摘要：長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)是實(shí)現(xiàn)天然氣遠(yuǎn)距離輸送的核心設(shè)備，同一般的天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行環(huán)境相比，長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)大多安裝在野外缺水少電的地方，現(xiàn)場(chǎng)很難提供合適的水源和電力條件，而且設(shè)備要求自動(dòng)化程度高，所以對(duì)整個(gè)機(jī)組有著很高的要求。文章對(duì)長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)；結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)；控制系統(tǒng)；天然氣輸送；天然氣壓縮機(jī) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE832 文章編號(hào)：1009-2374（2015）13-0060-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.031

1 研制歷程

2009年，國(guó)家能源局啟動(dòng)了天然氣長(zhǎng)輸管道壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化研制項(xiàng)目，并將設(shè)備總成套任務(wù)交給了沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司。由于天然氣輸氣管線壓縮機(jī)組的研制具有征服高難度、打破國(guó)際壟斷的特殊性，國(guó)家有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)高度重視，在國(guó)家能源局、中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司的正確領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，和所有參研單位的共同努力，成功完成了國(guó)內(nèi)首臺(tái)長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)組的研制任務(wù)。

2 產(chǎn)品概述

沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司為西氣東輸工程提供的首臺(tái)套國(guó)產(chǎn)化長(zhǎng)輸管線離心壓縮機(jī)組型號(hào)為PCL804。這種壓縮機(jī)是專門為在管道中輸送氣體設(shè)計(jì)。工藝氣體依次進(jìn)入各級(jí)葉輪進(jìn)行壓縮，一直壓縮至出口狀態(tài)，沒(méi)有中間氣體冷卻器；壓縮機(jī)入口及出口法蘭分布在機(jī)器兩側(cè)，與現(xiàn)場(chǎng)操作地面平行。長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)組主要由離心壓縮機(jī)、干氣密封系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、UMD不間斷電源系統(tǒng)、機(jī)組控制系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)方向：從變頻電機(jī)端看壓縮機(jī)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。壓縮機(jī)進(jìn)出氣口方向：從變頻電機(jī)端看壓縮機(jī)，左側(cè)為進(jìn)氣口，右側(cè)為出氣口。如圖1所示：

圖1 壓縮機(jī)總布置圖

離心壓縮機(jī)主要由定子（機(jī)殼、隔板、密封、平衡盤密封、端蓋）、轉(zhuǎn)子（軸、葉輪、隔套、平衡盤、軸套、半聯(lián)軸器等）及支撐軸承、推力軸承、軸端密封等組成。如圖2所示：

圖2 壓縮機(jī)本體結(jié)構(gòu)圖

在長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)研制過(guò)程中，沈鼓先后突破了諸多世界前沿的技術(shù)關(guān)鍵，取得了一系列國(guó)家重大科研成果，主要內(nèi)容如下：

2.1 壓縮機(jī)專用模型級(jí)系列研發(fā)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)輸設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的最大難點(diǎn)。目前世界壓縮機(jī)研發(fā)制造正在向大型化、系列化、運(yùn)行高效化、結(jié)構(gòu)小型化、低噪聲化方向發(fā)展，而這些均取決于壓縮機(jī)制造技術(shù)的核心——模型級(jí)技術(shù)。我國(guó)此前沒(méi)有掌握模型級(jí)技術(shù)，導(dǎo)致壓縮機(jī)體積大、耗能高、材料消耗多，功能達(dá)不到要求。高效率是管線壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)追求的重要參數(shù)之一，也是國(guó)際上同行業(yè)設(shè)計(jì)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的充分體現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，沈鼓集團(tuán)采用準(zhǔn)相似切割計(jì)算、性能分析、反復(fù)修正等技術(shù)措施，優(yōu)化模型級(jí)系列化設(shè)計(jì)方案，完成了大量性能試驗(yàn)，獲得了大量可靠數(shù)據(jù)，采用離心壓縮機(jī)模型級(jí)設(shè)計(jì)軟件Concepts/NREC、全三維黏性流場(chǎng)分析軟件NUMECA軟件多模型級(jí)子午流道設(shè)計(jì)、葉片造型設(shè)計(jì)及分析、并在自主研制的輕介質(zhì)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了7個(gè)典型模型級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證、最終自主成功研發(fā)11個(gè)管線壓縮機(jī)專用模型級(jí)，形成管線壓縮機(jī)系列模型級(jí)的性能型譜，保證了機(jī)組效率達(dá)到88%，保證了機(jī)組運(yùn)行區(qū)域?qū)挕⒘髁空{(diào)節(jié)范圍廣、模型級(jí)效率高、性能曲線平坦。沈鼓機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍為45%～150%，國(guó)外GE機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍為65%～135%。

經(jīng)過(guò)國(guó)家能源局組織的國(guó)家級(jí)專家鑒定，模型級(jí)效率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

2.2 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

根據(jù)介質(zhì)為易燃易爆氣體，壓力高，采用垂直剖分筒型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與常規(guī)垂直剖分壓縮機(jī)端法蘭與機(jī)殼筒體靠螺栓把合結(jié)構(gòu)不同，本項(xiàng)目成功新開(kāi)發(fā)了端法蘭與機(jī)殼筒體之間采用卡環(huán)形式，承壓高，密封性好，該機(jī)構(gòu)有效地減小了機(jī)組的重量，最大限度地節(jié)省了材料成本。機(jī)殼設(shè)計(jì)上采用了將壓縮機(jī)機(jī)殼與底座合成為一體的管線壓縮機(jī)特有的單層布置結(jié)構(gòu)；增加了沿軸心方向上的立鍵和垂直于軸心方向的橫鍵，滿足了管線壓縮機(jī)特殊要求8倍NEMA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力和力矩值，減輕了進(jìn)出口風(fēng)筒與機(jī)殼焊縫的受力。平衡盤密封采用防激振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用一種特種工程塑料——PEEK制造，具有耐高溫、耐腐濁、耐磨損、高強(qiáng)度、自潤(rùn)滑、尺寸穩(wěn)定等特有的優(yōu)越性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用國(guó)際先進(jìn)軟件ANSYS、RBSP和XL-ROTOR開(kāi)發(fā)程序分別對(duì)葉輪強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)，離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)動(dòng)力失穩(wěn)和機(jī)組軸系扭振進(jìn)行了詳細(xì)分析，保證壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。進(jìn)、排出氣蝸室結(jié)構(gòu)利用CFD分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了進(jìn)、排氣流道氣流分布均勻，提高了機(jī)組效率。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果：壓縮機(jī)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行；壓縮機(jī)效率最高達(dá)到了87.7%；壓縮機(jī)振動(dòng)值6～13μm，優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)要求（25.4μm）。

2.3 三元閉式葉輪整體銑制和兩件焊葉輪加工技術(shù)，提高了加工效率

閉式葉輪整體銑制的工藝方法，即在整塊毛坯上銑制出三元流道，其加工編程和刀具設(shè)計(jì)均有極大的難度。我們通過(guò)修改機(jī)床各坐標(biāo)軸的限位，滿足了葉片的扭曲范圍。通過(guò)精確的計(jì)算，避免了加工時(shí)主軸與工作臺(tái)的干涉，同時(shí)由于葉輪材料較黏，易黏刀，易磨損，我們選用了刀刃鋒利、材料韌性較好的刀片，減小了刀具震動(dòng)，保證了加工質(zhì)量。

2.4 管線壓縮機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的專有設(shè)計(jì)，滿足了天然氣場(chǎng)站環(huán)境的特殊要求

潤(rùn)滑油系統(tǒng)首次設(shè)計(jì)采用空氣冷卻器進(jìn)行冷卻，滿足了天然氣場(chǎng)站安裝環(huán)境的特殊條件，針對(duì)最低環(huán)境溫度的，為了保證正常使用，采用熱風(fēng)循環(huán)的方式，并根據(jù)具體的最低環(huán)境要求，潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)行伴熱及保溫設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法設(shè)置通常配置高位油箱來(lái)保證事故狀態(tài)，尤其是電源事故狀態(tài)下的安全停機(jī)，采用了UMD補(bǔ)電源供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證保證了事故狀態(tài)下的安全停機(jī)。管線壓縮機(jī)與流程壓縮機(jī)比較基本屬于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守操作，所以對(duì)整套系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及遠(yuǎn)程操作都提出了特殊要求。自動(dòng)調(diào)壓排煙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的研制，保證了在油箱真空度過(guò)高或過(guò)低時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，尤其解決了排煙風(fēng)機(jī)故障情況下的油箱煙氣排放問(wèn)題。對(duì)潤(rùn)滑油空冷器和調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行了遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，保證供油系統(tǒng)的最大程度的自動(dòng)化。endprint

2.5 機(jī)組群控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

天然氣長(zhǎng)輸管線電驅(qū)壓縮機(jī)組群控制系統(tǒng)是多種國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的集成，主要包括成套裝置長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)組控制系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)及其他輔機(jī)系統(tǒng)等。根據(jù)天然氣長(zhǎng)輸管線增壓站場(chǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)極限調(diào)節(jié)、限制保護(hù)、故障停機(jī)保護(hù)、多機(jī)組性能調(diào)節(jié)、軸系儀表檢測(cè)系統(tǒng)、ESD保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，達(dá)到一體化集成控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

天然氣長(zhǎng)輸管線電驅(qū)壓縮機(jī)組群控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)維持各站出口壓力，以滿足管線輸送氣量要求。自動(dòng)將壓縮機(jī)控制在制造廠限定的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。通過(guò)優(yōu)化控制算法最小化壓縮機(jī)和管線系統(tǒng)的安全限制裕度，從而優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行最大化運(yùn)行區(qū)域。通過(guò)優(yōu)化的性能控制、喘振控制和速度控制回路之間的實(shí)時(shí)解藕算法，穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行。通過(guò)先進(jìn)的負(fù)荷分配控制系統(tǒng)，使并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組網(wǎng)絡(luò)能量效率最大化在管線系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，并提供自動(dòng)啟動(dòng)、停車、和機(jī)體氣體置換書(shū)順序控制程序，使得操作員干預(yù)最小化。緊急連鎖保護(hù)、機(jī)組自身機(jī)械聯(lián)鎖保護(hù)，機(jī)組自動(dòng)啟停車順序控制。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控中心監(jiān)控功能。研制結(jié)果：天然氣長(zhǎng)輸管線機(jī)組群控制系統(tǒng)整體功能性能達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)水平。

2.6 管線壓縮機(jī)組干氣密封控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

針對(duì)天然氣場(chǎng)站野外環(huán)境條件的特殊性，干氣密封控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有完備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)控制和自保聯(lián)鎖等功能，并配有特殊的增壓、加熱除液和過(guò)濾裝置等全面控制功能，保證了機(jī)組正常安全開(kāi)車，防止了冷凝液體出現(xiàn)損壞干氣密封影響長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)運(yùn)行。

2.7 大型筒型機(jī)殼配重加工技術(shù)，解決了大型筒型機(jī)殼加工制造難點(diǎn)

管線壓縮機(jī)機(jī)殼尺寸、重量大，且一側(cè)偏重，在加工過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，影響工件加工精度。我們經(jīng)過(guò)充分分析設(shè)備能力的基礎(chǔ)上，采用在工作臺(tái)上配重，每次精加工前從1500kg開(kāi)始試配、試加工，直到試加工測(cè)量合格后方進(jìn)行精加工，解決了大型筒型機(jī)殼加工制造難點(diǎn)。

2.8 大型機(jī)殼的焊接技術(shù)

筒體和進(jìn)出風(fēng)口厚度大、剛性強(qiáng)，在拘束應(yīng)力的作用下焊縫極易產(chǎn)生缺陷、給焊接帶來(lái)極大的困難。選用耐低溫、高韌性J507RH焊條及H09MnNiDR焊絲，按ASME要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定焊接工藝規(guī)程。焊后進(jìn)行無(wú)損探傷檢驗(yàn)保證了焊接質(zhì)量。

3 重大意義

長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)組國(guó)產(chǎn)化意義重大，該項(xiàng)目受到國(guó)家發(fā)改委、能源局的高度重視，是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重大項(xiàng)目，也是國(guó)家能源局確定的重大科研專項(xiàng)之一，其試制成果將為國(guó)家大型裝備制造業(yè)提供快速成長(zhǎng)和發(fā)展的機(jī)會(huì)，提高綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，打破壟斷、降低成本，其在政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多方面均將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，具有極其重要的意義，因此，沈鼓集團(tuán)作為該項(xiàng)目的總成套方，著眼于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，工作落實(shí)到位，與各個(gè)參研單位、配套廠家及時(shí)溝通，廠內(nèi)相關(guān)部門密切配合、通力協(xié)作，確保機(jī)組按研制合同要求順利完成，打造沈鼓集團(tuán)在長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)領(lǐng)域的國(guó)際品牌。20MW級(jí)電驅(qū)壓縮機(jī)組首臺(tái)套的研制成功對(duì)于整個(gè)天然氣輸氣管線壓縮機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程來(lái)說(shuō)，還僅僅只是一個(gè)開(kāi)始。中國(guó)石油將陸續(xù)建設(shè)西三線、西四線、西五線等長(zhǎng)輸天然氣管道，僅西三線的規(guī)劃，就將使用燃驅(qū)機(jī)組23套、電驅(qū)機(jī)組54套，未來(lái)的道路很寬廣，沈鼓集團(tuán)在未來(lái)的壓縮機(jī)市場(chǎng)必然動(dòng)力十足，為祖國(guó)天然氣的運(yùn)輸提供最強(qiáng)大的“心臟”。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：尹雨春（1982-），山東人，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)自控公司儀表工程師。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint