天然氣管道壓縮機驅動方式的優化設計

康惠珊

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

持續快速增長的能源需求推動了管道的大規模建設和投運。據測算，站場建設投資一般占管道總投資的20%～30%，其中管道壓縮機組的投資通常占站場投資的60%以上。同時，壓縮機組能耗約占天然氣長輸管道運行總能耗的90%以上，若將管道全線壓縮機組消耗的天然氣及電能均折合為天然氣，其能耗一般占管道總輸量的8%～10%。可見，壓縮機站場的設置及壓縮機組節能降耗是必須重視的問題。合理的選擇壓縮機組的驅動方式能夠整體優化設計方案，利于管道長期穩定可靠運行及節能降耗。

1 機組驅動方式判定條件及方法

天然氣長輸管道用大功率離心式壓縮機主要采用燃氣輪機驅動和變頻電動機驅動兩種方式。無論采用電機驅動還是燃氣輪機驅動，在技術上均需滿足天然氣輸送工藝的要求。

（1）電動機驅動方案與外部供電條件密切相關，電機驅動消耗的能源需從外電網中取得，對電網的依賴性較大；燃氣驅動設備消耗的能源為管輸天然氣，對外界的依賴性較小，但耗氣量較大。

（2）燃氣驅動設備大修周期為5年，維護和維修費用高。電機大修周期為11年，維修時間短，維護和維修費用較低。但由于用電量較大，會受供電部門制約，外電線路需委托給供電部門維護。

（3）從運行可靠方面，電機機組的平均無故障時間MTBF（運行時間/停機次數總和）比燃氣機組平均無故障時間MTBF 多。

不同的驅動方式，有著其各自的優缺點，對于外界條件均滿足要求的站場，需要通過綜合技術經濟比選來確定壓縮機驅動方案。

2 管道實際運行帶來的啟示

壓氣站一旦投用，運行商更關注整個管道運行周期中的運行費用。根據目前已建電驅壓氣站場所反饋的信息，存在以下問題導致運行成本支出增高。

2.1 用戶繳納電費結構不合理

電驅站場電費由電度電費、基本電費和力調電費構成。其中，電度電費是用戶用電度電量與銷售電價的乘積。基本電費分為兩種方式，一種方式是按照變壓器容量計費，即變壓器容量與基本電價乘積；另一種方式是按用戶實際用電負荷的需量計費，即用戶用電負荷所需容量與基本電價乘積。力調電費是用電用戶功率因數小于0.9 而征收的罰款。

根據某管道公司近3年電驅機組運行數據，各電驅站出現了基本電費占電費總額比例高、力調電費金額高的現象。以某輸氣管線兩座壓氣站場為例，各站電費支出比例情況見圖1、圖2。

地方電網供電能力閑置是影響各電驅站場電費支出比例的原因，這與機組利用率有直接的關系。機組利用率越低，基本電費占比越大，力調電費金額越高。

圖1 某站電費支出比例

圖2 某站電費支出比例

2.2 外界能源價格波動

隨著外部大環境的變化，國家發改委在不同時期調整其相關政策。如2013年國家發改委發布《關于調整銷售電價分類結構有關問題的通知》，壓氣站場屬于大工業用戶，申請大工業電價。2015年國家發改委發布關于下調非居民天然氣最高門站氣價的通知，燃料氣價格降幅較大。

管道持續低輸量運行，機器閑置可能持續存在，電費結構不合理的問題成為常態。由于能源價格的調整，電驅和燃驅的能耗在設計階段與實際運行階段存在差異。機組運行時間不足和能源價格調整等多變的外部環境導致實際運行情況與設計階段比選方案存在偏離，所選取的電驅未達到管道理想運行收益。因此，驅動方式方案判定的條件及方法需要重新審視，有必要通過定量分析來對壓氣站驅動方式進行最優方案比選。

3 驅動方案設計優化

3.1 考慮管道在實際運行中管輸量及運行天數對驅動比選方案的影響。

常規的驅動方案比選往往只考慮壓縮機組在設計工況下的能耗對比，而忽略掉了機組實際運行并非完全按照設計工況。下游用戶市場量會隨著季節的變化而波動，最終出現夏季用氣量少，而冬季用氣量大。低輸量的運行會導致部分電驅機組出現停運。因此，擬定的比選方案工況以及機組運行天數都應作為影響能耗的關鍵參數，并納入比選方案所考慮的因素。

3.2 考慮能源價格波動對驅動比選方案的影響

在整個管道運行周期中，動力費用在基建費和運行費中占有極其重要的一部分。在方案比選中，電價和燃料氣價選取的不同，會導致比選結果的差異很大。因此，壓氣站燃驅電驅方案比選應緊隨國家政策選擇合理的電價和氣價。

對于模擬管徑為D1219 mm、15 MPa 管線的壓氣站為例，以3+6+3 情景工況（管道各壓氣站機組運行按3個月低月工況+6個月年均工況+3個月高月工況考慮）為基礎，在燃料氣價格和運行天數不變的情況下，改變電價，經計算，該壓氣站平均電價為0.69 元/kWh 時，電驅和燃驅的費用現值相當；超過0.69 元/kWh，則燃驅費用現值較低。同樣，在燃料氣價格和運行天數不變的情況下，改變氣價，也存在臨界氣價。

在動力費取值不變的情況下，改變壓氣站運行時間，該壓氣站年運行天數為99 天時，電驅和燃驅費用現值相當。超過99 天，則電驅費用現值較低；少于99 天運行則燃驅方案較優。

表1 該壓氣站臨界電價和臨界運行時間

因此，對于管徑D1219 mm、15 MPa 管線，在燃料氣價為2.78 元/m3條件下，1.3 壓比方案的費用現值最低，但與1.35 和1.25 壓比下的費用現值相差不足0.1%，與1.2、1.4 和1.45 壓比的費用現值相差也在3%以內，因此1219 mm/15 MPa 輸氣管道推薦經濟壓比范圍在1.25～1.40。

對于模擬管徑為D1422 mm、12 MPa 管線（材質X80），在燃料氣價為2.78 元/m3條件下，仍是1.3壓比方案的費用現值最低，但與1.35 和1.25 壓比下的費用現值相差不足0.1%，與1.4 和1.45 壓比的費用現值相差也在2.5%以內，因此D1422 mm/12 MPa輸氣管道推薦經濟壓比范圍在1.25～1.45。

4 結論及建議

（1）驅動方式的選取采用綜合比選的方法確定，以經濟比選為基礎，充分考慮壓氣站的電源條件、供電環境以及對管道系統安全性等方面的影響。經濟比選應采用費用現值法，涵蓋建設投資、運行費用和維護費用等。

（2）方案比選工況的選取應緊密結合天然氣管輸運行計劃方案。從管道全線整體角度出發，根據逐年任務輸量合理地確定壓氣站場的投產計劃，避免因低輸量運行導致已建電驅站場機組閑置，減少不必要的電費支出。

（3）經濟比選中應合理地選取電價及燃料氣價。由于國家政策的調整，氣價、電價也會隨著波動，可根據目前價格進行測算，同時可對未來可能出現的價格趨勢進行預測分析。電價可參照大工業用戶電價，燃料氣價參照所在省份門站價格，考慮管輸成本。

（4）比選過程中應考慮全生命周期，并按全成本核算。管道設計壽命年限應考慮機組維護費用、電子器件壽命等。