級別，二期需要設置3臺機組，驅動(dòng)器規模約在10MW級別。同時(shí)還需配置2臺后期的預增壓壓縮機，即方案一壓縮機總共需要設置10臺壓縮機組，單臺機組規模約為10MW級別。
2、方案二
由于可見(jiàn)產(chǎn)量遠達不到一期及二期規模，因此，前期在壓縮機的配置上充分考慮目前實(shí)際的配產(chǎn)情況，并為后期預留一定的空間。
根據實(shí)際配產(chǎn)的情況，機組的軸功率較小，不到10MW，且2013年到2018年機組流量運行較為穩定，在46～50億方/年，2019年到2022年流量穩定在30億方/年上下。根據項目需要，50億方/年和66億方/年流量是項目投產(chǎn)后z*有可能實(shí)現的工況點(diǎn)，而86億方/年、100億方/年和120 億方/年是項目的關(guān)鍵設計點(diǎn)，因此保證這些流量點(diǎn)應具有較高的壓縮機效率和燃機負荷率。
綜合考慮流量、壓比及實(shí)際配產(chǎn)情況，考慮配置2大2小的組合方案，即2臺小機組（10MW）滿(mǎn)足實(shí)際配產(chǎn)的運行工況，且機組處于比較高效的運行區間，2臺大機組(25MW)能夠兼顧實(shí)際配產(chǎn)的運行，同時(shí)可以滿(mǎn)足100億方/年的外輸能力，此時(shí)需要增加1臺機組作為備用，二期產(chǎn)量能夠達到120億方/年時(shí)，將3臺大機組機芯進(jìn)行更換，增加壓比，同時(shí)再增加1臺大機組作為備用，而2臺小機組將考慮作為濕氣預增壓使用。因此，方案二總共需要配置6臺壓縮機組，其中2臺為預增壓壓縮機。這種方案針對不同階段特點(diǎn)采用不同的壓縮機策略方案，z*大優(yōu)點(diǎn)是: 1) 資源配置合理: 前期按照實(shí)際配產(chǎn)進(jìn)行配置，待氣量得到落實(shí)后進(jìn)一步設置機組；2) 壓縮機臺數少。
3、選型結論
從分析結果可以看出，方案一和方案二各有優(yōu)缺點(diǎn)。
方案一機組適應范圍較廣，一期按規模設置的機組能夠滿(mǎn)足前6年的實(shí)際配產(chǎn)要求，且達到100億規模時(shí)不需更換機組。但是方案一有以下缺點(diǎn)；
1）由于按照100億方/年規模的外輸壓力設置一級壓縮機，其壓比高達2.71，當實(shí)際配產(chǎn)為50億方/年時(shí)，運行工況下，壓比只有1.56，使得機組處于低效工況下運行，燃機效率也較低，增加了平臺的能耗，在氣量得不到落實(shí)的情況下，機組將長(cháng)期處于高能耗階段；
2）機組數量較多，機組數量達到了10臺，平臺占地面積較大，總重量較大，對平臺結構的影響較大，也造成平臺投資的增加；
3）一級壓縮機按照高壓頭設置，當流量小于50億方/年時(shí)，外輸壓頭降低，壓縮機無(wú)法正常運行，必須提高壓頭，然后降壓外輸。
方案二的優(yōu)點(diǎn)如下：
1）2臺小壓縮機組滿(mǎn)足實(shí)際配產(chǎn)需求，機組效率高，運行工況點(diǎn)好，機組占地空間小，待后期氣量落實(shí)后，2臺小壓縮機被4臺大壓縮機組替換，2臺小壓縮機組作為濕氣預增壓壓縮機使用；
2）2臺小機組工作范圍內，壓比在1.51～1.57，換芯后壓比在1.20～1.30，運行工作點(diǎn)相對集中，機組轉速穩定，逐年變化小，機組效率高；
3）4臺大機組在工作范圍內，壓比在2.02～3.19，壓比在壓縮機可調范圍內，運行較為穩定，覆蓋工況多。能夠滿(mǎn)足后期不同流量及壓比的運行條件；
4） 該配置方案不僅減少了壓縮機臺數，而且有效的預防了在氣量得不到落實(shí)的情況下，一期盲目購買(mǎi)過(guò)多機組的風(fēng)險。
其缺點(diǎn)為：
1）管線(xiàn)配置較為復雜；
2）一期氣量達到100億方/年運行時(shí)，需要更換機組，對平臺的改造較為復雜。
綜合比較來(lái)看，方案二在機組數量、投資及運行工況上均具有優(yōu)勢，且能夠同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)際配產(chǎn)與設計規模的運行工況，小機組的運行效率較高，壓縮機處于高效區運行，只是在實(shí)現操作過(guò)程中需要進(jìn)行更換機組和機芯，是能夠通過(guò)現場(chǎng)解決的，故推薦采用方案二作為干氣壓縮機配置方案，機組配置情況如圖6所示。
運行工況點(diǎn)分析
雖然方案二的機組數量z*少，但是由于機組的運行覆蓋范圍太廣，機組能否滿(mǎn)足所有工況點(diǎn)的運行條件，還需要進(jìn)一步論證。根據z*終選擇的機組方案，對其運行的各工況點(diǎn)進(jìn)行詳細分析，圖7為小機組和大機組的性能曲線(xiàn)圖，圖中下面左側的性能曲線(xiàn)為小機組性能曲線(xiàn)，上部的為大機組性能曲線(xiàn)。
如圖7所示，下部50億的點(diǎn)為實(shí)際配產(chǎn)流量下的運行點(diǎn)，此時(shí)，2臺小機組運行，單臺機組流量約為25億方/年；當產(chǎn)量為66億方/年時(shí)，小機組運行工況區間為圖中標志壓比為2.02的橫線(xiàn)（在小機組性能曲線(xiàn)內），此時(shí)小機組流量區間約為25～29億方/年，同種工況下，大機組運行工況區間為圖中標志壓比為2.02的橫線(xiàn)（在大機組性能曲線(xiàn)內），此時(shí)大機組流量區間約為37～41億方/年；當流量超過(guò)66億方/年時(shí)，需要新增1臺大壓縮機組，在校核點(diǎn)工況，即86億方/年工況下，2臺大機組運行，單臺機組流量約為43億方/年；在一期設計工況點(diǎn)2，即100億方/年產(chǎn)量時(shí)，2臺大壓縮機組運行，單臺流量約為50億方/年；在二期工況時(shí)，再新增1臺大壓縮機組，單臺機組流量約為40億方/年。
下面對在50億方/年工況下大機組給小機組備用的工況進(jìn)行分析，如大壓縮機性能曲線(xiàn)所示，當大機組給小機組做備用時(shí)，考慮大機組在32億方/年的流量下運行，其外輸壓力約為11 200kPa（G），運行點(diǎn)將落在大壓縮機運行曲線(xiàn)內，此時(shí)，小壓縮機的流量為18億方/年，也能夠正常運行。不過(guò)此時(shí)壓縮機運行點(diǎn)在運行曲線(xiàn)的邊緣，但仍能包含在曲線(xiàn)范圍內，大機組轉速約為額定轉速的60%，小機組轉速約為額定轉速的70%。上述分析說(shuō)明，在該工況下大機組可以給小機組作為備用。如果參數稍有變化，其運行點(diǎn)跳出性能曲線(xiàn)運行范圍，也可以通過(guò)節流或打回流的方式來(lái)實(shí)現備用。
通過(guò)分析，所選壓縮機在實(shí)際配產(chǎn)及設計工況下均可以正常運行，機組的運行情況匯總如表2所示。
結論
1）本文詳細分析了多工況下大型離心壓縮機的選型設計，結合工程實(shí)際應用，選擇出適合本項目的外輸天然氣壓縮機組配置方案；
2）對于實(shí)際配產(chǎn)與設計規模差距較大的外輸氣壓縮機選型設計，可采用大、小機組相結合的設計理念，充分利用小機組的便利性，提高機組運行效率，同時(shí)采用大機組作為補充，當氣量提升時(shí)，可切換到大機組運行。
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