日前,位于重慶經(jīng)開區(qū)的重慶氣體壓縮機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡稱“重慶氣體壓縮機(jī)廠”)傳來好消息,該公司研發(fā)的全球首臺(tái)套70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機(jī)成功投產(chǎn),是目前全球壓力最高、單機(jī)流量最大的撬裝增壓機(jī)組。
▲圖為70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機(jī)。(受訪者供圖)
▲圖為70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機(jī)。(受訪者供圖)
據(jù)了解,天然氣壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于國家大型儲(chǔ)氣庫建設(shè)、油田注氣驅(qū)油增產(chǎn)、新型儲(chǔ)能及天然氣開采集輸?shù)阮I(lǐng)域,是保障國家能源安全的“國之重器”。
“可以說,70MPa大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)在國內(nèi)外都處于技術(shù)空白狀態(tài),是產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需突破的瓶頸。”重慶氣體壓縮機(jī)廠副總工程師王躍飛告訴記者,經(jīng)過2年多的攻關(guān)研發(fā),終于在行業(yè)取得關(guān)鍵性突破。
那么,重慶氣體壓縮機(jī)廠究竟是如何啃下這塊硬骨頭的?
來自數(shù)千公里外的“燃眉之急”
時(shí)間的指針撥回到2022年3月。彼時(shí),某油田專家考察組來重慶走訪,專程來到重慶氣體壓縮機(jī)廠調(diào)研座談。
“有沒有可能研發(fā)國產(chǎn)70MPa大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī),解決深井油田開采的燃眉之急?”某油田相關(guān)負(fù)責(zé)人這句看似簡單的話,卻引發(fā)了座談會(huì)現(xiàn)場不小的討論。
事實(shí)上,對(duì)于這位領(lǐng)導(dǎo)所說的“燃眉之急”,重慶氣體壓縮機(jī)廠的每一位參會(huì)人員都心領(lǐng)神會(huì)。
因?yàn)椋L期以來,中國大部分油田所使用的高壓大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)都依賴從國外進(jìn)口,不僅價(jià)格昂貴,且交付周期長。如果再遭遇一些不確定因素,壓縮機(jī)的交付就更遙遙無期。
此前,國內(nèi)普遍進(jìn)口的大排量機(jī)組最高排氣壓力為52MPa,流量為25萬方/天,但是排氣壓力無法滿足超深井注氣需求。
而小排量機(jī)組最高壓力雖有70MPa,但流量僅為5萬方/天,對(duì)于一個(gè)1億立方米的油井而言,需要同時(shí)使用多臺(tái)設(shè)備才能滿足需求,存在投資大、占地廣、易損件多、運(yùn)維工作量大、維護(hù)成本高等問題,成為長期困擾油田提升采油效率和收益的最大攔路虎。
很快,這場會(huì)議上引發(fā)的討論就轉(zhuǎn)換成了重慶氣體壓縮機(jī)廠的行動(dòng)。
“經(jīng)過一個(gè)月反復(fù)調(diào)研、反復(fù)論證,我們決定集中優(yōu)勢力量集中攻關(guān),啃下這塊卡住我國能源安全的硬骨頭。”王躍飛表示。
15個(gè)“最強(qiáng)大腦”造出“超級(jí)打氣筒”
說干就干!2022年,重慶氣體壓縮機(jī)廠一個(gè)由15位科研精英組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)正式“上線”。
“天然氣壓縮機(jī)的工作原理,可以簡單理解為一個(gè)打氣筒,通過活塞往返運(yùn)動(dòng),把氣體注入油井,實(shí)現(xiàn)石油和天然氣的采集。”王躍飛介紹,而高壓大流量天然氣壓縮機(jī)就像是一個(gè)“超級(jí)打氣筒”。
不過,想要研發(fā)出滿足超深井采油采氣所需的“超級(jí)打氣筒”并不容易。
首先,就是要將這個(gè)打氣筒的氣壓從52MPa提升至70MPa。但如何既能保證氣筒里的活塞在如此高的壓力下既能靈活運(yùn)動(dòng),又不發(fā)生氣體泄漏?這是一個(gè)難點(diǎn)。
“為此,團(tuán)隊(duì)發(fā)明了氣缸與活塞之間高達(dá)70MPa密封壓差的往復(fù)動(dòng)密封技術(shù),利用卸荷槽平衡部分氣體壓力,減少活塞環(huán)對(duì)氣缸鏡面摩擦、磨損。”王躍飛分析,同時(shí),壓縮機(jī)還采用組合式活塞環(huán)組,提升氣缸的密封效果。
此外,在70MPa的高壓下,原有技術(shù)規(guī)范只適用于小直徑的“氣筒”,當(dāng)“氣筒”的直徑擴(kuò)大至原來的4倍時(shí),常規(guī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就失去了參考意義。
瞄準(zhǔn)這個(gè)難題,研發(fā)團(tuán)隊(duì)基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與流場分析優(yōu)化了高壓氣缸結(jié)構(gòu)及流道設(shè)計(jì),根據(jù)模擬結(jié)果選擇疲勞性能優(yōu)良的缸體材料,最后通過特殊熱處理工藝達(dá)到表面性能要求,成功突破大直徑氣缸研發(fā)的重要關(guān)口。
經(jīng)過2年多的技術(shù)攻關(guān),研發(fā)工作進(jìn)入尾聲。原本以為解決了高壓密封性和大直徑氣缸兩大核心研發(fā)問題,大排量高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的成功已經(jīng)觸手可及。
沒想到,在隨后的廠內(nèi)試驗(yàn)以及現(xiàn)場安裝環(huán)節(jié)中,機(jī)組管道振動(dòng)過大的新問題又?jǐn)[在了眼前。
“天然氣壓縮機(jī)各部件之間是通過管道相連的,在高壓的活塞運(yùn)動(dòng)中,不可避免會(huì)帶來管道振動(dòng)。”王躍飛分析,如果振動(dòng)過于劇烈,不僅會(huì)導(dǎo)致螺栓連接脫落等安全隱患,甚至連機(jī)組都無法正常開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
針對(duì)新問題,研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量氣流脈動(dòng)試驗(yàn),最終提出了壓力大于35MPa部分管道的氣流脈動(dòng)及管道振動(dòng)控制準(zhǔn)則。該項(xiàng)技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng),達(dá)到國際先進(jìn)水平。
或?qū)⒅χ貞c天然氣“銀行”擴(kuò)容
歷經(jīng)2年多的研發(fā)生產(chǎn),2024年4月,這個(gè)全球首臺(tái)套70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機(jī)成功應(yīng)用在某油田,有效解決天然氣輸氣過程中氣量變化大、撬裝化要求高等難題,有力助推我國超深井注氣驅(qū)油、輸氣作業(yè)。
事實(shí)上,除了應(yīng)用于油田注氣驅(qū)油增產(chǎn),高壓大排量天然氣壓縮機(jī)還將在國家大型儲(chǔ)氣庫建設(shè)、新型儲(chǔ)能等領(lǐng)域大展身手。
比如,助力地下儲(chǔ)氣庫的建設(shè),就是一個(gè)典型案例。
所謂地下儲(chǔ)氣庫,就是將天然氣增壓注入地層的縫隙中儲(chǔ)存,在需要供氣時(shí),進(jìn)行采集、脫水,最后輸入天然氣管網(wǎng),被稱為天然氣“銀行”。目前,我國已建成25座地下儲(chǔ)氣庫,儲(chǔ)氣庫容達(dá)400億立方米,調(diào)峰保供惠及10余個(gè)?。ㄊ校?億人口。
特別是對(duì)于重慶而言,重慶地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、氣藏蓋層好,密封性比較好,天然氣不易泄漏,正大力修建地下儲(chǔ)氣庫。當(dāng)前,已建成相國寺儲(chǔ)氣庫,還將修建銅鑼?shí){、明月峽、萬順場、沙坪場、寨溝灣等5個(gè)儲(chǔ)氣庫項(xiàng)目。未來,重慶儲(chǔ)氣庫群預(yù)計(jì)將累計(jì)形成工作氣量77.7億立方米,可滿足2億多人口3個(gè)多月的生活用氣。
“隨著高壓大流量天然氣壓縮機(jī)的投產(chǎn)成功,或?qū)⒅χ貞c天然氣‘銀行’加速擴(kuò)容。”王躍飛舉例說,比如現(xiàn)在儲(chǔ)氣庫使用的天然氣壓縮機(jī)普遍在20MPa左右,如果提升至70MPa,僅一個(gè)地下儲(chǔ)氣庫的天然氣儲(chǔ)量就是原來的3.5倍,不僅將緩解川渝地區(qū)冬季天然氣供需矛盾,還將助力全國“西氣東輸”網(wǎng)管的有效調(diào)度。
王躍飛分析,得益于國產(chǎn)高壓大流量天然氣壓縮機(jī)技術(shù)的領(lǐng)先、價(jià)格的實(shí)惠以及后期維護(hù)的便捷,可以預(yù)見,天然氣增壓輸送領(lǐng)域大量裝備進(jìn)口替代的進(jìn)程將加速到來,市場前景看好。