周代軍，舒浩紋，高仕玉，賈彥杰

（中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司，四川 610100）

在過去的幾年時間里，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，天然氣管道建設(shè)呈現(xiàn)了大跨步發(fā)展，透平壓縮機(jī)主要在運(yùn)輸氣體過程中增加氣體壓力和的一種機(jī)械，在多年地運(yùn)輸氣體使用和實(shí)踐中，顯示出了極大的產(chǎn)品優(yōu)勢，同時也驗(yàn)證了其完全符合大規(guī)模生產(chǎn)的要求，成為天然氣管道中使用面極廣的機(jī)械。我國天然氣管道的敷設(shè)總里程從20世紀(jì)初的10000km到現(xiàn)在的200000km，且還呈現(xiàn)爆炸式的增長。隨著天然氣管道總里程的快速增長，天然氣管道壓縮機(jī)和壓縮機(jī)組的保有量也是迅速增加，了解不同天然氣管道壓縮機(jī)和壓縮機(jī)組在天然氣管道應(yīng)用中的優(yōu)勢和劣勢，有助于天然氣管道建設(shè)中的機(jī)組選型和使用。

1 管道透平壓縮機(jī)組的主要類型

1.1 管道透平壓縮機(jī)主要類型

市場上各類壓縮機(jī)種類繁多，在天然氣管道中使用的透平壓縮機(jī)和壓縮機(jī)組，于整個壓縮機(jī)體系而言，只占據(jù)很小的比例，卻在天然氣管道輸送中占據(jù)絕對核心的位置。研究表明：在天然氣運(yùn)輸途中，總運(yùn)行費(fèi)用的80%以上都是花在了壓氣站上，所以，具備良好的效率和較低的運(yùn)行費(fèi)用的透平壓縮機(jī)和壓縮機(jī)組可以極大地降低能耗和總花銷。管道壓縮機(jī)一般分為往復(fù)式和離心式兩種，主要根據(jù)壓氣站實(shí)際使用中的工況和所處氣候、地理位置決定選擇哪種機(jī)型。

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)的驅(qū)動主要是由燃?xì)夂妥冾l調(diào)速電機(jī)提供，由于具有排出壓力穩(wěn)定、適用范圍廣、熱轉(zhuǎn)化率高、增壓效率好和使用范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)，所以可以在工況不穩(wěn)定、壓力變化范圍和流量調(diào)節(jié)范圍都較大等場合得到使用。但是往復(fù)式壓縮機(jī)至今在我國不能大規(guī)模使用，主要是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件壽命短、外形尺寸占地廣、移動困難和噪音大等造成，極大地限制了其使用。往復(fù)式壓縮機(jī)在我國主要應(yīng)用于氣田內(nèi)部等口徑較小的支線管道，其他方面應(yīng)用并沒有很多。

（2）離心式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動方式主要是由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動或者增速齒輪箱等提供，驅(qū)動方式受限較小，便于使用。由于具有其結(jié)構(gòu)簡單、零部件壽命長、外形尺寸占地小、移動方便、運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)成本低和噪音小等優(yōu)點(diǎn)，所以在很多的場合又可以使用，發(fā)揮較好的效果。尤其在單機(jī)功率較大，氣量較大、壓比低，穩(wěn)定性好的條件下，最大交換效率可以達(dá)到45%。但是離心式壓縮機(jī)這一穩(wěn)定性是由壓比和壓力波動適應(yīng)范圍小等性能犧牲換取的；決定了其更適用于輸氣量大、工況波動小的場景。我國目前天然氣管道的建設(shè)趨勢是朝著高壓、大口徑、大流量發(fā)展的，所以離心式壓縮機(jī)會匹配這個工況。

1.2 管道透平壓縮機(jī)組的主要類型

（1）燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組。在20世紀(jì)50年代，天然氣管道增壓用途中最廣泛的驅(qū)動機(jī)屬于燃?xì)廨啓C(jī)這一類，當(dāng)時技術(shù)還不完善，應(yīng)用領(lǐng)域也較小，按用途主要分為航空用、艦船用和工業(yè)用。在工業(yè)用途上，根據(jù)使用功率的差別，應(yīng)用得比較多的是重型燃機(jī)和航空改型的輕型燃機(jī)。天然氣管道壓縮機(jī)需功率大，運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)成本低、性能全的驅(qū)動燃機(jī)，所以航空改型的輕型燃機(jī)應(yīng)用數(shù)量和場所比重型燃機(jī)廣。按轉(zhuǎn)子數(shù)目劃分燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組也分為三種：單軸、雙軸和多軸。結(jié)構(gòu)的不同造成了性能和應(yīng)用范圍的不同。單軸機(jī)組的應(yīng)用范圍較小，主要用于恒速運(yùn)行工況，多用于發(fā)電設(shè)備；雙軸和多軸由于牽引動力大、排量大，應(yīng)用范圍更廣，同時開具備可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢，所以在天然氣管道增壓中應(yīng)用較多。另外，燃機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組運(yùn)作所需的能量可以直接從天然氣中獲取，更加大了其在天然氣管道中的應(yīng)用優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組。現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，大功率變頻器技術(shù)也逐漸成熟，以及能源短缺造成的天然氣價(jià)格上漲。更多的壓縮機(jī)限購偏向于經(jīng)濟(jì)性價(jià)比較高的電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)具有運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)成本低、易遠(yuǎn)程控制以及對環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，在水資源和電力資源充足的地區(qū)，使用范圍和面已經(jīng)開始大范圍鋪開。如果將電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組和燃機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組進(jìn)行對比，兩者在效率上還是有很大區(qū)別的。電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組熱效率約為44%，而燃機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組的平均效率只有36%，再加上在負(fù)荷和空氣溫度較高條件下燃機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組效率會大幅度下降，電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組可以節(jié)約10%以上的能耗。電機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組的缺點(diǎn)是工作條件要求較高，要想發(fā)揮其最好的效果，必須提供足夠能量攝入和流量調(diào)節(jié)。

2 管道透平壓縮機(jī)國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，管道壓縮機(jī)組才開始在國內(nèi)應(yīng)用。我國的首套燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動離心壓縮機(jī)組建成于20世紀(jì)80年代，同時也建成了我國首臺天然氣長輸管道壓氣站，是天然氣管道和壓縮機(jī)的開端。后續(xù)的在20世紀(jì)90年代末我國建成了第1臺天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動往復(fù)機(jī)組，同年開始投入使用。在20世紀(jì)初我國有了第1座增速齒輪箱驅(qū)動離心壓縮機(jī)組，這也是離心壓縮機(jī)組在我國的首次使用，帶來了一系列的技術(shù)變革。從增速驅(qū)動到高速驅(qū)動離心壓縮機(jī)組的改變，在中國用了7年的時間，在2007年末高速驅(qū)動離心壓縮機(jī)組在我國開始工作。在天然氣管道內(nèi)，應(yīng)用最廣的就是離心壓縮機(jī)組，尤其是在近幾年時間內(nèi)，我國天然氣長輸管道總里程飛速增長，各類壓氣站的建設(shè)也是年年遞增。截至2017年年底，國內(nèi)安裝投產(chǎn)的長輸天然氣管道壓縮機(jī)組已經(jīng)超過了1000臺，其中燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)占比12%，燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組占比24%，電機(jī)驅(qū)動離心壓縮機(jī)組占比64%。預(yù)計(jì)到2020年年底，我國應(yīng)用于天然氣管道上的壓縮機(jī)組預(yù)計(jì)將超過2000臺，數(shù)量驚人，發(fā)展突飛猛進(jìn)。

3 管道透平壓縮機(jī)在國內(nèi)天然氣中管道的應(yīng)用建議

3.1 積極使用國產(chǎn)設(shè)備

由于目前中國的壓縮機(jī)組技術(shù)還不夠成熟和完善，長輸天然氣管道使用的壓縮機(jī)組都是進(jìn)口，前期的購買成本較高，后期的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)的時間和費(fèi)用成本也較大，而且由于極其的依賴于國外制造商，容易受到掣肘，對于管道穩(wěn)定和安全運(yùn)行一直是一個存在的隱患。因此，在國家重要工程和自建的支持下，推進(jìn)天然氣長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化意義重大。既能降低工程成本，還能保證國家能源供應(yīng)安全，同時振興中國的壓縮機(jī)裝備制造業(yè)。

在管道壓縮機(jī)組國產(chǎn)的使用和研發(fā)中，可以采用“少量試用，逐步擴(kuò)大”的原則的進(jìn)行一步步地替換。其中可以借鑒沈鼓壓縮機(jī)的制造案例來實(shí)施：借鑒國外的設(shè)計(jì)和工藝、沈鼓自行制造的首臺壓縮機(jī)先在西氣東輸定遠(yuǎn)站試用；試用完成后，沈鼓自主設(shè)計(jì)和制造的三套壓縮機(jī)在后續(xù)工程和項(xiàng)目中安裝和使用，運(yùn)行情況良好的情況下，完全國產(chǎn)化的沈鼓成套的電驅(qū)壓氣站在下一年投入生產(chǎn)。在這一過程中，沈鼓實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、成套及安裝完全自主化的過程和數(shù)據(jù)收集，為后續(xù)的擴(kuò)大化生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)電驅(qū)壓縮機(jī)組全部由中國生產(chǎn)的情況下，回籠的資金又可以投入大功率電機(jī)和變頻器的研制，良性循環(huán)，技術(shù)更新和快速發(fā)展。

3.2 多機(jī)組站場余熱利用

隨著天然氣管道總里程的快速增長，天然氣管道壓縮機(jī)和壓縮機(jī)組在國內(nèi)的使用數(shù)量也是飛速上漲。使用天然氣的城市和社區(qū)數(shù)量越來越多，我國建設(shè)的天然氣管道干線節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)也是越來越復(fù)雜和多樣化，同一個壓氣站中有可能出現(xiàn)好幾臺乃至更多的燃機(jī)機(jī)組，供能之外損失的熱量和能耗相比于普通的也會加大。要想降低壓氣站供能之外損失的熱量和能耗，可采用蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的方式。這一方式可以作兩方面用途：第一種是將燃機(jī)供能之外損失的熱量和能耗充分利用起來，將這些散失的熱量導(dǎo)入到余熱鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽來驅(qū)動汽輪機(jī)運(yùn)作產(chǎn)生電能和熱能；第二種是將燃機(jī)供能之外損失的熱量和能耗直接驅(qū)動另外一臺壓縮機(jī)，減少另一臺壓縮機(jī)的能耗。采用燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)崧?lián)合循環(huán)系統(tǒng)可以收到很好的節(jié)能效果，這其中應(yīng)用的最典型和可借鑒的案例就是阿-意輸氣管道對Messina壓氣站的改造，阿-意輸氣管將燃?xì)廨啓C(jī)組的運(yùn)作方式采用蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)后，整個壓氣站的燃?xì)廨啓C(jī)的綜合熱效率增加了10%。對于中國來說，可以借鑒和學(xué)習(xí)，在天然氣項(xiàng)目中預(yù)留余熱利用的接口，如果后續(xù)出現(xiàn)同一個壓氣站中有好幾臺乃至更多的燃機(jī)機(jī)組，可以進(jìn)行余熱利用，提高整個站場的利用效率，降低成本。

3.3 優(yōu)化壓縮機(jī)組運(yùn)行管理

由于目前中國的壓縮機(jī)組技術(shù)運(yùn)行的時間并不長，長輸天然氣管道使用的大功率壓縮機(jī)組也沒有其他廠家可以借鑒的運(yùn)行和維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)。目前采取的主要就是不停地使用，出問題分析和總結(jié)，找到原因后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，吸收現(xiàn)有的技術(shù)條件下不斷試錯和改進(jìn)，找到適合我國天然氣管道的壓縮機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)管理模式。在現(xiàn)有的行和維護(hù)管理基礎(chǔ)上，天然氣壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家可以借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)和體制，找到合適自己企業(yè)的壓縮機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)及保養(yǎng)機(jī)制。同時，利用送到國外進(jìn)修或其他渠道培養(yǎng)高素質(zhì)的壓縮機(jī)組管理人才隊(duì)伍，培訓(xùn)后的人員在科學(xué)的指導(dǎo)下，理智和實(shí)事求是的維護(hù)和管理壓縮機(jī)組。后勤輔助制度上，應(yīng)該加強(qiáng)備品備件的采購和管理，確保購買的運(yùn)行備件質(zhì)量得到保證，在存儲和統(tǒng)籌備件的過程中，確保備品備件不會出現(xiàn)斷貨的情況，雙管齊下來提高壓縮機(jī)組的可靠性和供貨安全，以得到在天然氣管道使用過程中壓縮機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在自身企業(yè)的硬件和軟件措施到位后，積極和世界知名壓縮機(jī)技術(shù)公司開展合作和交流，跟上時代的步伐，學(xué)習(xí)他們先進(jìn)的技術(shù)，取長補(bǔ)短?；镜脑O(shè)施和條件具備之后，天然氣壓縮機(jī)企業(yè)就可以建立壓縮機(jī)組性能監(jiān)測和專家診斷系統(tǒng)，確保任何意外情況都可以得到及時的解決。同時，要和互聯(lián)網(wǎng)等聯(lián)系起來，實(shí)時模擬壓縮機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行，可根據(jù)不同情況調(diào)控各個管道，進(jìn)而通過網(wǎng)內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行增加管道系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和效率。