双级螺杆空气压缩机的分离筒温度控制技术分析.pdf

Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 297缩机油气分离筒内积聚了大量的冷凝水，压缩机出口的压缩空气中含大量润滑油，并且润滑油乳化相当严重，制氮空压机出现了大量“跑油”现象，在油气分离筒处排出大量的冷凝水。严重影响了氮气发生器的氮气制造效果，此问题不解决将直接影响平台的正常生产。2 现场存在的问题与原因分析存在的问题。（1）空压机出口油气分离罐中含有大量析出的冷凝水，冷凝水随着润滑油进入压缩机的循环润滑、冷却系统，在高温高压充分混合的情况下导致润滑油乳化，气体不断压缩向系统供气，油气分离筒中冷凝水量不断增加，乳化状况加剧，同时润滑油不断被稀释，压缩机的散热和润滑效果下降，增加了压缩机的磨损，降低了机组使用寿命，加大维修成本。（2）油气分离筒中含有大量冷凝水，致使分离筒润滑油的液面升高，滑油被压缩空气裹挟串入空气系统，加速了润滑油的消耗，提高操作费用。（3）压缩机出口管线上的疏水器结构形式为浮球式，其作用为将高温压缩空气经空气冷却器冷却后，将析出的冷凝水从系统中自0 引言随着我国“建设海洋强国，加快深海油气资源勘探”的战略实施，海上钻采平台的建设也步入高潮，海上平台设计建造过程中受空间和重量的限制在设备选型上会有所取舍。1 研究背景一般海上平台的氮气都是作为密封和置换使用，压力一般在0.8MPA左右，不需要进行二次加压。南海某钻采石油平台为了节省费用和节能考虑在原油外输上精简了外输泵环节，采用油气混输的模式输送原油到FPSO进行处理。因此需要2.0MPA的氮气作为补充动力源协助原油外输，该平台专门设置了一套制氮空气压缩机和膜组制氮橇来制造高压氮气。制氮空压机采用英格索兰集成双级螺杆压缩机制造2.0MPa的压缩空气，提供给后序的膜组制氮机。受海上平台安装空间的限制，在设计之初借鉴的是北方某化工厂的经验，采用集成式双级螺杆压缩机提供高压压缩空气，这样就节省了氮气二次压缩的空间。但是却忽视了南海高温高湿的工作环境对压缩空气压力露点的影响，致使项目投用之后压作者简介：王维，中海石油（中国）有限公司深圳分公司；研究方向：控制技术。收稿日期：2022-10-21；修回日期：2023-05-28。摘要：阐述某钻采石油平台双级螺杆压缩机出现分离筒油气混合温度低于压缩空气工作压力露点，致使压缩机油气分离筒内积聚大量冷凝水，提出在不更换机组的前提下提高对压缩机润滑油温度的控制，使分离筒温度高于压缩空气压缩露点。现场实践表明，效果良好。关键词：控制技术，压缩机，露点，温度控制。中图分类号：TH45 文章编号：1674-2583(2023)06-0297-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.133文献引用格式：王维.双级螺杆空气压缩机的分离筒温度控制技术分析J.集成电路应用,2023,40(06):297-299.双级螺杆空气压缩机的分离筒温度控制技术分析王维（中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东 518052）Abstract This paper describes that a two-stage screw compressor on a drilling and production oil platform experienced that the oil and gas mixing temperature of the separator cylinder was lower than the dew point of the working pressure of the compressed air,which led to the accumulation of a large amount of condensate water in the oil and gas separator cylinder of the compressor.It proposed to improve the control of the compressor lubricating oil temperature without changing the unit,so that the temperature of the separator cylinder was higher than the dew point of the compressed air.Field practice shows that the effect is good.Index Terms control technology,compressor,dew point,temperature control.Analysis of Temperature Control for Separating Cylinder of Two-stage Screw Air CompressorWANG Wei(Shenzhen Branch of CNOOC(China)Co.,Ltd.,Guangdong 518052,China.)298 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月Applications创新应用动排除，减少对下游氮气发生器的影响。因压缩空气中携带大量乳化的润滑油，影响了疏水器的排水效果，乳化的润滑油被压缩气体携带至下游的造氮机，使压缩空气油水含量严重超标（氮气发生器厂家技术参数要求进入制氮膜组之前的压缩空气含油要低于3ppm），制氮膜组不能正常工作，氮气得不到正常供应，从而影响平台的正常生产。（4）油气分离筒为压力容器，在正常使用状况下，分离桶内壁接触的介质为从空气中分离出的润滑油，但因冷凝水的存在，并且长期处于高温的环境下，加速了分离筒内壁的腐蚀速率，影响机组的使用寿命甚至设备本体安全。（5）大量的携带乳化滑油的压缩空气会黏附在分离筒安全阀管线及其他节流部件上，影响空压机的运行安全。问题分析。根据螺杆压缩机的工作原理可知，空气与润滑油一起在阴阳螺杆之间进行压缩，高压油、气混合物进入油气分离筒进行分离，分离后高温的滑油经降温冷却，通过温控阀控制到设定的温度回到螺杆压缩机主机，形成闭合的润滑、冷却回路，外界空气则连续的进入压缩。外界空气湿度直接影响了压缩空气的露点，在分离桶中，压缩的油、气混合介质的高温、高压、高湿状态直接影响到油气分离筒中压缩空气的压力露点，如果此时，压缩机排气温度低于压缩空气的压力露点温度，冷凝水就会从空气中析出，并在油气分离筒中凝结，随着加载时间增加，冷凝水的量也不断增加，使油气分离筒内润滑油的液面逐渐升高，导致大量润滑油窜入压缩空气中。高温、高压、高湿的压缩空气经过冷却器，温度下降，形成饱和的湿空气（可认为露点等于排气温度），同时部分冷凝水析出，饱和的压缩湿空气在输送过程中温度逐步下降，冷凝水会不断析出。该 平 台 制 氮 压 缩 机 采 用 的 是 英 格 索 兰 的EXL185-21/20 SC A CCS 集成两级螺杆压缩机，根据露点形成的机理及机组运行的操作参数分析，之所以会出现上述问题，可能原因为：（1）压缩气进出分离筒过程中，压缩排气温度低；（2）机组未正常投入使用，加载卸载切换时间不平衡，温度未能达到最大值；（3）海上空气湿度高，空气含水量大，空气压缩后会有大量的冷凝水水产生，造成油气分离筒体内积水；（4）水与油的比重不同，水不断增多，造成液位上升，最终造成油被非正常排出。针对以上分析，进入如下排查：（1）根据该压缩机的机械数据表推算可以得出结论为，出现压缩排气温度低的原因主要是温控阀设点选型过低（140）。（2）压缩机出厂配置的温控阀为140（60），这样导致压缩机的喷油温度在63左右，排气温度在80左右，远远低于正常工作状态下油气分离筒压缩空气的压力露点温度值，致使大量水汽不能蒸发，在油气分离筒析出大量冷凝水，从而进一步降低了油气分离筒的工作温度。且调试阶段，机组加载时间过短，机组不能达到最高的额定排气温度，致使油气分离筒中会集聚大量冷凝水，冷凝水将滑油的液位抬高，致使机组出现滑油串入下游压缩空气中。厂家工程师建议，更换为160的滑油温控阀，提高主机排气温度，厂家工程师认为随着机组加载时间的增加，机组达到最高排气温度此问题便会消除。问题看似已经解决了，其实不然，通过对比“压缩空气露点温度图表”可以推算出问题并没有彻底解决，实际情况与厂家工程师分析的有出入。该平台的制氮空压机按照工艺要求压缩机的工作压力在1720bar，南海的工作环境常年大部分时间环境温度都大于36，平均湿度都在80%左右。这样压缩空气的压力露点将在9298，也就是只有在主机的排气温度大于这区间的温度时，才不会在油气分离筒内形成冷凝水，而采用160的温控阀后，主机的最高排气温度才达到96，依然在压力露点的9298之间，也就是说，在机组加载运行时温度稍有波动，依然会在油气分离筒内生成冷凝水，并且随着加载时间的增加，冷凝水量不仅不会减少，反而会增加。在额定工作压力下形成冷凝水的主要原因还是机组的压缩比太高，压缩机吸入口的环境温度和湿度高，加载过程中主机排气温度未超过该状态下的压力露点温度。而卸载运行时压比低（油气分离筒最低压力值4bar），主机排气温度高于压力露点温度。并且随着运行时间的增加油气分离筒内冷凝水量增加，致使油气分离筒内的温度降低，产生冷凝水量会更多。为了验证这一推论，在现场做了大量的实验观测，见表1，所观测的数据与实际排水量有效的证明了我这个推理。见图1所示。针对此问题提出了几个解决方案：（1）方案一：降压使用，降低出口压力能降低压缩比，这样就能够降低油气分离筒中压缩空气的露点温度，使压缩空气的露点温度低于压缩机的排气温度，这样就避免了油中析出冷凝水。此方案受平台工艺流程的制约，若要降低生产分离筒的操作压力，首先要考虑是否会对下游使用压缩空气的造氮机橇产生影响，根据造氮机橇的操作参数要求，进气压力要保证不低于15bar，在该橇的操作压力范围内，压力越高，造氮效果越佳，压力低不仅影响造氮效果，还造成更多的空气消耗，对于压缩机而言，降压会使压缩机增大排气量，会造成气中串油。因此这个方案不具备实施条件被否定。（2）方案二：Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 299降低压缩机入口的空气湿度，在空压机入口处增加除湿设备，降低机组入口空气的湿度，从而降低油气分离筒压缩空气露点的温度。使压缩空气的露点温度低于压缩机的排气温度，这样就避免了油中析出冷凝水。此方案的难点在于将大流量的空气流量进行快速的除湿，需要额外再增设一套更大的除湿系统，增设的除湿设备在资金投入、占用空间、施工及运行维护等方面，涉及更复杂工作和论证，不适合解决当下问题。（3）方案三：降低入口空气的温度，在空压机入口的通道上增加空气冷却器或是冷却风扇，降低入口空气的温度，从而降低油气分离筒压缩空气露点的温度。由上部结论表格可看出，只要将压缩机入口气的温度常年保持在30，即可使油气分离筒压缩空气的露点稳定在87，这个值远远低于压缩机的排气温度。此方案具有一定的操作性的，但是还需进一步论证入口温度的降低对排气温度影响有多大，在空气入口增加降温措施的过程中如何避免空气流量的损失，在具体实施上，存在与方案二同样的在项目运作方面的难度。（4）方案四：继续测试观察加载运行时间与冷凝水量的比例关系，寻找最佳的排水周期。定期排水，将排水作为一项日常工作。此方案是解决当下问题最容易实行的，不过这个方案的弊端是每次排水都会排出不等量的滑油，加速滑油的消耗，同时油气分离筒中有水也加速了滑油的乳化，降低了润滑效果，缩短了滑油的使用寿命。3 方案的实施综合各方面考虑，与厂方反复沟通讨论，最终决定再次更换更高温度的滑油温控阀来提高主机的排气温度，并针对提高温度后对滑油影响，决定更换新型号高温滑油。最终的改造方案为更换滑油温控阀为170；这样主机排温十分接近高温报警值，因而将空压机的报警温度从原来的106报警，109停机，更改为110报警，120停机；并且将原来的L0001型号的滑油更换为耐高温的L0003型号滑油。机组改造完成后，运行测试效果十分理想的，在环境温度低了10左右时，主机排气温度还能达到98。观测数据见表2所示。4 结语针对本平台双级螺杆压缩机出现分离筒积聚大量冷凝水问题的处理，虽然最后采用了折中的办法而问题没有得到根治，但通过大量实验数据证明高温高湿的空气环境对双级螺杆压缩机的压力露点影响非常明显，最重要的是论证了集成型高压缩比（大于14）螺杆空气压缩机在中国南海海域不适合使用，为以后新平台建造时的设备选型指明了方向。同时，通过以上方案的技术改造，提高滑油温度来提高压缩机的排气温度，使油气分离筒的温度高于压缩空气的压力露点，彻底解决油气分离筒中含冷凝水的问题，降低了滑油的乳化速率，减少了下游压缩空气的含油量，使原本不适合在南海环境下使用的高压缩比螺杆压缩机在最小代价的改造后得以继续使用。参考文献1 黄富昌,肖启芳,徐恳,马建锋.螺杆式空气压缩机的特点分析与改进建议J.煤矿机电,2014(01):112-115.图1 加载时间与含水量对比图表1 160F温控阀氮气撬空压机监测数据统计表表2 170F温控阀氮气撬空压机监测数据统计表