燃气驱动天然气压缩机厂房通风设计要点

付浩 雷文贤 张璐 赵青 李华山 李俊杰 王继强

1长庆工程设计有限责任公司

2新疆油田公司基本建设工程处

长庆油田是我国目前最大的地面油气田，2019年长庆油田天然气产量突破4.12×1010m3，占国内天然气总产量的25%。通过压缩机降低上游井口压力，提高气井产量，是长庆油田重要的地面生产工艺。目前长庆油田有天然气压缩机百余台，其中燃气驱动压缩机占据了大部分，根据国家对噪音排放的要求，需要建设大量的封闭厂房来隔绝治理压缩机噪音。但空间封闭给天然气压缩机带来了安全及运行方面的风险，一方面是天然气泄漏在厂房内积聚带来的安全风险；
另一方面是机组排热导致室内温度过高带来的运行风险。对暖通专业而言，通风是应对以上两种风险的重要手段，但目前压缩机厂房通风设计往往只关注天然气安全方面的泄漏问题，很少关注机组排热问题，设计时直接给出热量值，缺少数据来源和依据，对设计工作的指导性不强。为此从天然气安全、压缩机组散热两个角度对燃气驱动压缩机厂房的通风设计开展讨论[1-4]。

天然气压缩机厂房的排风计算根据需求可以分天然气泄漏所需安全排风量要求及机组排热所需排风量要求，压缩机厂房的设计风量应同时满足两种排风的需求。以长庆油田苏里格气田采用的RTY1250M 型燃气驱动天然气压缩机组为例，夏季室外通风温度定为27 ℃，分别对两种排风的计算进行探讨。

1.1 机组参数

RTY1250M 型燃气驱动天然气压缩机组包含发动机、压缩机、空冷器、循环水系统、润滑油系统等设备。压缩机组主要参数见表1，发动机工艺流程见图1，压缩机示意图见图2。

图1 燃气发动机工艺流程Fig.1 Process flow of gas engine

图2 RTY1250M型天然气压缩机示意图Fig.2 Schematic diagram of RTY1250M natural gas compressor

表1 天然气压缩机组主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of natural gas compressor unit

1.2 厂房情况

压缩机厂房长17 m，宽15.5 m，净高7 m，采用钢架结构，厂房外墙0.9 m 以下采用砖砌，0.9 m以上采用轻钢结构。压缩机主体与空冷器一体成橇，安装在压缩机厂房内，缓冲罐侧一端面向外门，空冷器一端面向外墙。

2.1 天然气泄漏所需安全排风量

天然气压缩机厂房内存在突然泄漏大量危险性气体的爆炸风险，因此需要设置日常及事故状态的机械排风设施。通常设计中采用换气次数的方法确定房间的日常及事故通风量[5-9]。不同规范对天然气压缩机通风换气次数的要求如表2所示。

从表2 中可以看出不同规范对天然气压缩机房的换气次数要求基本一致，但对层高6 m 以上房间的事故通风量计算方法有分歧。因天然气压缩机房内需考虑设备维修和保养，室内应设置桁吊，层高通常在7 m 以上，这导致两种计算方法最终得到的结果差别较大。因此《石油天然气地面建设供暖通风与空气调节设计规范》《油田油气集输设计规范》定位与油田生产更为贴近，也更加严格，建议油气田建设的天然气压缩机房，事故通风设计总换气次数采用每日10次常规通风加8次全体积通风的计算结果。以RTY1250M 型机组为例，压缩机房长17 m，宽15.5 m、净高7 m，安全所需排风量为30 566 m3/h，补风量取排风量的80%，为24 452.8 m3/h。

表2 不同规范天然气压缩机房通风要求Tab.2 Ventilation requirements of natural gas compressor room in different codes

2.2 排热所需排风量

天然气压缩机组运行会散发大量热量，若不及时排出，夏季容易引起室温过高，导致机组停机。现有的规范及产品手册中对机组的具体散热量和所需配套通风都没有明确的要求。根据查阅资料，燃驱压缩机散发热量可以分为发动机散热量和天然气压缩散热量两大部分。

2.2.1 发动机散热量

天然气压缩机组散发热量主要来自发动机的燃烧热量、压缩机压缩气体放热以及机械传动过程中的功率损耗。机组在不同工况条件下各设备的实际运行参数和额定参数有一定的出入，通过查询压缩机及发动机设备说明书工况表，明确天然气压缩机部分工况条件（表3）。

表3 压缩机及发动机各工况数据Tab.3 Data of compressor and engine under various working conditions

从图3和表3中可以看出，发动机燃烧产生的能量在不同输出功率下，各分项的占比相对恒定，主要转化为对外做功，烟气排放及缸套水散热。其中烟气通过烟道排出室外，该部分热量约占燃料总热量的27%，不计入散入室内热量；
缸套水、润滑油、中间冷却器散发的热量绝大部分通过空冷器散失，约占燃料总热量的35%；
辐射热量直接散失到室内，转化为排风降温负荷，约占燃料总热量的6.4%。

图3 燃气发动机输出能量比例Fig.3 Proportion of output energy of gas engine

2.2.2 天然气压缩散热量

发动机产生的机械功传递给压缩机压缩天然气；
天然气近似绝热压缩后，压力和温度升高，然后通过空冷器释放热量，进入下一级压缩或外输。采用Lee-Kesler法[10]计算天然气焓值：

式中：H0为理想气体比焓，cal/mol；
H为热焓，cal/mol；
R为气体常数，1.987cal/(mol·K)；
TC为临界温度，K。

式中：H0为理想气体比焓，J/kg；
A、B、C、D、E、F为系数；
T为兰金温标度，R。（1 R。=5/9 K）。）

天然气中甲烷成分占比通常在91%以上，将天然气按照甲烷的物性参数来近似计算空冷器前后实际焓值变化，确定散热量。经计算6 种工况下对应焓值如表4所示。

表4 天然气焓值Tab.4 Enthalpy value of natural gas

经过计算发现，天然气空冷器的散热量略高于机组输入的机械功，类似于制冷循环的压缩和放热阶段。由此可知，天然气压缩机组发动机输出的功率最终都将转化为热量散失，而这部分热量通过每级压缩后的空冷器排放，约占燃料总热量的31%。

2.2.3 风量计算

以RTY1250M 型机组为例，压缩机房长17 m，宽15.5 m、净高7 m。根据上文数据可知，空冷器放出的总热量约占燃烧热量的66%，约为1 960 kW，折合7.4 kW/m2，该部分热量散入室内，很难通过全面通风方式消除，应采用局部通风的方式将热量导流至室外。由于设备不保温，适当考虑空冷器散热量5%的输送热损失，则空冷器散入室内热量约占燃烧热量的3.3%；
机组对外界的辐射热量全部散入室内，约占燃烧热量的6.4%；
考虑空冷器排风直接导出室外的情况下，厂房全面通风排热量占机组燃烧热量的9.7%，约为280 kW，相当于机组发动机输出功率的22%。

参考西安工程大学牛萌萌对天然气压缩机房的CFD（流体力学计算）通风系统模拟，天然气压缩机房在高度方向上存在较明显的温度梯度，工作区域与房间顶部温差接近10 ℃，考虑顶部排风能更有效排出室内热量[11]。夏季室外通风计算温度为27 ℃，保障工作区域室内温度不大于38 ℃的情况下，屋顶排风温度取48 ℃；
在空冷器排风导出室外情况下，热量平衡公式计算所需排风量为49 832 m3/h，明显大于上文描述的安全所需排风量（30 566 m3/h）。

式中：G为消除预热所需要的全面通风量，m3/h；
Q为单位时间内总余热量，kW；
c为空气比热容，kJ/(kg·K)；
tp为排出空气的温度，℃；
tW为室外空气的温度，℃；
ρn为排风空气密度，kg/m3。

RTY1250M 型天然气压缩机空冷器与压缩机是集成一体的，虽然排风可以导出室外，但补风仍需要从室内取风。因此在计算压缩机厂房补风量时，除了计算全面机械排风所需要的补风量，还应计算空冷器排风所需的补风量；
否则将导致压缩机排气温度过高而停机。RTY1250M 型天然气压缩机空冷器排风量为215 000 m3/h，则补风量不应小于(215 000+49 832)×80%=211 866 m3/h。

通过分析不同规范对于压缩机厂房的安全要求及燃气驱动天然气压缩机热量的不同散失途径，分别计算压缩机厂房安全所需排烟排风量和散热所需通风量，得到结论如下：

（1）不同规范对压缩机厂房通风的要求有出入，经对比计算，取每日常规通风10次加8次全体积通风。

（2）天然气压缩过程与制冷循环的压缩、放热阶段类似，发动机输出功率都将转化为热量通过空冷器散失。

（3）燃气驱动天然气压缩机空冷器散热量占到燃烧热量的66%左右，从散热角度出发，将空冷器设置在厂房外部最有利；
若设置在厂房内，则应将空冷器排风单独导出室外，不应排入室内。

（4）燃气驱动天然气压缩机散入室内余热约占燃烧热量的9.7%，该部分热量在各类工况下的占比都很稳定，为方便计算，可以认为散入室内的余热可按照机组发动机输出功率的22%计算。

（5）经计算，燃气驱动天然气压缩机厂房散热所需排风量明显大于天然气泄漏安全所需排风量，因此在日常设计中不应仅考虑规范要求的换气次数，应取两者较大值。

（6）空冷器排风量远大于压缩机厂房全面排风风量，在补风量设计中，空冷器安装在厂房室内时应考虑空冷器的补风量和全面排风的补风量。