日前，位于重慶經開區的重慶氣體壓縮機廠有限責任公司（以下簡稱“重慶氣體壓縮機廠”）傳來好消息，該公司研發的全球首臺套70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機成功投產，是目前全球壓力最高、單機流量最大的撬裝增壓機組。
▲圖為70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機。（受訪者供圖）
▲圖為70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機。（受訪者供圖）
據了解，天然氣壓縮機廣泛應用于國家大型儲氣庫建設、油田注氣驅油增產、新型儲能及天然氣開采集輸等領域，是保障國家能源安全的“國之重器”。
“可以說，70MPa大排量高轉速壓縮機在國內外都處于技術空白狀態，是產業發展急需突破的瓶頸。”重慶氣體壓縮機廠副總工程師王躍飛告訴記者，經過2年多的攻關研發，終于在行業取得關鍵性突破。
那么，重慶氣體壓縮機廠究竟是如何啃下這塊硬骨頭的？
來自數千公里外的“燃眉之急”
時間的指針撥回到2022年3月。彼時，某油田專家考察組來重慶走訪，專程來到重慶氣體壓縮機廠調研座談。
“有沒有可能研發國產70MPa大排量高轉速壓縮機，解決深井油田開采的燃眉之急？”某油田相關負責人這句看似簡單的話，卻引發了座談會現場不小的討論。
事實上，對于這位領導所說的“燃眉之急”，重慶氣體壓縮機廠的每一位參會人員都心領神會。
因為，長期以來，中國大部分油田所使用的高壓大排量高轉速壓縮機都依賴從國外進口，不僅價格昂貴，且交付周期長。如果再遭遇一些不確定因素，壓縮機的交付就更遙遙無期。
此前，國內普遍進口的大排量機組最高排氣壓力為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。
而小排量機組最高壓力雖有70MPa，但流量僅為5萬方/天，對于一個1億立方米的油井而言，需要同時使用多臺設備才能滿足需求，存在投資大、占地廣、易損件多、運維工作量大、維護成本高等問題，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，這場會議上引發的討論就轉換成了重慶氣體壓縮機廠的行動。
“經過一個月反復調研、反復論證，我們決定集中優勢力量集中攻關，啃下這塊卡住我國能源安全的硬骨頭。”王躍飛表示。
15個“最強大腦”造出“超級打氣筒”
說干就干！2022年，重慶氣體壓縮機廠一個由15位科研精英組成的研發團隊正式“上線”。
“天然氣壓縮機的工作原理，可以簡單理解為一個打氣筒，通過活塞往返運動，把氣體注入油井，實現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就像是一個“超級打氣筒”。
不過，想要研發出滿足超深井采油采氣所需的“超級打氣筒”并不容易。
首先，就是要將這個打氣筒的氣壓從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動，又不發生氣體泄漏？這是一個難點。
“為此，團隊發明了氣缸與活塞之間高達70MPa密封壓差的往復動密封技術，利用卸荷槽平衡部分氣體壓力，減少活塞環對氣缸鏡面摩擦、磨損。”王躍飛分析，同時，壓縮機還采用組合式活塞環組，提升氣缸的密封效果。
此外，在70MPa的高壓下，原有技術規范只適用于小直徑的“氣筒”，當“氣筒”的直徑擴大至原來的4倍時，常規技術標準就失去了參考意義。
瞄準這個難題，研發團隊基于結構強度與流場分析優化了高壓氣缸結構及流道設計，根據模擬結果選擇疲勞性能優良的缸體材料，最后通過特殊熱處理工藝達到表面性能要求，成功突破大直徑氣缸研發的重要關口。
經過2年多的技術攻關，研發工作進入尾聲。原本以為解決了高壓密封性和大直徑氣缸兩大核心研發問題，大排量高轉速壓縮機的成功已經觸手可及。
沒想到，在隨后的廠內試驗以及現場安裝環節中，機組管道振動過大的新問題又擺在了眼前。
“天然氣壓縮機各部件之間是通過管道相連的，在高壓的活塞運動中，不可避免會帶來管道振動。”王躍飛分析，如果振動過于劇烈，不僅會導致螺栓連接脫落等安全隱患，甚至連機組都無法正常開機運轉。
針對新問題，研發團隊進行了大量氣流脈動試驗，最終提出了壓力大于35MPa部分管道的氣流脈動及管道振動控制準則。該項技術屬國內首創，達到國際先進水平。
或將助力重慶天然氣“銀行”擴容
歷經2年多的研發生產，2024年4月，這個全球首臺套70MPa、20萬方/天高壓大流量天然氣壓縮機成功應用在某油田，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油、輸氣作業。
事實上，除了應用于油田注氣驅油增產，高壓大排量天然氣壓縮機還將在國家大型儲氣庫建設、新型儲能等領域大展身手。
比如，助力地下儲氣庫的建設，就是一個典型案例。
所謂地下儲氣庫，就是將天然氣增壓注入地層的縫隙中儲存，在需要供氣時，進行采集、脫水，最后輸入天然氣管網，被稱為天然氣“銀行”。目前，我國已建成25座地下儲氣庫，儲氣庫容達400億立方米，調峰保供惠及10余個省（市）、2億人口。
特別是對于重慶而言，重慶地質結構穩定、氣藏蓋層好，密封性比較好，天然氣不易泄漏，正大力修建地下儲氣庫。當前，已建成相國寺儲氣庫，還將修建銅鑼峽、明月峽、萬順場、沙坪場、寨溝灣等5個儲氣庫項目。未來，重慶儲氣庫群預計將累計形成工作氣量77.7億立方米，可滿足2億多人口3個多月的生活用氣。
“隨著高壓大流量天然氣壓縮機的投產成功，或將助力重慶天然氣‘銀行’加速擴容。”王躍飛舉例說，比如現在儲氣庫使用的天然氣壓縮機普遍在20MPa左右，如果提升至70MPa，僅一個地下儲氣庫的天然氣儲量就是原來的3.5倍，不僅將緩解川渝地區冬季天然氣供需矛盾，還將助力全國“西氣東輸”網管的有效調度。
王躍飛分析，得益于國產高壓大流量天然氣壓縮機技術的領先、價格的實惠以及后期維護的便捷，可以預見，天然氣增壓輸送領域大量裝備進口替代的進程將加速到來，市場前景看好。
