不同形式压缩机在火炬气回收装置中的应用

文/魏 涛¹  董姝妙²  庞 帅¹  刘晓杰² 

（1.中国石油工程建设有限公司，北京，100120；

2.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京，100085）

摘要：火炬气燃烧及放空过程会排放大量CO₂和甲烷，这两者是最主要的温室气体。建设火炬气回收装置对火炬气进行回收利用是油气行业控制CO₂和甲烷排放的有效手段。在不同火炬气回收方法中，增压方法在油气生产设施中被证明成熟可靠。增压回收方法中的核心设备是火炬气压缩机，不同形式的压缩机都可应用在火炬气回收装置中。文章对几种不同形式的压缩机特点进行了总结与对比，并提出了压缩机选型原则与建议。

关键词：温室气体排放；火炬气回收；压缩机选型；螺杆压缩机；液环压缩机；滑片压缩机

1 引言

火炬气为包含多种气体的混合物，其组分取决于气体来源，其来源包括油田伴生气以及天然气处理厂、炼油厂、测井等油气生产设施，其中甲烷平均含量约50%。火炬燃烧可产生CO₂、NOX等排放物，不完全燃烧过程以及直接放空还会释放甲烷，其中CO₂和甲烷是两大温室气体^[1]。消灭火炬、减少放空无疑是油气行业控制温室气体排放的主要措施。

配置火炬气回收装置（Flare Gas Recovery Unit，以下简称FGRU；也被称作Flare Gas Recovery System，简称FGRS），对火炬气进行回收利用，可有效减少油气行业中温室气体的排放。FGRU设置在火炬上游，在燃烧或放空前，将部分或全部火炬气进行回收。设置FGRU的收益众多，除降低CO₂和甲烷及有害气体排放外，FGRU回收的火炬气可作为燃料气、原料气或者商品气，创造经济价值。

2 火炬气回收技术简述

火炬气回收的方法众多，主要可以归结为3种：气液转化（Gas to Liquid，简称GTL）、发电以及增压。气液转化是将火炬气通过费托合成（Fischer-Tropsch Process）转化为液体燃料。这种方法初期投资大，对于大气量的火炬气回收具有较好的经济效益^[2]。发电是将火炬气收集后通过燃气轮机发电机组等发电设施进行发电，有研究表明该方法相较于气液转化初始投资好，投资回收期更短^[3]。增压方法，是将火炬气进行收集后增压（因火炬一般在微正压状态下运行，气体压力低），增压后的火炬气注入长输管道外输或其他工艺流程进行处理或销售，该方法是一种发展成熟且可靠地火炬气回收技术^[4]。如何选择最适合的回收方法，需要对火炬气来源，火炬气气质以及潜在利用方式有清晰认知，这些因素都会影响到火炬气回收方式的技术和经济可行性。

以上3种火炬气回收技术，增压方法在炼油厂以及油气上游生产设施中应用较为广泛。Rahimpour等人在对伊朗南部主要炼油厂Farashband的火炬气回收工艺进行研究对比时得出，增压方法投资成本最低^[5]。Mousavi等人对增压和发电两种方法进行了技术经济分析，发现对火炬气进行增压回注技术和经济效果更优^[6]。增压方法的FGRU一般工艺流程如图1所示，其主要组成部分有压缩机、换热器、三相分离器、压缩机控制系统等，其中压缩机是核心设备。

图1 采用增压方法的FGRU一般流程图 

3 不同类型压缩机在FGRU中的应用

对某一具体工况选择合适的压缩机是一项关键决策，不明智的选择会造成运维操作成本的持续上升。对于给定工况来说，选择何种形式的压缩机取决于吸气压力、排气压力、气体摩尔量、处理量、效率、占地面积等诸多因素。另外理解各种形式的压缩机工作原理及各自的优缺点是选择合适压缩机的前提^[7]。

压缩机通常分为动力式和容积式，常用压缩机形式分类见图2。在各种油气生产和处理设施中火炬气来源各异，因此气体组分和摩尔分子量范围较宽，容积式压缩机可以很好适应这种工况。

图2 常用压缩机分类

过去40多年中，FGRU上使用的压缩机类型包括了往复活塞压缩机、喷油螺杆压缩机、无油螺杆压缩机、液化压缩机、滑片压缩机以及整体齿轮压缩机等，每种形式压缩机在FGRU装置上都有成功应用，以下就每种压缩机特点和在FGRU上的使用情况做以简述。

3.1 往复活塞压缩机

往复活塞压缩机是应用最为广泛和最成熟的压缩机形式，其优点是效率高，可实现高压缩比和高排气压力，1980年前，全球的石油化工行业大都采用往复式压缩机进行尾气回收^[8]。伊朗南部Sarkhoon和Qeshm天然气处理厂以及印度石油天然气公司Hazira天然气处理厂火炬气回收项目中均使用了往复活塞压缩机作为FGRU用压缩机。

火炬气中往往含有固体和液相组分，会使往复压缩机中的气阀和活塞环加速聚化；往复压缩机更多用于吸入压力大于400Kpa的工况，而火炬气往往压力低，往复压缩机在入口压力很低的情况下需要扩大气缸尺寸才能实现一定的处理量，使其建造成本增加；另外在吸入压力很低时，往复压缩机的性能受气缸余隙影响，在极低吸入压力下，气缸余隙将占据压缩气体体积的绝大部分，也会增大气缸尺寸增加建造成本^[9]。通常在使用往复活塞压缩机时，会在入口前配置罗茨风机提高压缩机入口压力，降低气缸余隙的影响。加之往复压缩机存在辅助系统复杂、压缩温升高、运行维护频繁等劣势，在1981年后，往复压缩机在FGRU装置中的应用逐渐减少，典型往复活塞压缩机橇外形如图3所示。

图3 典型往复活塞式压缩机橇外形图（燃气发动机驱动）

3.2 螺杆压缩机

随着往复压缩机逐渐在FGRU中应用逐渐减少，螺杆压缩机开始被选用。螺杆压缩机属于旋转正位移形式机器，可以很好适应气体组分变化，因此特别适合用于FGRU。按照运行方式，螺杆压缩机可分为喷油螺杆压缩机和无油螺杆压缩机，两种形式工作原理相同，原动机带动阳转子，再由阳转子带动阴转子，阴阳转子保持同步旋转，对进入腔内的气体进行压缩^[10],[11]。

3.2.1 喷油螺杆压缩机

喷油螺杆压缩机阴阳转子直接接触，原动机带动阳转子，阳转子带动阴转子以实现气体压缩，其结构如图4所示。其特点是其轴承和转子压缩腔直接相连，润滑油可串通，不在轴承与压缩腔之间设置轴封进行阻隔，另外可设置滑阀进行流量调节，其优点是可实现高压比，效率高^[12]。沙特阿美Uthmaniya天然气处理厂、美国GCGV公司的炼化项目及阿布扎比国家石油公司（简称ADNOC）BAB油田缓冲罐火炬气回收等项目采用的就是喷油螺杆压缩机。

图4 喷油螺杆压缩机剖面图

由于润滑油和气体介质直接接触，火炬气中的杂质会对润滑油造成污染，造成润滑油失效，优势甚至形成胶状物。润滑油需定期更换，运行成本高。火炬气中的水分或压缩过程中产生的凝液会使轴承或转子过早失效，需配置露点控制系统确保没有液相产生。另外为发挥润滑油的冷却作用，喷油螺杆压缩机转速一般不高，其处理量受到限制。

3.2.2 无油螺杆压缩机

与喷油螺杆压缩机的转子直接接触不同，无油螺杆压缩机转子之间有一定间隙，阳转子通过同步齿轮带动阴转子实现气体压缩，同步齿轮在传动同时保证了转子间的间隙；轴承和压缩腔之间设置机械密封，润滑油不会被气体介质污染，其结构如图5所示^[13]。无油螺杆压缩机优点有可适应含杂质的气体；工艺气与轴承完全用机械密封隔开，润滑油不会被火炬气污染；可实现很高的排气压力；配置VFD时，可实现流量调节实现节能等。美国德克萨斯Freeport炼厂项目、科威特国家石油公司（KNPC）MAB炼厂项目、ADNOC NEB油田及Habshan天然气处理厂等项目FGRU采用的就是无油螺杆压缩机。

图5 无油螺杆压缩机剖面图

无油螺杆压缩机优点多，但同时建造成本高；转速较高时，产生的振动和噪声比液环压缩机高；压缩过程产生热量多，需向压缩腔内注入软化水等介质降温，且需要多级压缩以实现高排气压力。

3.3 液环压缩机

螺杆压缩机在FGRU使用中存在制造材料选择少、故障率高、维修困难等问题，液环压缩机开始逐渐应用到FGRU中。2000年后，国外炼油厂开始在尾气回收装置中应用液环压缩机，并逐渐在火炬气回收中得到推广，液环压缩机是目前FGRU中应用最广的压缩机形式^[14]。

1. 配有叶片的偏心叶轮在充满工作液（常用水）的圆柱壳体内旋转

2. 旋转产生离心力使工作液和壳体内壁形成液环

3. 液环的排气腔体积膨胀，气体被吸入压缩机

4. 液环的吸气腔体积减小，气体被压缩

5压缩后气体和工作液从出口排出

图6  液环压缩机工作原理示意图

液环压缩机气缸两侧端盖上设有吸气和排气口，叶轮偏心配置在气缸内，其工作原理如图6所示。液环压缩机优点众多，包括：结构简单，只有叶轮一个转动部件，拆卸容易，操作维护简单；允许气体中携带粉尘、颗粒和液体；对气体组分和温度适应范围特别广；转速低，振动和噪声小；压缩温升小，大部分热量被工作液吸收^[15],[16]。另外对于酸性气体如含H₂S的火炬气，还可以使用胺液作为工作液，用于吸收火炬气中的酸性组分。由于液环压缩机在FGRU上的应用经过实践证明效果良好，大部分FGRU开始使用液环压缩机，如沙特阿美Jafurah I天然气处理厂和Zuluf 油田、ADNOC TAKREER Ruwais炼厂以及Sahil油田乙二醇再生装置、埃及苏伊士原油处理公司炼厂、印度石油公司Barauni炼厂、伊朗Tabriz炼厂、美国Arkansas炼厂、Petrobras P80 FPSO等项目。其中ADNOC在其压缩机选型指南中要求，用于火炬气回收的压缩机首选液环压缩机，其次为螺杆压缩机（包括喷油形式和无油形式）。

同时液环压缩机也有一些局限性难以克服，如：压缩比低，需要高排气压力时需多级压缩；与螺杆压缩机相比效率很低，全生命周期成本受影响；需提供水源作为工作液；需辅助设施对工作液进行冷却；转速不可调等^[17]。

3.4 滑片压缩机

滑片式压缩机是一种典型的回转容积式流体机械，其结构主要包括转子、滑片、气缸以及吸、排气端盖等部件，转子偏心安装在气缸内。工作原理与液环压缩机类似，如图7所示，转子转动时，转子与定子、端盖、滑片组成封闭容积，随着滑片滑出量的发生由小到大和由大到小的变化，气体在容积腔变大的时吸入，变小的时压缩，随着转子的持续旋转，完成压缩过程^[18],[19]。

滑片压缩机具有占地面积小，成本低，对入口压力波动不敏感，效率比液环压缩机高，润滑油消耗少，现场维修特别简单等优点。土耳其Tupras炼厂、美国炼化集团Bradford工厂的FGRU以及空气产品公司（Air Products）在美国建设的数个FGRU，采用的都是滑片压缩机。

与液环压缩机相同，滑片压缩机能达到的排气压力有限；气体中含杂质或液体时，可靠性不高；维修频率高。另外没有相关的API标准，技术性能难保证。

图7 滑片压缩机工作原理示意图

3.5 整体齿轮式压缩机

整体齿轮式压缩机是一种多轴离心压缩机，也被称作多轴离心压缩机。在中央大齿轮周围分布着若干小齿轮，每个小齿轮都配备两个叶轮。每个齿轮轴可以实现转速与叶轮尺寸的不同组合。所有叶轮都是悬臂设计，可以通过设计入口导流叶片进行性能调节。在每级的出口设置级间冷却对压缩介质进行冷却，以节省能耗，主体结构如图8所示^[20]。

图8  整体齿轮式压缩机结构示意图

整体齿轮式压缩机由于具有占地面积小、效率高、机械振动小、入口压力可低至部分真空等优点，使其在海洋平台上的应用具有天然优势，常用作空气压缩机和油气回收压缩机^[21]。海上平台早期做法是将尾气引入火炬进行燃烧，近年来的设计是将包括火炬气在内的尾气进行收集后压缩后注入其他流程中，而尾气组分通常分子量较小，需要经过大幅增压后尾气才能注入如气举压缩机或注气压缩机等流程中，特别是在压缩机入口温度在沸点以上甚至在超临界状态时，整体齿轮式压缩机是一种理想解决方案^[22]。

ADNOC在2014年启动的Umm Lulu项目为全球首个在火炬气回收装置中采用离心压缩机的的海上项目。该装置安装在海上平台上，旨在实现海洋平台的“零火炬”生产。装置中的压缩机为满足API 617的整体齿轮式压缩机，采用Inconel 625材料建造，配置双干气密封系统。该VRU用于收集来自气体处理装置的放空气以及火炬气，回收后进入气举压缩机。同样ADNOC在SARB的人工岛上的火炬气回收装置也采用了同样形式的整体齿轮式压缩机。

图9  ADNOC Umm Lulu项目火炬气回收装置用整体齿轮式压缩机（来源：Hanwha Power Systems）

由于整体齿轮式压缩机为多轴形式，在火炬气工况下每级叶轮都需要配置机械密封，建造成本高；转子轴承系统动力学特性复杂，制造难度大；中间冷却器数量多，冷却水需求量大^[23]。另外在气体组分范围较宽且夹带固体和液体时，离心压缩机的性能不能保证。

3.6 不同形式压缩机对比与选用

根据以上简述，将几种不同形式压缩机的特点和性能总结对比，见表1。对于每个项目来说，需根据项目情况和工艺条件，选择最合适的压缩机，以ConocoPhillips在挪威运营的Ekofisk海上平台FGRU的压缩机选型为例，该海洋平台综合对比了5种形式压缩机最终选定了其中一种，其选型过程总结见表2^[24]。

表1 不同类型压缩机对比^[25]

表2 Ekofisk平台FGRU压缩机选型对比

注：截至该项目可研阶段，整体齿轮式压缩机还没有在平台FGRU上的业绩，该项目未考虑整体齿轮式压缩机。

另外对于FGRU应用，选型方案可能使用不止一种选型。如1994年Esso Australia在其Longford的原油稳定和气体处理厂中建设的火炬气回收装置中，采用了第一级压缩使用液环压缩机，第二级和第三级压缩使用往复活塞压缩机的配置值实现了从火炬气中回收液相的目的^[9]。

3.7 不同形式压缩机选型原则

从以上对比和应用可以看出，每种形式压缩机都有其优点和局限，和其他应用一样，FGRU的压缩机选型方案可能不止一种，不存在某种应用只能选择特定形式的压缩机，也不存在某种形式压缩机只能应用于特定工况。为确定压缩机选型，最终用户必须在技术要求和非技术要求之间做好平衡。

技术要求包括许多方面，如工艺要求、火炬气组分、压缩机效率、冷却媒介来源、占地面积、可靠性等等。非技术要求包括对机型的熟悉程度、交货期、成本、运行维护要求以及备件等。另外在压缩机选型过程中必须考虑非设计工况下包括启停期间压缩机性能。为保证压缩机长期可靠运行，对压缩机的技术要求至关重要；但对于具体项目来说，所选定的压缩机并不一定是这种应用中最常用的机型，但是对于本项目来说是最合适的。所有项目都有其本身的技术限制，同时项目成本和建设周期也要考虑。所有的机型选择问题都可以归结为质量、交货期和成本三大要素^[7]。

选型过程还可以充分与压缩机厂家进行交流，参考借鉴各厂家的经验做法，以获得有价值的参考，并保证所选择压缩机的可获得性。

4 总结

压缩机作为增压回收火炬方法中的核心设备，其选型至关重要。多种容积式压缩机以及整体齿轮式压缩机都可应用于火炬气回收装置中。因结构和原理不同，不同形式压缩机在火炬气回收装置中的应用都具有各自的优势和缺点，文章对不同形式压缩机的特点以及在火炬气回收装置应用上的优劣势进行了总结。火炬气回收装置中压缩机的选型取决于多种因素，包括技术要求和非技术要求。对于特定的火炬气回收工况，通常有几种备选方案，需综合考虑工艺要求、火炬气组分、效率、冷却媒介来源、占地面积、可靠性对、机型的熟悉程度、交货期、成本、运行维护要求以及备件等多种因素才能选定最合适的压缩机。

参考文献：

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[2] Javad Asadi，Esmaeil Yazdani，Yasaman Hosseinzadeh Dehaghani et al. Technical evaluation and optimization of a flare gas recovery system for improving energy efficiency and reducing emissions[J]，Energy Conversion and Management，2021,236：1-11

[3] Rahimpour MR, Jokar SM. Feasibility of flare gas reformation to practical energy in Farashband gas refinery: No gas flaring. J Hazard Mater 2012;209–210:204–17