淺析透平壓縮機在天然氣管道中的應用

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，透平壓縮機主要在運輸氣體過程中增加氣體壓力和的一種機械，在多年地運輸氣體使用和實踐中，顯示出了極大的產(chǎn)品優(yōu)勢，同時也驗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械。我國天然氣管道的敷設(shè)總里程從20世紀初的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，天然氣管道壓縮機和壓縮機組的保有量也是迅速增加，了解不同天然氣管道壓縮機和壓縮機組在天然氣管道應用中的優(yōu)勢和劣勢，有助于天然氣管道建設(shè)中的機組選型和使用。

1 管道透平壓縮機組的主要類型

1.1 管道透平壓縮機主要類型

市場上各類壓縮機種類繁多，在天然氣管道中使用的透平壓縮機和壓縮機組，于整個壓縮機體系而言，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：在天然氣運輸途中，總運行費用的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行費用的透平壓縮機和壓縮機組可以極大地降低能耗和總花銷。管道壓縮機一般分為往復式和離心式兩種，主要根據(jù)壓氣站實際使用中的工況和所處氣候、地理位置決定選擇哪種機型。

（1）往復式壓縮機。往復式壓縮機的驅(qū)動主要是由燃氣和變頻調(diào)速電機提供，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，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。但是往復式壓縮機至今在我國不能大規(guī)模使用，主要是由于其結(jié)構(gòu)復雜、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。往復式壓縮機在我國主要應用于氣田內(nèi)部等口徑較小的支線管道，其他方面應用并沒有很多。

（2）離心式壓縮機。離心式壓縮機的驅(qū)動方式主要是由變頻調(diào)速電機驅(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、運行管理和維護保養(yǎng)成本低和噪音小等優(yōu)點，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到45%。但是離心式壓縮機這一穩(wěn)定性是由壓比和壓力波動適應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，所以離心式壓縮機會匹配這個工況。

1.2 管道透平壓縮機組的主要類型

（1）燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組。在20世紀50年代，天然氣管道增壓用途中最廣泛的驅(qū)動機屬于燃氣輪機這一類，當時技術(shù)還不完善，應用領(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，應用得比較多的是重型燃機和航空改型的輕型燃機。天然氣管道壓縮機需功率大，運行管理和維護保養(yǎng)成本低、性能全的驅(qū)動燃機，所以航空改型的輕型燃機應用數(shù)量和場所比重型燃機廣。按轉(zhuǎn)子數(shù)目劃分燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組也分為三種：單軸、雙軸和多軸。結(jié)構(gòu)的不同造成了性能和應用范圍的不同。單軸機組的應用范圍較小，主要用于恒速運行工況，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用較多。另外，燃機驅(qū)動壓縮機組運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用優(yōu)勢，因此得到了廣泛的應用。

（2）電機驅(qū)動壓縮機組。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格上漲。更多的壓縮機限購偏向于經(jīng)濟性價比較高的電機驅(qū)動。電機驅(qū)動壓縮機具有運行管理和維護保養(yǎng)成本低、易遠程控制以及對環(huán)境污染小的優(yōu)點，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。如果將電機驅(qū)動壓縮機組和燃機驅(qū)動壓縮機組進行對比，兩者在效率上還是有很大區(qū)別的。電機驅(qū)動壓縮機組熱效率約為44%，而燃機驅(qū)動壓縮機組的平均效率只有36%，再加上在負荷和空氣溫度較高條件下燃機驅(qū)動壓縮機組效率會大幅度下降，電機驅(qū)動壓縮機組可以節(jié)約10%以上的能耗。電機驅(qū)動壓縮機組的缺點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 管道透平壓縮機國內(nèi)應用現(xiàn)狀

20世紀80年代，管道壓縮機組才開始在國內(nèi)應用。我國的首套燃氣輪機驅(qū)動離心壓縮機組建成于20世紀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的開端。后續(xù)的在20世紀90年代末我國建成了第1臺天然氣發(fā)動機驅(qū)動往復機組，同年開始投入使用。在20世紀初我國有了第1座增速齒輪箱驅(qū)動離心壓縮機組，這也是離心壓縮機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)動離心壓縮機組在我國開始工作。在天然氣管道內(nèi)，應用最廣的就是離心壓縮機組，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組已經(jīng)超過了1000臺，其中燃氣發(fā)動機驅(qū)動往復式壓縮機占比12%，燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組占比24%，電機驅(qū)動離心壓縮機組占比64%。預計到2020年年底，我國應用于天然氣管道上的壓縮機組預計將超過2000臺，數(shù)量驚人，發(fā)展突飛猛進。

3 管道透平壓縮機在國內(nèi)天然氣中管道的應用建議

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組都是進口，前期的購買成本較高，后期的建設(shè)和運行維護的時間和費用成本也較大，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安全，同時振興中國的壓縮機裝備制造業(yè)。

在管道壓縮機組國產(chǎn)的使用和研發(fā)中，可以采用“少量試用，逐步擴大”的原則的進行一步步地替換。其中可以借鑒沈鼓壓縮機的制造案例來實施：借鑒國外的設(shè)計和工藝、沈鼓自行制造的首臺壓縮機先在西氣東輸定遠站試用；試用完成后，沈鼓自主設(shè)計和制造的三套壓縮機在后續(xù)工程和項目中安裝和使用，運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，沈鼓實現(xiàn)了電驅(qū)壓縮機組的設(shè)計、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)的擴大化生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。在實現(xiàn)電驅(qū)壓縮機組全部由中國生產(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，天然氣管道壓縮機和壓縮機組在國內(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)點和網(wǎng)絡(luò)也是越來越復雜和多樣化，同一個壓氣站中有可能出現(xiàn)好幾臺乃至更多的燃機機組，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-燃氣聯(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)動汽輪機運作產(chǎn)生電能和熱能；第二種是將燃機供能之外損失的熱量和能耗直接驅(qū)動另外一臺壓縮機，減少另一臺壓縮機的能耗。采用燃氣輪機回熱聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)可以收到很好的節(jié)能效果，這其中應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-意輸氣管將燃氣輪機組的運作方式采用蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)后，整個壓氣站的燃氣輪機的綜合熱效率增加了10%。對于中國來說，可以借鑒和學習，在天然氣項目中預留余熱利用的接口，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機組，可以進行余熱利用，提高整個站場的利用效率，降低成本。

3.3 優(yōu)化壓縮機組運行管理

由于目前中國的壓縮機組技術(shù)運行的時間并不長，長輸天然氣管道使用的大功率壓縮機組也沒有其他廠家可以借鑒的運行和維護管理經(jīng)驗。目前采取的主要就是不停地使用，出問題分析和總結(jié)，找到原因后在進行實驗，吸收現(xiàn)有的技術(shù)條件下不斷試錯和改進，找到適合我國天然氣管道的壓縮機組運行和維護管理模式。在現(xiàn)有的行和維護管理基礎(chǔ)上，天然氣壓縮機生產(chǎn)廠家可以借鑒國外的經(jīng)驗和體制，找到合適自己企業(yè)的壓縮機組運行、維護及保養(yǎng)機制。同時，利用送到國外進修或其他渠道培養(yǎng)高素質(zhì)的壓縮機組管理人才隊伍，培訓后的人員在科學的指導下，理智和實事求是的維護和管理壓縮機組。后勤輔助制度上，應該加強備品備件的采購和管理，確保購買的運行備件質(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組的安全穩(wěn)定運行。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技術(shù)公司開展合作和交流，跟上時代的步伐，學習他們先進的技術(shù)，取長補短。基本的設(shè)施和條件具備之后，天然氣壓縮機企業(yè)就可以建立壓縮機組性能監(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，實時模擬壓縮機組的優(yōu)化運行，可根據(jù)不同情況調(diào)控各個管道，進而通過網(wǎng)內(nèi)優(yōu)化運行增加管道系統(tǒng)的運行可靠性和效率。