螺桿式增壓機組在天然氣分布式能源系統中的應用研究

沈丹丹 陳 鋒楊文杰戴 燦

1．上海舜華新能源系統有限公司

2．漢斯昆騰（上海）貿易有限公司

3．中國船舶重工集團公司第七一一研究所

0 概述

天然氣分布式能源是指以清潔能源天然氣為燃料的分布式供能系統。常規天然氣分布式能源的燃氣來源于市政管網，對于燃氣輪機項目，所供燃氣壓力無法滿足燃氣輪機進氣壓力，需要采用增壓機組提高壓力以滿足燃機進氣需求。

據中國城市燃氣協會分布式能源專委會不完全統計，截止2018年12月底，天然氣分布式能源項目共計494個，新增項目主要為園區類和工業類項目。其中園區類占新增項目個數的67%，工業類占15%，而此類項目多采用燃氣輪機進行熱電聯產供能，故增壓機的需求也隨分布式能源項目的進一步發展而得到增長。

增壓機作為分布式能源系統的輔助設備，正確的選型、配置、設計對今后項目運行安全性、經濟性都有著至關重要的作用。本文結合某工廠分布式能源項目對增壓機組的設計運用進行概述和分析。

1 天然氣增壓機設備特點

壓縮機種類繁多，按工作原理分，有容積型、速度型、熱力型等種類[1]。

容積型含往復式和回轉式兩種，有活塞式、螺桿式、渦旋式、轉子式等；速度型主要有離心式和軸流式；熱力型有噴射式。

分布式能源系統中常采用往復式、螺桿式和離心式增壓機。

往復式增壓機指通過氣缸內活塞或隔膜的往復運動使缸體容積周期變化并實現氣體的增壓和輸送的一種壓縮機。螺桿式增壓機是回轉容積式壓縮機，兩個帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出的一種壓縮機。離心式增壓機屬速度型壓縮機，在其中有一個或多個旋轉葉輪（葉片通常在側面）使氣體加速[2-3]。三種常用增壓機的技術特點見表1。

表1 增壓機主要技術特征[4]

2 工程案例概況

某工廠分布式能源項目，有兩套6．6MW的燃氣輪機，市政供氣壓力為0．6MPa，燃機進氣壓力要求為2．5 MPa，本項目擬配置兩套增壓設備，與燃機一對一運行。燃氣溫度為2℃～30℃，燃機最大耗氣量為冬季工況下的天然氣消耗量，考慮流量裕量后，每套增壓機設計流量為2 500Nm3/h。正常狀態允許的壓力變化率要求不大于0．2 bar/s，燃機進氣溫度不低于5℃、不超過80℃，允許的溫度變化率不大于4K/min。燃料潔凈度要求為固體顆粒：2-10μm過濾效率大于90%；＞10μm過濾效率100%；液體顆粒≥10μm過濾效率99．5%。燃機進氣含油量≤1ppm。

3 增壓機設計運行研究

以上述工程項目為例，對增壓機在分布式能源系統中運用的要點進行分析。

3.1 增壓機類別

本項目單臺流量為2 500Nm3/h，流量較小，壓比為4，大流量的離心式機組暫不予以考慮。分布式能源系統一般作為長期運行的優先供能形式或者為重要負載供能，安全性要求較高，選用活塞式機組，初期投資成本稍有優勢，但考慮后期運維，往復式機組故障率高，若采用備用機組形式，性價比降低。因此，根據前文各類增壓機技術特征，結合項目流量壓比等參數及現場用地緊張的情況，天然氣工質較為潔凈、結合采購預算、運行安全等特點，優選采用小型緊湊的螺桿式增壓機。同時，一般工業用戶或小型園區類分布式能源項目，以中小型燃機為主，單機功率不超過30MW，多采用螺桿式增壓機。

3.2 工藝流程

增壓機系統通常包含三個部分：電動機和螺桿式壓縮機組成的壓縮系統，油冷冷卻器、油分離器、油過濾器、油泵等構成的潤滑油循環系統以及進排氣切斷閥、進氣過濾器、止回閥、壓力溫度檢測等組成的氣路系統。

增壓機的出口溫度近似計算公式：

式中T1，T2—增壓機進出口溫度，K；

P1，P2—增壓機進出口壓力，MPa；

K—等熵指數，天然氣取1．27。

當夏季工況時，壓縮機入口溫度為303K時，出口溫度遠大于80℃，故本項目增壓機需設置后冷卻器，降低排氣溫度滿足進氣要求。

此外，燃機對進氣含油率、顆粒度較為敏感，雖然增壓機系統后有燃氣前置模塊對進氣精過濾處理，但增壓系統上仍建議設置進氣過濾器，保障燃機進氣潔凈度；增壓機系統出口處設計二次油分離，將含油率降至1ppm，以滿足要求。工藝流程如圖1所示。

圖1 增壓機組一般工藝流程示意圖

天然氣進入壓縮機機頭，經壓縮后以高溫高壓的氣態天然氣從排氣口排出，經過油分離器，將天然氣和潤滑油分離出來，分別進入工藝氣體系統和潤滑油系統。分離后的天然氣進入后冷卻器，溫度降至設計溫度后，進入二次油分離器，降低天然氣含油量，然后將天然氣供氣至下游前置模塊。分離后的潤滑油進入油冷卻器降溫至設計溫度后通過增壓機不同部位后起到潤滑作用，與吸入的天然氣一起被壓縮，混合氣體進行油氣分離，以此循環。

3.3 冷卻方式

潤滑油從油分離器分離后，需進入油冷卻器中進行冷卻，把壓縮機高速運轉產生的熱量傳遞給冷卻介質，降低油溫，經冷卻的油經過過濾器后經油泵增壓進入至壓縮腔體、軸承、軸封等處，然后進入壓縮機轉子腔，帶走一部分的壓縮熱達到潤滑、密封、減噪及散熱的作用。

本項目中增壓機有油冷卻器和后冷卻器，主要有水冷、風冷方式。水冷油冷卻器通常采用管殼式結構，不銹鋼材質，需外部提供冷卻水；風冷一般采用板翅式冷卻器，需要配置風機，工藝上比水冷簡單，但造價偏高，易存在噪音問題。本案例中，現場有冷卻水系統可以利用，故確認為水冷方式。

3.4 占地布置

根據GB50016《建筑設計防火規范》的有關規定，燃氣增壓間、調壓間為甲類廠房，故燃氣增壓機組與廠內外道路、鐵路，及余熱鍋爐、原動機房等丁類廠房間都需要有明確的防火間距要求，增壓機的設計布置應充分考慮最小間距。

天然氣增壓機組可為成撬設計，現場安裝快速便捷，對中工作量小，機組在基礎就位且在水平度確認后地腳螺栓澆注。本項目中設備露天布置，因此機組上電氣儀表除防爆要求外需滿足戶外防水要求。

3.5 設備材質

壓縮機的殼體和一對相互嚙合的陰陽轉子是增壓機的關鍵零件，本項目排氣壓力設計為2．5MPa，主機最高設計壓力為2．8 MPa，殼體采用球墨鑄鐵材料，轉子采用鍛鋼材質，在負載狀態下比球墨鑄鐵更具耐磨性及抗疲勞性。

3.6 流量調節

增壓機的流量調節通常有滑閥+回流，變頻+回流兩種調節方式?；y調節通過滑閥的左右移動，增大或減小有效壓縮容積以調節氣量大小，調節范圍為100%～10%，可滿足多種工況的流量輸出，同時大幅降低了生產能耗，也可保證增壓機的效率，剩下的10%～0%的流量范圍由回流調節來承擔。變頻流量調節是通過變頻器改變驅動電機的轉速控制流量，該方式初投資較大。本項目采用第一種方式，性價比較高。

3.7 儀表控制

增壓機常采用PLC可編程控制系統，有遠程和就地控制方式。進排氣壓力、溫度，過濾器分離器壓差，供油壓力、溫度、液位，冷卻器前后溫度等是主要的控制項目是增壓機報警、停機等主要依據。另外也可根據不同用戶需求采集殼體振動、滑閥位置、電機電流等信號，以便更全面監測系統運行狀態。

本項目分布式能源作為重要保障電源，增壓機儀控設計中涉及到停機的信號均采用三取二，保證機組不會因誤報警而停機，避免給用戶帶來不必要的損失。

3.8 安全運行

增壓機的安全性在實際運行中至關重要，不僅需要定期的維護保養，同時也需有具體有效的控制風險措施。

螺桿式增壓機易損件少，維護保養工作簡單。保養工作應涵蓋壓縮機的外觀檢查、防銹處理，運行工況下的連接部位滲漏檢查，過濾器的檢查清洗更換、油品水質的定期檢查分析。定期維護則應包括每日油溫、油壓差、油位等主要參數、運行的監測，運行時間的確認，技術參數設定值的比較調整等。在長時間的停機期間及重新使用前按具體供應商要求進行定期巡視處理。

分布式能源系統中增壓機介質為天然氣，增壓機在運行中存在著易燃易爆、腐蝕、超溫超壓、工藝缺陷、噪音安全風險，為此運行中應有必要的安全防范措施[5-7]。

1)增壓機組設置可燃氣體泄漏報警系統；設計前期設備的場地布置盡量選擇敞開式，有隔音罩或廠房內需滿足通風要求；設備啟動前及日常巡檢時都要確定系統完好，無油氣泄漏。

2)腐蝕主要是由于工質中含硫物造成，因此設計前期需要確認天然氣中是否含硫，根據實際情況增加脫硫處理，采用防腐材料，運行中定期巡檢更換部件。

3)機組潤滑不佳而使機械長期磨損會導致超溫現象，因此要根據天然氣組分選擇品質佳的潤滑油品，并定期除污，檢查冷卻器、油水分離器等，保證機組潤滑性能。

4)不斷修補機組工藝漏洞，安裝多種檢測裝置，完善報警系統，提高預警能力。

5)增壓機組運行產生的噪音會對工作人員和周邊環境造成一定的影響，必要時機組設置隔音罩，工作人員配備隔音耳罩等。

6)提高增壓機管理人員的技能素質，掌握故障辨識基礎、增強風險防范意識等。

4 小結

增壓機是大多數燃氣輪機分布式能源項目中不可或缺的設備，從流量壓比、維護保養、設備可靠性及連續性、流量調節方式等方面綜合考慮，螺桿式增壓機具有較明顯的優勢。在實際運用中，應充分探究分析項目工程條件、燃機特性、天然氣組分、采購預算等具體情況，對增壓機組進行有針對性的工藝設計和配置，并在后續運行中針對可能存在的風險進行防范，保障分布式能源系統的安全穩定運行。