油氣處理站場(chǎng)壓縮空氣站設計

　　隨著(zhù)自動(dòng)化控制技術(shù)在油氣行業(yè)的普及和應用，油氣處理站場(chǎng)的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。自動(dòng)化控制技術(shù)的實(shí)現是通過(guò)各類(lèi)控制儀表來(lái)完成的，而這些控制儀表的動(dòng)力源主要有電力驅動(dòng)、液壓驅動(dòng)和氣壓驅動(dòng)，電力驅動(dòng)和液壓驅動(dòng)往往價(jià)格高昂、結構復雜且不易防爆(Explosion-proof)，而采用氣壓驅動(dòng)技術(shù)，價(jià)格低廉、結構簡(jiǎn)單且易防爆，因此目前油氣處理站場(chǎng)上自動(dòng)化儀表控制動(dòng)力源大多采用氣動(dòng)控制。自動(dòng)化儀表氣動(dòng)控制采用的能源是壓縮空氣，壓縮空氣是經(jīng)過(guò)一定處理工藝處理后滿(mǎn)足一定壓力、溫度和露點(diǎn)等特殊要求的空氣，油氣處理站場(chǎng)壓縮空氣系統的設計就是要選擇合理的處理工藝，將普通的空氣轉化為合格的壓縮空氣。
　　目前國內雖然有壓縮空氣系統設計方面的標準和規定（如GB50029-2003壓縮空氣站設計規范），但總的來(lái)說(shuō)其內容稍顯籠統和寬泛，對壓縮空氣系統設計上的某些細節闡述不夠詳細（如壓縮空氣耗量、壓縮空氣質(zhì)量要求等），而這些細節往往會(huì )影響壓縮空氣系統設計的合理與否，因此作者結合自身工作實(shí)際經(jīng)驗，詳細闡述了油氣處理站場(chǎng)壓縮空氣系統的設計
　　1壓縮空氣的質(zhì)量(quality)和耗量要求油氣站場(chǎng)壓縮空氣系統的設計(design)主要目的是保證生產(chǎn)出合格的儀表風(fēng)氣和工廠(chǎng)風(fēng)氣，以滿(mǎn)足壓縮空氣系統下游（比喻落后的地位)各類(lèi)氣動(dòng)控制閥和各類(lèi)氣動(dòng)設備的驅動(dòng)要求。
　　儀表風(fēng)氣：主要是為各類(lèi)控制閥(Control valve)、緊急關(guān)斷閥和緊急泄放閥提供驅動(dòng)力。儀表風(fēng)氣氣源質(zhì)量要求很高，這主要是為了防止壓縮(compression)空氣析出凝液和雜質(zhì)堵塞氣動(dòng)閥門(mén)驅動(dòng)裝置。
　　工廠(chǎng)風(fēng)氣：主要是為氣壓提升機、氣動(dòng)扳手、噴砂除銹機、油漆(paint)噴涂機等氣動(dòng)設備提供動(dòng)力，同時(shí)還要用工廠(chǎng)風(fēng)氣吹掃待維修的油氣處理(chǔ lǐ)設備，只有在待維修設備吹掃完畢后維修人員方可入內進(jìn)行焊接、切割等動(dòng)火操作，這是因為如果烴類(lèi)蒸氣吹掃不干凈就進(jìn)行動(dòng)火操作可能會(huì )引起爆炸，危及人身安全。工廠(chǎng)風(fēng)氣源質(zhì)量要求不高。
　　1.1壓縮空氣的質(zhì)量要求1.1.1儀表風(fēng)氣的質(zhì)量要求654-2-1995工業(yè)過(guò)程測量和控制（control)設備的工作條件第二部分：動(dòng)力、IEC 60654-2-1979工業(yè)過(guò)程測量和控制設備的運行條件第二部分：動(dòng)力和ISO8573-1-2001一般用壓縮空氣質(zhì)量等級的規定，合格的儀表風(fēng)氣應該不含油滴和其他液滴，不含有毒的、有腐蝕性的和易燃易爆的氣體，固體顆粒含量少于0.1g/m3，且最大固體顆粒直徑不大于3pm.對于儀表風(fēng)的氣源壓力規定，IEC GB/T17214-2005工業(yè)過(guò)程測量和控制裝置的工作條件以及GB/T4830-1984工業(yè)自動(dòng)化儀表氣源壓力范圍和質(zhì)量規定的氣源壓力范圍為：儀表輸入端的氣源公稱(chēng)壓力值為140、260、350、550和700kPa.在設計時(shí)，為確保站場(chǎng)儀表風(fēng)壓力足夠，往往都是取最大氣源壓力，即儀表風(fēng)氣設計壓力取700kPa.某些氣動(dòng)儀表可能不需要這么大的氣源壓力，此時(shí)往往需要在氣動(dòng)儀表入口安裝一個(gè)減壓閥，從而將氣源壓力調節至儀表所需的工作壓力。除了滿(mǎn)足儀表風(fēng)氣設計壓力700kPa的要求外，還要求保證將儀表風(fēng)輸送至最遠用戶(hù)處的剩余壓力不低于550kPa，且儀表風(fēng)供氣系統任何一點(diǎn)處的壓力不允許低于420kPa.對于儀表風(fēng)的壓力露點(diǎn)值（設計壓力下的露點(diǎn)值）規定，不同的規范有不同的要求，IEC654-2、IEC60654-2、配管手冊PipingHandbook以及殼牌Shell規定的儀表風(fēng)壓力露點(diǎn)值是在最大工作壓力下（700kPa）露點(diǎn)值比最低環(huán)境溫度低10但是如果壓縮空氣系統發(fā)生泄漏或系統內設備放空時(shí)，膨脹制冷效應會(huì )導致系統內析出凝液，并會(huì )有結冰現象出現，此時(shí)壓力露點(diǎn)比最低環(huán)境溫度低10丈是很容易達到的，因此很多規范認為這個(gè)壓力露點(diǎn)取值是不安全的。美國氣體供應商協(xié)會(huì )的GPSA標準以及ANSI-ISA 7.0.01-1966測量氣體的質(zhì)量標準推薦的壓力露點(diǎn)值是在系統最大工作壓力（700kPa）下露點(diǎn)值取-40，因此設計過(guò)程中在確定儀表風(fēng)壓力露點(diǎn)值時(shí)可考慮使用這個(gè)數值。
　　8573-1是國際公認的壓縮空氣質(zhì)量標準，這個(gè)標準對壓縮空氣質(zhì)量等級劃分見(jiàn)表1.表1ISO8573-1對壓縮空氣質(zhì)量等級劃分壓縮空氣質(zhì)量等級1m3壓縮空氣內包含的最多固體顆粒數水壓（特指：壓強）力露點(diǎn)/（0.7MPa）油含量粒徑一1.1.2工廠(chǎng)風(fēng)氣耗的質(zhì)量要求對工廠(chǎng)風(fēng)氣質(zhì)量沒(méi)有特殊(special)的要求，壓縮機(compressor)壓縮后的空氣經(jīng)后冷器和氣一水分離器脫除凝液后即可作為工廠(chǎng)風(fēng)氣使用，此時(shí)工廠(chǎng)風(fēng)氣相對濕度達100%，但要求工廠(chǎng)風(fēng)氣的壓力要維持在600~700kPa. 1.2壓縮空氣耗量計算1.2.1儀表風(fēng)氣耗量的計算一般情況下，油氣處理站場(chǎng)內消耗儀表風(fēng)氣的主要設備有：各類(lèi)控制閥的執行器、緊急關(guān)斷閥、緊急泄放閥、順序閥、在線(xiàn)分析儀（如氣相色譜儀）等。儀表風(fēng)氣量在正常工況下（101.325kPa，0）耗量的計算可依照如下規定進(jìn)行估算：控制閥門(mén)每個(gè)控制回路儀表風(fēng)氣耗量：1~緊急關(guān)斷閥和緊急泄放閥（一般采用直角回轉球閥）儀表風(fēng)氣耗氣量：0.1m3/h.氣相色譜儀儀表風(fēng)氣耗氣量：16m3/h.若在油氣處理站場(chǎng)內有橇裝設備（如透平驅動(dòng)式離心式壓縮機橇、飲用水處理橇、火炬橇等），而設計(design)人員無(wú)法獲知橇內共有多少控制閥和緊急關(guān)斷閥的情況下，要向該類(lèi)橇裝設備廠(chǎng)家(factory)咨詢(xún)，以獲取儀表風(fēng)氣耗量。
　　在采用上述規定計算完正常工況下儀表風(fēng)氣耗量后，還要取30%的裕量，以防止可能出現的耗氣量波動(dòng)等情況(Condition)。
　　1.2.2工廠(chǎng)風(fēng)氣耗量的計算油氣處理站場(chǎng)一般都需要使用工廠(chǎng)風(fēng)氣來(lái)驅動(dòng)各類(lèi)氣動(dòng)工具，或使用工廠(chǎng)風(fēng)氣吹掃待維修的油氣處理設備，但是使用工廠(chǎng)風(fēng)氣操作控制的頻率一般都不高，且同時(shí)使用多種氣動(dòng)工具的幾率很小，因此在沒(méi)有詳細規定的情況下，工廠(chǎng)風(fēng)氣的耗量可取70m3/h，該耗量允許同時(shí)運行一臺噴槍(spray gun)（耗氣量為20m3/h）和至少一臺下列氣動(dòng)設備：風(fēng)鉆和氣動(dòng)扳手（耗氣量為30~50m3/h）。
　　2壓縮空氣系統的設計2.1壓縮空氣系統主要流程描述壓縮空氣系統的主要流程如所示經(jīng)過(guò)空氣壓縮機壓縮后的空氣溫度（temperature)升高，因此采用后冷器冷卻高溫壓縮空氣，冷卻后的壓縮空氣會(huì )有水和油滴（噴油螺桿壓縮機）析出，此時(shí)采用分離(Separation)器將凝液分離出來(lái)。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。經(jīng)過(guò)分離器處理后的壓縮空氣首先儲存在工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐內，此時(shí)一部分壓縮空氣即可作為工廠(chǎng)風(fēng)氣輸送給工廠(chǎng)風(fēng)用戶(hù)，其余的壓縮空氣則流向儀表風(fēng)氣處理系統：首先通過(guò)前置過(guò)濾器，對壓縮空氣進(jìn)一步過(guò)濾，經(jīng)過(guò)過(guò)濾凈化后的壓縮空氣進(jìn)入吸干機，采用吸干機將壓縮空氣的露點(diǎn)降至要求值，經(jīng)吸干機吸干后的壓縮空氣再經(jīng)過(guò)后濾器過(guò)濾凈化，凈化后合格的壓縮空氣儲存在儀表風(fēng)緩沖罐內，此時(shí)即可向儀表風(fēng)下游用戶(hù)提供合格的儀表風(fēng)氣了。
　　從流程描述上可以看出壓縮空氣系統主要設備有：主備用電動(dòng)機驅動(dòng)空氣壓縮機、柴油(Diesel)引擎驅動(dòng)緊急移動(dòng)式空壓機、后冷器、氣一水分離器、前置過(guò)濾(filter)器和后置過(guò)濾器、空氣干燥機、儀表風(fēng)緩沖罐和工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐、自動(dòng)排液閥和減壓閥。
　　2.2空氣壓縮機壓縮空氣系統內用到的壓縮機主要分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是主用、備用壓縮機，正常運行時(shí)壓縮空氣系統主要采用主用、備用壓縮機進(jìn)行壓縮，這類(lèi)壓縮機主要采用電動(dòng)機驅動(dòng)，且要有雙電源供電(powered by)系統，即市電和緊急柴油發(fā)電機供電，市電為第一電源（在沒(méi)有市電的邊遠偏僻地區，可采用燃氣發(fā)電機供電作為第一電源），緊急柴油發(fā)電機供電為第二電源。
　　第二類(lèi)是緊急移動(dòng)式壓縮機，它只有在緊急狀況下才使用，這類(lèi)壓縮機采用柴油引擎驅動(dòng)。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 緊急移動(dòng)式壓縮機不是必需的，只有在對壓縮空氣系統(system)安全性要求比較高的場(chǎng)合才推薦使用。目前，殼牌標準ShellDE
　　P、馬來(lái)西亞石油Petronas標準以及美國Veco設計標準都推薦在壓縮空氣系統內使用緊急移動(dòng)式壓縮機(compressor)。
　　當前，使用較多的空氣壓縮機類(lèi)型主要有螺桿式壓縮機、往復活塞(piston)式壓縮機和離心式壓縮機，當計算出來(lái)的壓縮空氣量Q矣2500m3/h時(shí)可采用螺桿式壓縮機或往復活塞式壓縮機，而當計算出來(lái)的壓縮空氣量Q> 2500m3/h時(shí)米用離心式壓縮機比較經(jīng)濟
　　由于油氣站場(chǎng)壓縮空氣需求量往往不是很大，因此螺桿式壓縮機和往復活塞式壓縮機在壓縮空氣系統里應用最廣。而與螺桿式壓縮機相比，往復活塞式壓縮機易損件多、噪音大、效率低且供氣不穩定，因此目前應用在油氣站場(chǎng)壓縮空氣系統中的空壓機（主用、備用和緊急移動(dòng)(mobile)式壓縮機）大多采用螺桿式壓縮機。
　　螺桿壓縮機通常按照冷卻方式將其劃分為噴油螺桿式壓縮機和干式螺桿壓縮機。噴油螺桿壓縮機通過(guò)對氣缸噴入一定壓力的潤滑油(Lubricating oil)，一方面吸收并帶走壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量，從而改善壓縮過(guò)程的熱交換，降低排氣溫度等；另一方面起潤滑、密封和消聲等作用，噴油壓縮機由于排氣溫度低、壓比高、泄漏少、噪聲小、結構簡(jiǎn)單、運行可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此比干式螺桿壓縮機發(fā)展更迅速，在整個(gè)壓縮機生產(chǎn)中占到80%.噴油螺桿壓縮機流程見(jiàn)。
　　2.3空氣壓縮機的Lead-Lag控制（control)Lead-Lag控制可以翻譯為“壓縮機的超前一滯后控制”，它是指將一臺空壓機(compressor)作為L(cháng)ead壓縮機，而將另一臺備用的壓縮機作為L(cháng)ag壓縮機。通過(guò)Lead-Lag控制可以自動(dòng)啟停主備用空氣壓縮機，以防止儀表風(fēng)氣出現壓力超高或超低的現象。一般容積式空氣壓縮機都要有Lead-Lag控制，而離心(Centrifugal)式壓縮機卻沒(méi)有這種控制模式。
　　容積(Capacity)式空氣壓縮機的Lead-Lag控制一般是米用4個(gè)壓力開(kāi)關(guān)測量?jì)x表風(fēng)緩沖罐的工作壓力波動(dòng)，通過(guò)檢測到的儀表風(fēng)緩沖罐的壓力來(lái)自動(dòng)啟停主備用壓縮機。由于壓縮空氣系統(system)內需要采用Lead-Lag控制模式的壓縮機共有主備用2臺壓縮機，因此要想完成每臺壓縮機的啟動(dòng)和停止操作，必須采用4個(gè)壓力開(kāi)關(guān)才能完成。
　　壓力開(kāi)關(guān)安裝位置的選擇主要有兩種方式：一是直接安裝在儀表(instrumentation)風(fēng)緩沖罐上；二是安裝在儀表風(fēng)緩沖罐進(jìn)口管道上。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。
　　由于取壓點(diǎn)數目比較多，因此目前大多數的壓力開(kāi)關(guān)安裝位置都放在儀表風(fēng)緩沖罐進(jìn)口管道上，如所示：在儀表風(fēng)緩沖罐進(jìn)口管道上安裝4個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，用這4個(gè)壓力開(kāi)關(guān)感受儀表風(fēng)緩沖罐的壓力變化并控制主備用壓縮機(compressor)的啟停。昆山空壓機保養是回轉式連續氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過(guò)它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。這4個(gè)壓力開(kāi)關(guān)的設定值分別是PSHH（壓力高一高）、PSH（壓力高）、PSLL（壓力低一低）和PSL（壓力低）。2.3.1儀表風(fēng)緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍值，需要知道儀表風(fēng)緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍。2.3.1.1對于儀表風(fēng)緩沖罐下游沒(méi)有減壓閥門(mén)的情況此時(shí)儀表風(fēng)緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍應該是儀表風(fēng)用戶(hù)處的壓力波動(dòng)范圍再加上輸氣沿線(xiàn)壓降損失，即Pmin=550kPa+Piss，Pmax=700kPa+Pi一般取Piss=100kPa（這是估計值），則此時(shí)可以確定儀表風(fēng)緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍為（650kPa，2.3.1.2對于儀表風(fēng)緩沖罐下游有減壓閥門(mén)的情況一般儀表風(fēng)緩沖罐下游都要有減壓閥門(mén)，如所示：在儀表風(fēng)罐下游并排安裝有2個(gè)PCV減壓閥，減壓閥前儀表風(fēng)氣壓力很高，通過(guò)減壓閥減壓后將儀表風(fēng)的壓力降至用戶(hù)所需的壓力。采用減壓閥的目的主要是考慮儀表風(fēng)緩沖罐操作壓力升高后，其尺寸會(huì )相應減小，否則如果沒(méi)有減壓閥可能緩沖罐的尺寸會(huì )很大。此時(shí)Pmin=閥全開(kāi)時(shí)的壓降值，一般可取P=200kPa（這是估計值），此時(shí)儀表風(fēng)緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍為850~1000kPa.這個(gè)壓力波動(dòng)范圍規定不是硬性的，不同的設計對該壓力波動(dòng)范圍可能會(huì )有不同的規定，如等。2.3.2開(kāi)關(guān)設計值有了儀表風(fēng)緩沖罐的壓力波動(dòng)范圍就可以設定PSH
　　H、PS
　　H、PHOTOSHOPLL 100kPa.例如對于儀表(instrumentation)風(fēng)緩沖罐下游沒(méi)有減壓閥門(mén)的情況，Lead-Lag控制設定值見(jiàn)表2.表2儀表風(fēng)罐下游沒(méi)有減壓閥門(mén)時(shí)壓力開(kāi)關(guān)的設定值壓縮機啟動(dòng)壓力/kPa停用壓力/kPa主用壓縮機（Lead）備用壓縮機（Lag）對于儀表風(fēng)緩沖罐下游有減壓閥門(mén)的情況，比較典型的壓力開(kāi)關(guān)設定值見(jiàn)表3.表3儀表風(fēng)罐下游有減壓閥門(mén)時(shí)壓力開(kāi)關(guān)的設定值壓縮機啟動(dòng)壓力/kPa停用壓力/kPa主用壓縮機備用壓縮機2.4工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐尺寸的確定工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐緊靠空氣壓縮機并位于后冷器下游，此時(shí)工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐所接收的壓縮空氣是經(jīng)過(guò)后冷器冷卻后而未經(jīng)干燥(dry)器處理的飽和濕空氣，即壓縮空氣相對濕度(shī dù)為100%，因此工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐也叫做濕空氣緩沖罐；并且由于工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐為儀表風(fēng)處理系統供氣，相對于儀表風(fēng)緩沖罐它處于上游位置，因此工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐也叫做一級緩沖罐。容積式空氣壓縮機（往復式、螺桿式和滑片式）出口的壓縮空氣在經(jīng)過(guò)后冷器和氣一水分離(Separation)器后都要連到工廠(chǎng)風(fēng)緩沖罐上，這主要是出于以下考慮：平衡氣源壓力波動(dòng)；進(jìn)一步分離凝結出來(lái)的水和油；儲存部分氣量，以平衡用戶(hù)(user)用氣消耗和用氣需求之間的變化。
　　目前還沒(méi)有一個(gè)普遍適用的方法或公式來(lái)計算緩沖罐的容積，但是設計(design)人員常用下面的公式來(lái)計算緩沖罐的容積：一緩沖罐的容積/m3；壓縮空氣溫度/K；壓縮空氣流量/（m3/h）；一緩沖時(shí)間(time)/h；一緩沖罐最大壓力/kPa；一緩沖罐最低壓力/kPa.有了緩沖時(shí)間和工作壓力波動(dòng)范圍，就可以按照公對水的吸附容量與吸附發(fā)生時(shí)壓縮空氣中的水蒸氣分壓力有關(guān)這個(gè)原理進(jìn)行吸附操作的，當壓縮空氣中水蒸氣分壓力低時(shí)吸附劑對水的吸附容量小，而當壓縮空氣中水蒸氣分壓力高時(shí)吸附劑對水的吸附容量大。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 利用吸附劑這一特性，在干燥(dry)器運行時(shí)改變干燥器內壓力，在高壓下吸附劑開(kāi)始吸附壓縮空氣內的水分，而在低壓下或在真空下吸附劑內吸收的水分開(kāi)始蒸發(fā)并被干燥的吹掃氣帶走，從而完成吸附劑床層的再生。
　　3結束語(yǔ)壓縮(compression)空氣（儀表風(fēng)和工廠(chǎng)風(fēng)）在油氣站場(chǎng)中應用是十分廣泛(extensive)的，但是國內(guó nèi)關(guān)于壓縮空氣站的相關(guān)標準和規定相對寬泛和不夠詳細，因此本文結合工作中的經(jīng)驗以及相關(guān)標準，較為詳細地闡述(expound)了壓縮空氣站設計中需要注意的各個(gè)突出點(diǎn)和細節，介紹了某些重要設備的原理、選型以及計算方法，對設計人員更好地設計壓縮空氣站具有一定實(shí)際意義。孫海（1980-），男，遼寧大連人，工程師，2006年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），碩士，現主要從事壓氣站項目的工藝設計工作。
　?。?11）中石化首次在緬甸發(fā)現大型油氣田中石化集團國際石油工程在緬甸中部發(fā)現油氣田，預計儲有天然(natural)氣約257.4億m3以及716萬(wàn)桶原油。這是中石化在緬甸開(kāi)展多年工作后首次獲得重大發(fā)現。緬甸是世界第十大天然氣儲藏國，近年來(lái)中石油、中海油以及中石化均在緬甸設有項目。本刊報道