气体输送压力装置的研制与使用

　　天然气在我国能源结构中占有非常重要的地位，进入21世纪开始了以西气东输为标志的天然气工业大发展，近10年我国的天然气管道工业后来居上，管道工业建设水平不断提高。按照规划，我国将在2015年前建成“两横两纵”输气管道12374 km ，干线管道由2000年的10638 km增加为23012 km.建设4组地下储气库，地下储气库总工作容量达101. 75×10 8 m 3。

　　天然气管道输送主要采用天然气压缩机组进行增压输送，大多使用燃气发动机驱动压缩机，天然气既是原料气，也是燃料。由于压缩机组的结构及天然气组成的差异，必须使用相适应的润滑油。一般情况下，燃气发动机使用无灰或低灰类的燃气发动机油，压缩机油则选择具有特殊结构的合成油或高粘度的矿物油，以克服高压下烃类气体对压缩机油的稀释和对汽缸壁的冲冼作用。

　　1天然气组成特点天然气很难用一种组分或混合物来下定义，即使同一气藏的不同口井产生的天然气成分也各不相同，而且随着气藏逐步衰竭，气流组分也在发生变化。我国某些油气田天然气的组成如所示。

　　如所示，天然气组成非常复杂，除主要成分甲烷外，还富含高碳烃、二氧化碳、硫化氢等，对设备及润滑提出了更高的要求。

　　2燃气发动机的技术发展燃气发动机一般分为点燃式燃气发动机和压燃式双燃料燃气发动机。所列为燃气发动机基本分类。

　　点燃式燃气发动机常由柴油机改装而成，其缸体、曲轴、主轴承、凸轮挺杆及连杆等与柴油发动机一致。为防止敲缸，燃气发动机通常在较低压力下工作，点燃式燃气发动机输出功率只有柴油发动机的60 %～80 % ，发动机制造商只得靠增大缸径5 %～10 %来弥补功率的损失。点燃式燃气发动单位功率的制造成本高于柴油发动机。由于燃气发动机气缸操作压力较低，轴承负荷较小，气体燃烧完全，燃烧室干净，发动机及配件寿命增加，补偿了发动机成本的增加。目前大缸径、高贫燃燃气发动机的效率与同尺寸的柴油发动机相近。

　　双燃料压燃式燃气发动机以天然气为主要燃料，使用很少量的柴油作为引燃剂。柴油压缩自燃引燃燃烧室内的燃-气混合物，引燃柴油的比例占总燃料的1 %～15 %.由于柴油用量小，氮氧化物及颗粒物排放大大减少。双燃料压燃式燃气发动机通常可在双燃料及全柴油燃料间切换。为点燃式发动机与引燃预燃式发动机燃烧系比较图，引燃式点火能是火花塞点火能的8000倍，发动机效率及燃烧稳定性明显提高。

　　二冲程整体式燃气摩托天然气压缩机组为重载、低速，压缩缸、动力缸共用一根曲轴，并分置于机身两端呈水平布置，构成卧式对称平衡型机组。

　　动力部分和压缩部分连成一体，构成橇装式整体机组。通常情况下，压缩缸、动力缸及曲轴箱共用一个润滑系统，而对高硫化氢含量的天然气或重质烃含量较高的天然气，动力缸和压缩缸彼此分离，要求分别使用抗硫化氢腐蚀性能好及抗重质烃稀释性能强的润滑油。

　　3燃气发动机油的研究与应用天然气发动机的润滑方式与汽油、柴油发动机相似，但由于燃料及发动机结构等方面的特点，天然气发动机润滑油的配方组成及性能要求与普通发动机油有一定差异。天然气较液态烃类燃料有更高的比热容值，且大多数天然气发动机的燃气-空气比控制在理论计量范围，没有过多的进气冷却和稀释燃烧气，在通常情况下，燃气发动机具有更高的燃烧温度，要求油品具有更好的抗氧抗硝化性能。固定式天然气发动机通常会在野外满负荷下长时间运转，设备长时间运行安全性要求很高，要求油品具有长的使用寿命和优良的防腐蚀性能。

　　柴油等液态燃料在燃烧过程中的少量不完全燃烧产物对排气阀/阀座提供非常重要的润滑作用，天然气燃烧很完全，对排气阀/阀座的润滑很成问题。

　　天然气以气态形式导入发动机燃烧室，不能象液态燃料那样起到一定的润滑作用，因而，天燃气发动机就只能完全依靠润滑油燃烧后产生的少量灰分润滑阀系及阀座，太低的灰分不能起到有效的润滑作用，加剧阀系磨损，而太高的灰分又容易引起阀系堵塞及焊死，并容易引起燃烧室及活塞冠部沉积物增加，所以燃气发机制造商通常具有很严格的油品灰分要求。

　　根据润滑油品灰分的高低，燃气发动机油常分为无灰、低灰、中灰及高灰等几类，不同公司在其分类标准上有一定差异。所列为燃气发动机制造商对发动机油的灰分要求。二冲程燃气发动机都要求使用无灰产品，四冲程燃气发动机则大多要求油品灰分在0. 3 %～0. 6 %.

　　由于天然气中的硫含量一般很低，燃烧中产生的酸性物质较少，其对灰分（碱值）的需求主要是为了阀系等部位的润滑。对酸气（硫化氢含量较高）及生物气（沼汽等生物腐变而产生的以甲烷为主的可燃性气体） ，则需要较高的碱值以中和燃烧产生的酸性物质，减少发动机部件的腐蚀。

　　由于燃气发动机油尚无统一的国际标准，发动机制造商或油品生产商各自开发摸拟评定方法对油品性能进行检测。Caterpillar3500系列天然气发动机是使用*为广泛、使用工况也*为苛刻的发动机之一，天然气发动机油在3516发动机上使用的报废指标。

　　实验表明，用相同燃气发动机油复合剂，Ⅱ类基础油较Ⅰ类基础油在3516发动机上使用报废时间明显提高。

　　由于燃气发动机油对灰分的限制，金属清净剂的加量有限，在很多燃气发动机油产品中通过加大无灰分散剂的量在一定程度上提高油品的高温清净分散性能。由于无灰分散剂的高温热稳定性较差，对防锈性能的影响也较大。采用水杨酸盐清净剂体系，不加分散剂配方具有更好的防锈蚀和高温清净性能。

　　对市场上不同品牌的燃气发动机油结构分析也表明，在分散剂的加量上差异确实很大。金属清净剂的碱值主要由胶团中的无机碳酸盐提供，碱值越高，碳酸盐所占的比例越大，高碱值（超高碱值）金属清净剂在船用油等对油品碱值要求较高的领域使用很多。研究表明，低碱烷基酚盐/低碱水杨酸盐复合清净剂具有更好的抗硝化氧化及抗粘度增长性能，油品的使用寿命也更长。

　　研究表明，采用钙、镁盐清净体系及无灰分散剂、酚/胺辅助抗氧剂及极压抗磨剂、抗腐蚀添加剂的燃气发动机油，特别适用于固定式燃气发动机的润滑。

　　通常情况下天然气硫含量低、燃烧充分、燃烧室干净及结焦少，对润滑油的酸中和作用并不高，常使用中、低碱的清净剂提高油品的高温清净性能和热氧化稳定性，降低油品灰分。由于燃气发动机常在野外满负荷长期使用，要求油品的抗高温氧化硝化性能要好，因而燃气发动机油通常由清净分散剂、辅助抗氧剂、极压抗磨剂及抗腐蚀添加剂等构成，以保证设备的长期稳定运行。

　　由于天然气工业的快速发展，各主要油品公司均推出了相应的燃气发动机油，所列为主要的几类产品。

　　其中KCN803系中国石油大连润滑研发中心开发的低灰型燃气发动机油， A、B为国外著名石油公司燃气发动机油，C为国外燃气发动机油复合剂调制而成的样品。数据显示，KCN燃气发动机油与国外油品相当，可满足燃气发动机的使用要求。

　　4压缩机油天然气压缩机组主要在野外使用，压缩机气体入口直接与气井相接，气体中有较多的水和高碳烃液滴，有的气体还含有较多的硫化氢气体，使用环境非常苛刻，要求压缩机油具有良好高温清净分散性、抗氧化腐蚀、防锈性能等。燃气压缩机主要有往复式和回转式两种。压缩机油的选择决定于压缩机结构、被压缩气体组成、排气温度和排气压力等因素。如所示，不同类型压缩机的排气温度也各不相同。

　　往复式天然气压缩机气缸-活塞的润滑主要采用两种润滑方式：一种是泵-点润滑系统，在气缸上的每个润滑点都各用一分泵从油池中泵油；另一种润滑系统则是点-点润滑统统，即用一个（或两个以上）总泵泵油，经压缩机上的滑油分配器将润滑油注入各自的润滑点。

　　活塞往复式压缩机的排气压力很高，对气缸的润滑是一个难点。一般说来，对于排气压力低于7 MPa的压缩机，可用SAE40燃气发动机油润滑，而对于排气压力高于8 MPa的压缩机，则需用高粘度或特殊结构的润滑油。对压缩油田气或溶解气的压缩机，气缸油粘度的选择常依赖于气体组成特点及特定的排气压力，如果排气压力低于12 MPa ，220号油品或250～280号油品可满足要求，如果气体中含有较多的二氧化碳，则320～460号油品则比较适合。对排气压力高于28 MPa的往复式压缩机，有时460号的矿油型压缩机油也难以满足要求，必须选用150～220号的聚醚型合成压缩机油。

　　往复式压缩机的曲轴箱润滑系统对油品的要求相对简单，曲轴箱润滑系统与气缸的润滑系统彼此分离，通常选用SAE30或SAE40燃气发动机油。对于离心式压缩机，润滑油与被压缩气体不接触，一般选用防锈抗氧型或防锈抗氧抗磨型汽轮机油即可满足压缩机轴承、齿轮等的润滑和密封要求。对螺杆式压缩机，润滑油喷入压缩机内腔，润滑油起到润滑转子、轴承，防止气体在高压下泄漏和冷却作用。润滑油与被压缩气体在高温高压下充分混合，油品容易氧化变质，且由于烃类气体在矿油型压缩油中的溶解，使油品粘度急剧降低，引起油品润滑性和密封性变差，对螺杆式气体压缩机，一般要求选用聚醚型螺杆压缩机油。

　　为了改善矿油型压缩机油抗液态烃类物质的冲冼性能及降低气体中的油含量，降低润滑油消耗，通常在油品中常加入猪油、牛油及蓖麻油等动植物油。

　　但这些产品在使用及贮存过程中容易在油箱、油路及活塞等部位形成油泥或积炭，严重影响设备使用，现已很少使用。聚醚分子极性较大，烃类气体在聚醚中的溶解度小；聚醚具有很好的高低温性能和极压抗磨性能，粘度指数很高，在压缩机的高温运行中仍能提供良好的润滑与密封，以聚醚为基础油的压缩机油适合用作烃类气体的压缩。

　　加入动植物油后，在一定程度上降低了气体中的油含量和润滑油消耗，提高了油品抗天然气的稀释性能，但聚醚型压缩机油在使用中的润滑油消耗量及气体中的油含量都小得多。

　　甲烷、乙烯等烃类气体在聚醚中的溶解度远较其在烃类润滑油中的要低，在高压下被烃类气体饱和后，聚醚类油品的粘度保持率要高得多，有力地保证了高温高压下对摩擦副活塞（环） -气缸壁的润滑保护。

　　烃类气体在不同类压缩机油中的溶解性及润滑油的粘度保持性烃类气体中一般都含有一定量的高碳烷烃，在一定的压力下会冷凝成液态烃，液态烃可能冲洗润滑油膜，引起磨损加剧，所以用于烃类气体的润滑油必须具有高的抗液态烃冲洗性能。

　　聚醚型（PAG）压缩机油抗液态庚烷的冲冼能力更强，矿物油在经20次反复冲冼后，金属片上的油膜已几乎全部被冼掉，而聚醚油在经50次反复冲冼后，金属片上仍保留有40 %的润滑油膜，避免了干摩擦，在对重质烃含量较高天然气压缩时特别关键。

　　KCN系列压缩机油为中国石油大连润滑油研发中心开发的烃类气体专用压缩机油，与进口参比油相比，KCN烃类气体压缩机油具有更好的抗氧化腐蚀性和防锈性能，能够满足烃类气体压缩机的润滑、冷却和密封要求。

　　对于硫化氢（ H 2 S）含量较高的天然气，H 2 S对设备的腐蚀不容忽视。H 2 S对设备的腐蚀除发生金属的全面腐蚀外，还会发生氢致开裂和应力腐蚀开裂等局部腐蚀。当H 2 S与液相水或含水物流共存时，就形成湿H 2 S腐蚀环境。钢在该环境中的腐蚀反应过程可以表示如下：H 2 S H - + HS -阳极反应Fe Fe 2 + + 2e Fe 2 - + HS - FeS↓+ H +或Fe 2 - + S 2 FeS↓阴极反应2H + + 2e 2H H 2↑2H（渗入金属内部）总反应Fe + H 2 S FeS↓+ H 2↑2H（渗入金属内部）碳钢和低合金钢在湿硫化氢环境中的腐蚀开裂发生的范围很广，温度从30～160℃、硫化氢浓度从0. 040～130 mg/ g、pH值从酸性到碱性都有发生。

　　硫化氢致开裂设备中使用时间*短5个月，*长约40多个月。

　　高硫化氢含天然气对压缩机组的腐蚀问题非常严重，目前，主要靠适当提高油品碱值来起到中和天然气中的硫化氢及保护金属免受硫化氢的侵蚀，由于受油品灰分的限制，油品的碱值又不能太高。另一方面，通过向油中加入适量的噻二唑类抗硫化氢腐蚀添加剂，减轻硫化氢对金属表面的浸蚀，在一定程度上减缓硫化氢对设备的腐蚀。

　　5结束语天然气管道增压输送是天然气长距离、高效率运输的*有效途径，增压压缩机组是管道输送的核心，实现增压压缩机组长期高效的运行非常重要。

　　根据设备结构及天然气的组成特点，选用与之相适应燃气发动机油、天然气压缩机油及抗硫化氢腐蚀压缩机油等油品，对增压压缩机组的高效运行和天然气的长期稳定输送至关重要。