葛海城

（中石油昆侖燃?xì)庥邢薰咎旖蚍止?，天?塘沽 300457）

0 引言

天然氣在長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中會(huì)因距離、摩擦和海拔高度差等原因減慢其傳輸速度，從而降低壓力。為了維持天然氣的壓力，使之輸送到目標(biāo)市場(chǎng)，集輸管網(wǎng)中會(huì)布置不同的壓縮機(jī)場(chǎng)站[1]。壓縮機(jī)是場(chǎng)站的核心設(shè)備，圍繞壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)設(shè)置管廊、洗滌裝置、冷卻器、滑油系統(tǒng)、燃料氣系統(tǒng)等。

作為場(chǎng)站的核心裝置，如何選擇高效、低耗能、低成本的壓縮機(jī)成為相關(guān)企業(yè)場(chǎng)站建設(shè)的重點(diǎn)。因此本文圍繞壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，首先結(jié)合長(zhǎng)輸天然氣管道輸送特點(diǎn)，分析了壓縮機(jī)適用形式，即離心壓縮機(jī)；然后分析了驅(qū)動(dòng)機(jī)的選取條件，以及離心壓縮機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，最后提出了壓縮機(jī)系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，希望能夠?yàn)殚L(zhǎng)輸天然氣管道場(chǎng)站建設(shè)提供借鑒。

1 壓縮機(jī)類型選取

1.1 壓縮機(jī)形式及選用原則

在天然氣或油田伴生氣儲(chǔ)運(yùn)中，壓縮機(jī)主要分為三種：活塞壓縮機(jī)、離心壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)[2]。

1.1.1 活塞壓縮機(jī)

活塞壓縮機(jī)在工業(yè)中使用較為普遍，由活塞和氣缸組成，通過(guò)活塞做功壓縮氣體升壓，按照氣缸形式又分為單作用和雙作用兩種形式。因氣缸承壓能力強(qiáng)，活塞壓縮機(jī)可應(yīng)用于高壓工況。

氣體在壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，必須嚴(yán)格控制氣體溫度。從安全角度，天然氣壓縮機(jī)對(duì)溫度有要求，一般小于140 ℃。同時(shí)，隨著溫度升高，活塞的機(jī)械性能也受到影響，活塞壓縮機(jī)從機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)角度一般要求小于170 ℃。

活塞壓縮機(jī)單機(jī)功率一般小于2 500 kW，其初始投資費(fèi)用較小，但后期維護(hù)操作相較離心壓縮機(jī)更為復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高。

1.1.2 離心壓縮機(jī)

離心壓縮機(jī)是通過(guò)葉輪高速旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體做功，轉(zhuǎn)化為氣體動(dòng)能和壓能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸送和壓縮的作用。葉輪連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使得氣量和壓力相較活塞壓縮機(jī)波動(dòng)小。高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大壓縮空間，使得機(jī)組相對(duì)緊湊、排氣量較大，適用于中高流量工況[2]。離心壓縮機(jī)在恒定轉(zhuǎn)速下流量調(diào)節(jié)范圍比活塞壓縮機(jī)小，在流量變化較大工況下，一般采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)或更換葉輪的方式實(shí)現(xiàn)，其中更換葉輪費(fèi)用較高，不推薦多次更換。

1.1.3 螺桿壓縮機(jī)

螺桿壓縮機(jī)屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，汽缸內(nèi)裝有一對(duì)互相嚙合的螺旋形陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子，兩轉(zhuǎn)子都有幾個(gè)凹形齒，兩者互相反向旋轉(zhuǎn)。壓縮原理是通過(guò)轉(zhuǎn)子嚙合產(chǎn)生的腔體進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣，受螺桿長(zhǎng)度和速度限制其壓縮空間較小，一般適用于小流量、低排壓的工況。

目前，有油螺桿壓縮機(jī)最大排壓可達(dá)到5 MPa，通常在2 MPa 下。同時(shí)，對(duì)于有油螺桿壓縮機(jī)，責(zé)任單位還需考慮潤(rùn)滑油與天然氣相互污染問(wèn)題。

1.2 場(chǎng)站壓縮機(jī)選取

隨著我國(guó)對(duì)天然氣需求量的增加以及大通道管網(wǎng)的建設(shè)，長(zhǎng)輸管線的輸送能力逐步提高，表1 所示為我國(guó)部分天然管道設(shè)計(jì)能力概況[3]。以西氣東輸管線為例，管線跨越9 個(gè)省區(qū)，管線沿途設(shè)置22 個(gè)增壓站，輸送氣量達(dá)到每年120 億m3以上。

從表1 可以看出，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道具有跨度長(zhǎng)，輸送能力大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)壓力在8 ～10 MPa左右。輸送工藝工況屬于大氣量、中高壓力，其配備壓縮機(jī)功率在5 MW 以上。

表1 天然氣輸送管線設(shè)計(jì)能力

如前文提出的各類機(jī)型適用原則，根據(jù)輸送能力、操作壓力和偏遠(yuǎn)地區(qū)易操作性等角度判斷，我國(guó)主干線天然氣長(zhǎng)輸管道比較適合選用離心壓縮機(jī)；當(dāng)支線流量相對(duì)較低且單機(jī)功率小于2 500 kW 時(shí)，考慮初始費(fèi)用投資可根據(jù)需要選擇活塞壓縮機(jī)，推薦選用離心壓縮機(jī)。

2 離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)選取

離心壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)主要有電動(dòng)機(jī)、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、天然發(fā)動(dòng)機(jī)四種。四種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比見(jiàn)表2。從表2 中對(duì)比可以看出，蒸汽輪機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)操作復(fù)雜度高、對(duì)工業(yè)水需求量高、維護(hù)費(fèi)用高，同時(shí)又有環(huán)境污染，所以并不推薦。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)和電動(dòng)機(jī)，雖然對(duì)比各項(xiàng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)都要優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)必須有穩(wěn)定的大功率電力支撐，在一些偏遠(yuǎn)場(chǎng)站可能不具備條件，而燃?xì)廨啓C(jī)可以利用管道輸送天然氣作為燃料提供持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力。

表2 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比

因此，根據(jù)以上分析，本文提出壓縮機(jī)動(dòng)力端驅(qū)動(dòng)機(jī)的5 點(diǎn)選用原則：

1）長(zhǎng)輸管道離心壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的形式主要為電動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)；

2）當(dāng)場(chǎng)站周圍有穩(wěn)定可持續(xù)電力供應(yīng)時(shí)，要從環(huán)境保護(hù)和能源利用角度綜合分析確定；

3）當(dāng)距離城市有環(huán)境保護(hù)要求或距離人員聚集區(qū)較近時(shí)，可優(yōu)先選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)；

4）當(dāng)?shù)靥幦藛T稀少地區(qū)，且對(duì)環(huán)境要求相對(duì)不嚴(yán)苛，從能源充分利用角度出發(fā)可選擇燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，節(jié)省電氣配套設(shè)備投資；

5）當(dāng)?shù)靥幤h(yuǎn)地區(qū)，無(wú)配套電力基礎(chǔ)設(shè)施或無(wú)法提供穩(wěn)定電力，可選擇燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，節(jié)省電氣配套設(shè)備投資。

3 離心壓縮機(jī)其他選型要點(diǎn)

3.1 離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)類型選取

離心壓縮機(jī)常用的結(jié)構(gòu)形式分為水平剖分型和垂直剖分型，水平剖分型適合于中低壓力工況，垂直剖分型適用于中高壓工況。壓氣站設(shè)計(jì)壓力在8 ～12 MPa，屬于中高壓范圍，故本文推薦采用剖分型。

3.2 壓縮機(jī)排氣溫度控制

對(duì)于壓縮機(jī)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮天然氣所含烴類物質(zhì)因高溫碳化進(jìn)而發(fā)生著火等情況。為避免危險(xiǎn)發(fā)生，相關(guān)單位在壓縮機(jī)選型時(shí)應(yīng)將排氣出口溫度控制在140 ℃。

3.3 流量調(diào)節(jié)方式

壓縮機(jī)流量調(diào)節(jié)方式分為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、進(jìn)排氣管路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)進(jìn)口導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)[4]。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)操作相較其他方式效率高，燃?xì)廨啓C(jī)可以容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端變速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要采用變頻裝置。壓氣站在不同時(shí)期輸送氣量變化較大，一般隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間逐步提升，尤其是投產(chǎn)初期輸送量較低，因此本文推薦優(yōu)選轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式。

3.4 喘振預(yù)防

壓縮機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下都有一個(gè)喘振邊界線。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)壓力值超過(guò)某個(gè)值，就會(huì)發(fā)生喘振，而喘振會(huì)影響整個(gè)管路系統(tǒng)，機(jī)器及管路會(huì)因振動(dòng)造成不同程度的損壞，甚至可能損壞壓縮機(jī)本體。

因此在系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)單位要避免在喘振線附近運(yùn)行工作，即讓正常工作點(diǎn)遠(yuǎn)離“喘振點(diǎn)”，同時(shí)應(yīng)在系統(tǒng)管路設(shè)置方面考慮當(dāng)出現(xiàn)低流量工況，并靠近喘振邊界時(shí)如何避免。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各類型壓縮機(jī)技術(shù)特點(diǎn)的分析，本文提出了壓縮機(jī)選型通用原則，并根據(jù)通用原則提出我國(guó)長(zhǎng)輸管線主干線適于選用離心壓縮機(jī)，同時(shí)基于離心壓縮機(jī)分析了驅(qū)動(dòng)機(jī)的選用原則，給出了離心壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)所需關(guān)注其他要點(diǎn)。