CN113685332A - 一种低碳排放型油气田压缩机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低碳排放型油气田压缩机及其控制方法，用以解决现有技术中油气田用压缩机不仅造成排放污染，且余热能源无法有效利用的问题。包括：压缩机***包括发动机和压缩机，发动机为压缩机供能，至少一套压缩机***中发动机排出的高温烟气通过换热器将余热能量送入余热发电***，余热发电***包括有机朗肯循环ORC***以及汽轮机发电***，***转换开关用于切换ORC***和汽轮机发电***；发动机、压缩机、换热器以及余热发电***皆通过PLC控制***进行控制。有益效果为减少油气田的碳排放，充分利用高温废气的能量，进行余热发电。

Description

一种低碳排放型油气田压缩机及其控制方法
技术领域：
本发明涉及油气田采油、采气技术领域，特别涉及一种低碳排放型油气田压缩机及其控制方法。
背景技术：
随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命***形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出碳达峰和碳中和目标，就是指我们国家承诺在2030年前，二氧化碳的排放不再增长，到2060年，针对排放的二氧化碳，要采取植树、节能减排等各种方式全部抵消掉。
油气田开采及天然气输送时，需要对天然气或油田伴生气进行增压，现有的技术主要是采用往复式或离心式压缩机进行增压，压缩机驱动为电机或燃气发动机，且相应的功率比较大，普遍在300KW-5000KW。对于电驱发动机，所购买消耗的电能对应也间接增加了碳排放；燃气发动机燃烧天然气等燃料，直接增加了碳排放。而对于油气田开采及天然气输送，由于环境的限制等因素，普遍采用燃气发动机作为压缩机的动力源，应用数量众多，给企业节能减排上造成了巨大压力，也与国家发展战略方向存在矛盾。
发明内容：
本发明提供一种低碳排放型油气田压缩机及其控制方法，用以解决现有技术中油气田用压缩机不仅造成排放污染，且余热能源无法有效利用的问题。
本发明提供一种低碳排放型油气田压缩机，包括：至少一套压缩机***、换热器、余热发电***以及PLC控制***；压缩机***包括发动机和压缩机，发动机为压缩机供能，至少一套压缩机***中发动机排出的高温烟气通过换热器将余热能量送入余热发电***，余热发电***包括有机朗肯循环ORC***以及汽轮机发电***，***转换开关用于切换ORC***和汽轮机发电***；发动机、压缩机、换热器以及余热发电***皆通过PLC控制***进行控制。
较佳的，余热发电***的电力输出部分接入压缩机使用。
较佳的，发动机包括：燃气轮机、四冲程发动机以及两冲程发动机中的一种或多种。
较佳的，压缩机包括：往复式压缩机、离心式压缩机以及螺杆压缩机中的一种或多种。
较佳的，发动机和压缩机单独成撬，ORC***单独成撬，汽轮机发电***单独成撬，ORC***以标准集装箱尺寸为单元。
一种低碳排放型油气田压缩机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
若压缩机的发动机的余热应用在余热发电***的输出功率大于等于第一功率设定阈值时，则切换至汽轮机发电***；若余热发电***的输出功率小于第一功率设定阈值时，则切换至ORC***；其中，第一功率设定阈值为1000kW；
PLC控制***监测压缩机的进气压力值和排气压力值，确保进气压力值与排气压力值处于正常范围；
同时，PLC控制***监测余热发电***中发电机的输出电压、输出电流以及频率；在确保输出电压和频率为市电标准时，调大余热发电***的烟气进气量以增大发电功率。
较佳的，所述PLC控制***监测压缩机的进气压力值和排气压力值，确保进气压力值与排气压力值处于正常范围，包括：
若进气压力值低于第一低压设定阈值，或高于第一高压设定阈值，则通过安全联锁保护***ESD紧急停机；若进气压力高于第一低压设定阈值且低于正常范围，则将压缩机的进气阀门开度调大，补充进气压力；若进气压力高于正常范围且低于第一高压设定阈值，则将压缩机的进气阀门开度调小，降低进气压力；
若排气压力低于第二低压设定阈值，或高于第二高压设定阈值，则通过ESD紧急停机；若排气压力高于第二低压设定阈值且低于正常范围，则增大发动机转速；若排气压力高于正常范围且低于第二高压设定阈值，则降低发动机转速。
有益效果包括：本发明实施例中的低碳排放型油气田压缩机，可以减少油气田在开采和储运时的碳排放，充分利用天然气压缩机的发动机产生的高温废气所含的能量，进一步进行余热发电，不仅节能，还有利于环境保护；同时，将余热发电***整体集成到压缩机中，一方面统一由PLC集中控制，便于余热发电***更好的与压缩机运行更好的匹配，另一方面，调节余热发电***所发的电用天然气压缩机的的电力使用及部分电力的输出。
附图说明：
附图1是一幅较佳实施方式的低碳排放型油气田压缩机的结构示意图。
附图2是一幅较佳实施方式的ORC循环过程的示意图。
具体实施方式：
为了给出一种低碳排放型油气田压缩机及其控制方法，用于解决现有技术中压缩机的烟气能量排放影响环境，且热量浪费较大的问题，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明。
参阅图1-图2所示，本发明实施例中的低碳排放型油气田压缩机3，包括：至少一套压缩机3***、换热器1、余热发电***以及PLC控制***4；压缩机3***包括发动机2和压缩机3，发动机2为压缩机3供能，至少一套压缩机3***中发动机2排出的高温烟气通过换热器1将余热能量送入余热发电***，余热发电***包括***转换开关5、有机朗肯循环ORC***6以及汽轮机发电***7，***转换开关5用于切换ORC***6和汽轮机发电***7；发动机2、压缩机3、换热器1以及余热发电***皆通过PLC控制***4进行控制。
具体的，油气田生产中，压缩机3的动力驱动端——燃气发动机2，在使用天然气等燃料时，其大量的天然气能量以热量的方式排放的大气中，热量的排放使得天然气等燃料利用率大大降低，单位功率下所消耗的天然气等燃料同步增加，这就造成了同等功率下，碳排放同步增加，天然气的利用率相对较低，即便是目前技术最为先进的发动机2，其最高效率也就不到40%，其余的以热辐射及高温烟气的方式进行了排放，通常，有效利用能量约占总能量的33％，机械摩擦损耗约为5％，低温热辐射约占27％，高温烟气约占35％。
高温废气排放对于柴油、天然气或生物质驱动的发动机2是常见的。几乎所有燃料燃烧过程中产生的废气含有的大部分能量，通过本发明中的低碳排放型压缩机3，能够充分利用天然气压缩机3的发动机2产生的高温废气所含的能量，进行余热发电，不仅节能减排，还能将电能输送至天然气压缩机3使用，以及多余部分向外部输出。
本发明实施例中的低碳排放型压缩机3包括至少一套压缩机3***、换热器1、余热发电***以及PLC控制***4，其中，压缩机3***中发动机2高温烟气通过换热器1与ORC***6或汽轮机发电***7进行能量交换输出；PLC控制***4整体控制发动机2运行参数、压缩机3运行参数以及ORC或燃气轮机运行发电的各项运行参数。对于一个油气田站点安装多台压缩机3***时，也采用一套余热发电***集中进行利用，提高利用效率，也降低投资成本。
在核算压缩机3余热发电***的输出功率低于1000kW时，宜采用ORC***6，在核算压缩机3余热输出功率高于1000kW时，宜采用汽轮机发电***7进行发电。
余热发电***的电力输出部分接入压缩机3使用，若还有盈余的情况下，对外输出电能。
发动机2包括：燃气轮机、四冲程发动机2以及两冲程发动机2中的一种或多种。压缩机3包括：往复式压缩机3、离心式压缩机3以及螺杆压缩机3中的一种或多种。
发动机2和压缩机3单独成撬，ORC***6单独成撬，汽轮机发电***7单独成撬，ORC***6以标准集装箱尺寸为单元，便于公路运输。余热发电***通过换热器1与发动机2的高温烟气排放管路连接。压缩机3***、发电***、PLC集成为一体。
采用ORC***6发电时，发动机2的高温烟气，约450摄氏度，先与换热器1中的水换热，产生100~200摄氏度的中低压水或蒸汽，再通过中低压水或蒸汽与ORC***6中的有机热媒介质进行二次换热，生成具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械做功，带动发电机发电；中低压水或蒸汽经冷却后循环利用。ORC***6中的有机热媒介质为低沸点有机物其对交底温度的热源具有更高的利用效率。
采用汽轮机发电***7发电时，发动机2的高温烟气，直接对软化水进行加热，形成过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机内膨胀做功，使叶片转动而带动发电机发电，做工后的蒸汽经冷却后循环利用。
下面对本发明中的低碳排放型油气田压缩机3的控制方法进行详细介绍。
本发明中的低碳排放型油气田压缩机3的控制方法包括：
若余热发电***的输出功率大于等于第一功率设定阈值时，则切换至汽轮机发电***7；若余热发电***的输出功率小于第一功率设定阈值时，则切换至ORC***6；其中，第一功率设定阈值为1000kW；
PLC控制***4监测压缩机3的进气压力值和排气压力值，确保进气压力值与排气压力值处于正常范围；
同时，PLC控制***4监测余热发电***中发电机的输出电压、输出电流以及频率；在确保输出电压和频率为市电标准时，调大余热发电***的烟气进气量以增大发电功率。
具体的，根据站场压缩机3余热核算利用功率选择余热发电***，通过站场压缩机3的余热能量，计算出余热利用功率，在大于1000KW时，则宜设计采用汽轮机发电***7，若根据站场压缩机3余热核算利用功率小于1000KW时，宜设计采用ORC***6。余热发电***的选择，选择汽轮机发电还是ORC***6，这个第一功率设定阈值选择1000kW，首先基于一个油气田站内所用的压缩机3本身的功率，以及发动机2的余热能量，其次是基于汽轮机发电***7和ORC***6的发电效率，以及在何种余热能量下能发挥出最大效应来选择的。发动机2的余热能量，根据发动机2功率，计算出所用天然气的总能量，再根据大致的余热能量的占比，计算出发动机2余热能量的大小，且发动机2余热在发电的时候的效率也考虑进去，最终大致能够计算出最终的一个发电效率。
其次PLC控制***4主要监控压缩机3的工况，保证压缩机3的安全运转，该***不止为了将余热最大化利用，同时主要是在余热利用的基础上，要保证压缩机3的正常运转，压缩机3所需监测的主要参数为进气压力和排气压力，确保进气压力值与排气压力值处于正常范围，包括：
若进气压力值低于第一低压设定阈值，或高于第一高压设定阈值，则通过安全联锁保护***ESD紧急停机；若进气压力高于第一低压设定阈值且低于正常范围，则将压缩机3的进气阀门开度调大，补充进气压力；若进气压力高于正常范围且低于第一高压设定阈值，则将压缩机3的进气阀门开度调小，降低进气压力；即，进气压力稍低于或高于正常范围值时，皆可以通过调节压缩机3的进气阀门开度来控制进气压力，但是进气压力再低，或再高时，压缩机3继续工作下去即会损坏，因此采用ESD***紧急停机。
若排气压力低于第二低压设定阈值，或高于第二高压设定阈值，则通过ESD紧急停机；若排气压力高于第二低压设定阈值且低于正常范围，则增大发动机2转速；若排气压力高于正常范围且低于第二高压设定阈值，则降低发动机2转速。同样的，排气压力在非常低或非常高的情况下，都对压缩机3进行停机操作，若只是稍微低于或高于正常范围值，则通过调节发送机转速，控制排气压力。
PLC控制***4监测余热发电***中发电机的输出电压、输出电流以及频率；在确保输出电压和频率为市电标准时，即控制输出电压为220V，频率为50Hz时，调大余热发电***的烟气进气量，电流增加，以增大发电功率。通过PLC检测到的瞬态电压的波动，有效的控制烟气流量，确保瞬态电压波动率低于0.25%，瞬态频率调整率低于5%，电压波形失真度低于3%。
压缩机3的用电也通过PLC控制***4进行控制，余热发电电量足够供给的情况下，采用余热发电***供电，若不足以满足压缩机3使用，则自动切换至外部并网电力***。
PLC控制***4同时控制发动机2转速、自动调节空燃比、燃烧提前角、高温烟气流量开关、ORC***6以及汽轮机发电***7负荷。PLC控制***4监测压缩机3的进气压力值、排气压力值、进气温度、排气温度、各轴承、轴瓦等各项参数，确保进气压力值与排气压力值等各项参数处于正常范围。
本发明实施例中的低碳排放型压缩机3工作状态：压缩机3单独运行时，不使用余热发电***，能够实现在发动机2驱动下，压缩机3能够高效的进行天然气的压缩全过程，通过PLC关闭压缩机3的发动机2烟气流量调节阀；在低碳排放模式下，发动机2带动压缩机3进行天然气的压缩，发动机2高温废气通过PLC控制***4打开烟气流量调节阀，高温烟气通过水循环换热器1对有机热媒或水进行加热，加热后的介质带动ORC***6或汽轮机发电***7进行发电，发出的电进行外部输出。

Claims (7)

1.一种低碳排放型油气田压缩机，其特征在于，包括：至少一套压缩机***、换热器、余热发电***以及PLC控制***；压缩机***包括发动机和压缩机，发动机为压缩机供能，至少一套压缩机***中发动机排出的高温烟气通过换热器将余热能量送入余热发电***，余热发电***包括***转换开关、有机朗肯循环ORC***以及汽轮机发电***，***转换开关用于切换ORC***和汽轮机发电***；发动机、压缩机、换热器以及余热发电***皆通过PLC控制***进行控制。
2.如权利要求1中所述的低碳排放型油气田压缩机，其特征在于，余热发电***的电力输出部分接入压缩机使用。
3.如权利要求1中所述的低碳排放型油气田压缩机，其特征在于，发动机包括：燃气轮机、四冲程发动机以及两冲程发动机中的一种或多种。
4.如权利要求1中所述的低碳排放型油气田压缩机，其特征在于，压缩机包括：往复式压缩机、离心式压缩机以及螺杆压缩机中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的低碳排放型油气田压缩机，其特征在于，发动机和压缩机单独成撬，ORC***单独成撬，汽轮机发电***单独成撬，ORC***以标准集装箱尺寸为单元。
6.一种如权利要求1所述的低碳排放型油气田压缩机的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
若压缩机的发动机的余热应用在余热发电***的输出功率大于等于第一功率设定阈值时，则切换至汽轮机发电***；若余热发电***的输出功率小于第一功率设定阈值时，则切换至ORC***；其中，第一功率设定阈值为1000kW；
PLC控制***监测压缩机的进气压力值和排气压力值，确保进气压力值与排气压力值处于正常范围；
同时，PLC控制***监测余热发电***中发电机的输出电压、输出电流以及频率；在确保输出电压和频率为市电标准时，调大余热发电***的烟气进气量以增大发电功率。
7.如权利要求1所述的低碳排放型油气田压缩机，其特征在于，所述PLC控制***监测压缩机的进气压力值和排气压力值，确保进气压力值与排气压力值处于正常范围，包括：
若进气压力值低于第一低压设定阈值，或高于第一高压设定阈值，则通过安全联锁保护***ESD紧急停机；若进气压力高于第一低压设定阈值且低于正常范围，则将压缩机的进气阀门开度调大，补充进气压力；若进气压力高于正常范围且低于第一高压设定阈值，则将压缩机的进气阀门开度调小，降低进气压力；
若排气压力低于第二低压设定阈值，或高于第二高压设定阈值，则通过ESD紧急停机；若排气压力高于第二低压设定阈值且低于正常范围，则增大发动机转速；若排气压力高于正常范围且低于第二高压设定阈值，则降低发动机转速。
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