20WM 級西氣東輸國產(chǎn)化首臺套長輸管線壓縮機研制

李 亮， 王 宇， 郭 歡， 楊杰霖

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869）

0 引言

西氣東輸工程是由國務(wù)院批準(zhǔn)的國家級重大工程[1]。長輸管線壓縮機是西氣東輸工程天然氣長距離輸送的關(guān)鍵設(shè)備，是保證我國能源安全的大國重器，長輸管線壓縮機大多安裝在缺水少電人煙稀少的地方，自然環(huán)境惡劣，對壓縮機穩(wěn)定運行影響較大如低溫、風(fēng)載、雪載、地震等，機組運轉(zhuǎn)既要安全、可靠、長周期運行（四年），又要集成智能設(shè)計，還要便于安裝、維護和檢修，最終實現(xiàn)一鍵啟停及無人值守[2]。

根據(jù) 《國家能源局關(guān)于長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化工作安排的函》（國能科技〔2009〕243 號）和2009 年11 月北京釣魚臺國賓館簽訂的 《天然氣長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化20MW 級電驅(qū)壓縮機組研制合同》， 沈鼓集團承擔(dān)國產(chǎn)化20MW 級高速直聯(lián)變頻電驅(qū)壓縮機組國產(chǎn)化研制任務(wù)，應(yīng)用于西氣東輸二線東段工程[3-4]。

20MW 級高速直聯(lián)變頻電驅(qū)壓縮機組是一項系統(tǒng)復(fù)雜、學(xué)科交匯、技術(shù)前沿的高度集成化智能系統(tǒng)工程[5]。 機組需具備高流量、高效率、高壓力、高穩(wěn)定、高自動、高調(diào)節(jié)范圍，且壓氣站內(nèi)多機組并聯(lián)運行等特點。 首臺套長輸管線壓縮機組試制成功，打破了國外的長期壟斷，保證了國家的能源安全。

1 長輸管線壓縮機組

長輸管線壓縮機具體技術(shù)參數(shù)見表1。長輸管線壓縮機是壓縮機外殼垂直剖分結(jié)構(gòu)（筒型外殼），葉輪順排按流量系數(shù)由大到小逐級布置，轉(zhuǎn)子由四級葉輪組成。 天然氣首先進入第一級葉輪進行壓縮，然后經(jīng)過擴壓器，隔板上的彎道，以及回流器進入第二級，每級前后有梳齒密封密封，保證氣體很少泄露，然后依次逐級壓縮，一直壓縮至壓縮機出口法蘭處，壓縮機段間沒有中間氣體冷卻器，壓縮機入口及出口法蘭分布在機器兩側(cè)， 與機殼垂直布置， 以保證壓縮機進氣效率以及減少壓縮機進出口管道的應(yīng)力。

表1 長輸管線壓縮機具體技術(shù)參數(shù)

長輸管線壓縮機主要由機殼、內(nèi)機殼、進口隔板、級間隔板出口隔板、口圈密封、級間密封、干氣密封、支撐軸承、推力軸承、左右側(cè)蓋、左右端蓋等零部件組成。轉(zhuǎn)子由主軸、管線專用葉輪、隔套、平衡盤、軸套、膜盤式半聯(lián)軸器等組成，見圖1。

圖1 長輸管線壓縮機本體

1.1 壓縮機專用模型級

長輸管線壓縮機模型級流量系數(shù)范圍為φ1=0.090～0.038，無葉擴壓器級效率為ηP=0.84～0.88， 級能頭系數(shù)為τ=0.52～0.54，機組效率達到87.5%，機組流量調(diào)節(jié)范圍45%～160%。

1.2 壓縮機轉(zhuǎn)子

管線壓縮機的壓比較小，因此管線壓縮機的葉輪數(shù)與其它壓縮機相比葉輪較少。 通常采用2 到4 級壓縮即可。壓縮機選型原則，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)條件計算各級流量系數(shù)。

式中：G—壓縮機進口質(zhì)量流量；Tin—進口溫度；R—氣體常數(shù)；Pin—進口壓力；D2—葉輪直徑；U2—葉輪周速；K—等熵指數(shù)；s—輸入功系數(shù)；ηP—多變效率；mv—多變過程指數(shù)；Z1—壓縮性因子。 場站實際的性能需迭代計算，按上訴公式依次計算，當(dāng)本次計算Pout及上次計算的差別小于預(yù)設(shè)閾值（如1.0E-4）[6-7]，計算收斂，否則重新計算出口壓力。

1.3 壓縮機葉輪強度

葉輪最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為5040rpm，葉輪材料為FV520BS1，材料屈服極限為685MPa。 求解葉輪在跳閘轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力，見圖2。

圖2 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下葉輪應(yīng)力分布云圖和葉輪軸孔變形分布放大云圖

1.4 壓縮機轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)分析

（1）激勵點在內(nèi)測。激勵點在內(nèi)測的不平衡響應(yīng)分析，將激勵點作用到首級葉輪、三級葉輪以及平衡盤處，見圖3。

圖3 激勵點在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)時轉(zhuǎn)子振幅值

（2）激勵點在外側(cè)。 激勵點在外測不平衡響應(yīng)分析，將激勵點作用到推力盤、二級葉輪以及聯(lián)軸器處，見圖4。

圖4 激勵點在轉(zhuǎn)子外側(cè)時轉(zhuǎn)子振幅值

1.5 壓縮機的穩(wěn)定性分析

1.6 壓縮機機殼

壓縮機進、出氣口水平布置方式，進口法蘭布置機組中心線上，出口布置在機組中心線下方，該設(shè)計方式降低管道及壓縮機所受的扭矩載荷，便于壓氣站整體天然氣管路布置。 機殼與底座一體式的管道壓縮機單層布置結(jié)構(gòu)，保證壓縮機整體剛度和強度，結(jié)合進、出氣口氣體壓力對壓縮機殼體作用機理、地震反應(yīng)機理，構(gòu)建出機殼與支腿焊接的新結(jié)構(gòu)形式，定位采用新型定位銷結(jié)構(gòu)， 保證壓縮機整體結(jié)構(gòu)在7 級8 度烈度的強地震破壞下仍可安全運行。

1.7 壓縮機專用工具

管線壓縮機組機芯重量高達20t，結(jié)構(gòu)精度高，裝配難度大。 為降低裝拆難度，適應(yīng)壓氣站場惡劣裝拆條件，設(shè)計了電動管線壓縮機機芯液壓輔助拆裝機構(gòu)。 經(jīng)過車間多次裝配驗證， 該液壓裝拆機構(gòu)實現(xiàn)大型管線壓縮機機芯裝配過程的自動推進，見圖6。

圖5 穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖6 管線壓縮機裝配過程模擬圖

1.8 壓縮機性能曲線

根據(jù)場站最終參數(shù)，繪制壓縮機工況的性能曲線。 圖7 為8293-S 工況壓縮機性能曲線， 圖8 為8000-W 工況壓縮機性能曲線。

圖7 8293-S 工況壓縮機性能曲線

2 壓縮機72h 性能試驗

鑒于機組的重要性質(zhì)，考慮場站的施工條件，機組需在制造廠進行72h 性能測試以及機組的穩(wěn)定性測試工作。 72h 性能測試采用代用氣體氮氣按ASME PTC-10 進行進行閉式循環(huán)性能測試試驗. 閉式循環(huán)試驗系統(tǒng)組成主要設(shè)備由壓縮機、齒輪箱、變頻器、管路、試車油站等組成，進口管路圓周方向上布置2 個測流量的流量計，出口管路圓周方向上布置由調(diào)節(jié)流量的閥門、換熱器、放空閥、安全閥等，出口氣體經(jīng)換熱器冷卻后回到壓縮機進口，進口管路與出口管路相連，形成一個閉式循環(huán)系統(tǒng)[8]。

2.1 試驗條件

試驗介質(zhì)：氮氣，當(dāng)量轉(zhuǎn)速n=3811r/min，進口壓力P1=980.7kPa（A），進口溫度t1=40℃。

2.2 試驗過程及結(jié)果

試驗用氮氣由液氮槽車專門運輸并送入液氮儲氣罐，液氮儲氣罐中液氮經(jīng)液氮泵加壓打到氮氣蒸發(fā)器中，經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)充入氮氣高壓儲氣罐中，再由高壓儲氣罐經(jīng)自動電動補加氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)送入閉式循環(huán)試驗系統(tǒng)中[8]。機組未啟動時向封閉式回路充入保證足夠充足的氮氣，檢查各法蘭連接處，及管道本身不得有漏氣現(xiàn)象[9]。當(dāng)管路內(nèi)壓力達到試驗條件后，開啟壓縮機緩慢調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速。確認機組正常平穩(wěn)運行30min 后， 檢查機組轉(zhuǎn)子的振動值及各軸承瓦溫，正式進入氣動性能試驗。 整個試驗過程通過電動自動補氣裝置保持進口壓力試驗條件的壓力值，通過調(diào)節(jié)冷卻水水量控制換熱器溫度使進口氮氣溫度符合試驗條件。在進口壓力不變情況下，用出口閥來調(diào)節(jié)出口壓力，工況點包括滯止流量點、設(shè)計點和喘振點等五個工況點。 每個工況點待溫度穩(wěn)定后（大約需30min）進行數(shù)據(jù)采集。 其中最小流量工況為喘振工況，要經(jīng)過至少三次重復(fù)驗證.在上述測試中，為確定其喘振線，在保證機組安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)情況下， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在70%、90%、100%額定轉(zhuǎn)速情況下，進行喘振線的測試。試驗完畢將出口調(diào)節(jié)閥門打開，并緩慢打開放空閥，壓力降至安全壓力后即可停車。

2.3 穩(wěn)定性測試

試驗設(shè)備包括示波器、差分探頭、溫槍、轉(zhuǎn)速表等。在高壓變頻器和電機置于全速全功率（4800rpm，18MW）工況條件下，使其恒負荷連續(xù)運行72h，檢驗其是否有故障發(fā)生。在整個試驗過程中每隔1～2h 測量系統(tǒng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等。觀察變頻器運行狀態(tài)和功率單元顯示狀態(tài)與實際是否相符。 同時通過UCS 系統(tǒng)監(jiān)測整個壓縮機電驅(qū)系統(tǒng)運行的狀態(tài)。 在高壓變頻器和電機置于全速全功率（4800rpm，18MW）工況條件下，恒負荷連續(xù)運行72h 不應(yīng)發(fā)生任何故障， 壓縮機組經(jīng)72h 運轉(zhuǎn)完全符合試驗標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)有關(guān)專家鑒定性能達到國際領(lǐng)先水平。

3 重大意義

長輸管道壓縮機組的研制成功， 改變了中國能源裝備長期以來受制于人的被動局面， 提升了壓縮機輸送領(lǐng)域整體技術(shù)水平和國際競爭力，填補了國內(nèi)空白，帶動了鋼鐵、建材、石油化工、電力等相關(guān)行業(yè)發(fā)展，對促進了我國工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

從國際能源需求趨勢來看，天然氣的增長速度將會快于石油。 美國殼牌公司天然氣的產(chǎn)值已經(jīng)超過石油，而且這種趨勢還在擴大。 從天然氣的勘探情況來看，其儲量要多于石油。 西氣東輸工程目前是1 線、2 線，將來還要陸續(xù)上馬3 線、4 線。 將天然氣從新疆輸送到上海、湖南、江西、廣東，最后到香港，因此，20WM 級天然氣管道壓縮機研制成功具有廣闊的市場前景，其經(jīng)濟和社會效益巨大。

4 結(jié)論

該機組研制成功， 解決了管道壓縮機研制過程中的核心技術(shù)難題， 提升了我國長輸管道壓縮機設(shè)計制造水平，形成了新的輸氣壓縮機標(biāo)準(zhǔn)，提高了我國企業(yè)和相關(guān)行業(yè)競爭能力，實現(xiàn)了壓縮機行業(yè)技術(shù)跨越和技術(shù)進步。經(jīng)行業(yè)相關(guān)專家鑒定20MW 級長輸管線壓縮機性能指標(biāo)完全符合合同要求，達到國際領(lǐng)先水平。