[发明专利]超音速超高压二氧化碳压缩机机组

说明书

本发明公开了一种超音速超高压二氧化碳压缩机机组，属于激波压缩领域。本发明针对现有技术存在的三项技术难题,主要解决两级压缩出口压力不能达到50MPa的缺陷，并在此基础上进一步解决超高压级起动期间用回流到压缩机进口，造成的能量浪费以及超高压力、超高转速转子的轴向力平衡和轴承型式。本发明采用三级超音速激波压缩，两组第二级向一组第三级供气，压缩机起动期间无需回流。因超音速压缩单级压比大，第一级和第二级的排气温度很高，设置換热器，避免后一级进气中的音速增高，不能产生激波的问题。本发明可促进低成本、超高压二氧化碳压缩机在《碳捕集与封存》和《提高原油采收率》的工业化应用。

技术领域

本发明渉及超音速压缩机，具体涉及一种应用激波压缩技术的超高压二氧化碳压缩机。

背景技术

中国的能源特色是以煤为主，二氧化碳气体的年排放总量已居世界第二位，必须加快实施“碳捕集与封存”技术(简称CCS技术Carbon dioxide Capture and Storage)的步伐，以期实现温室气体的大幅减排。洁净的空气是人类赖以生存的自然环境。

2017年中国石油对外依存度升至67.4％，石油安全问题关系到我国的经济、军事的安危。对策之一是“提高原油采收率”技术(简称EOR技术Enhanced Oil Recovery)，我国目前的EOR技术主要用多级离心泵串联注入高压或超高压水驱油。由于我国面临着愈来愈严峻的水问题，很多油田又分布在缺水的沙漠地区，注水驱油的H₂O-EOR技术受到限制。

美国上世纪八十年代就开始了“CO₂-EOR”的研究和工业化应用。随着油田开采的进行，油藏压力在不断降低，为了采油生产的正常进行，必须维持油藏的压力。美国上世纪50年代以前，用高压注水泵向地壳灌注高压水，保持地层压力，用20～40MPa的高压水驱油。美国后来用二氧化碳驱油成为提高采收率的重要方法。据“Gerald L.Boner,DavidP.Gall，EOR应用中CO₂的压缩[J].国外油田工程,2003,(6),5-6”，油层中注入27.6～41.4MPa的CO₂溶于油后，使原油体积膨胀，黏度降低，油水界面张力降低，大大增加了采油速度。但大流量高压CO₂往复压缩机，价格昂贵，占用空间大，湿二氧化碳气体又含H₂S有腐蚀性，压缩机寿命不长。现有离心式CO₂压缩机出口压力最高15MPa，多变效率低，不能满足“CO₂-EOR”项目对50MPa超高压CO₂压缩机的需求。

本世纪初，美国一家小型高科技公司Ramgen公司借鉴超音速战斗机进气道激波压缩空气的原理发明的“超音速压缩机”，突破了当今离心压缩机理论规定的进气最大马赫数(气速与音速之比)不得超过0.90的基本准则，反而将进气的相对马赫数提高到2左右，利用激波来压缩气体，单级压比从1.6～1.8剧增到10，相同压差压缩机的级数从12级减为两级，压缩效率有所提高，制造成本大降。这是对传统离心压缩机理论颠覆性的创新，如用于CO₂气体压缩，可满足《碳捕集与封存》和《提高原油采收率》项目对高压比、低成本CO₂气体压缩机的急需。

为了占领中国市场，Ramgen公司和美国通用电气公司先后向我国申请了一批有关超音速压缩机的专利。为了便于准确理解这项崭新技术，将分散在美、中专利和技术资料上的精华，以下整理出“激波压缩的核心要点”。

见本说明书附图1转子示意图(Ramgen公司US 7,334“超音速压缩机”专利的图6)和附图2转子气体流道及旁路回流示意图(拉姆金公司CN 101,918,719B“起动超音速压缩机的方法和装置”发明专利的图1)。