天然氣輸氣管道的壓縮機(jī)選型

楊 肖，孫令群

（1.中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司北京分院，北京102200；2.中國石油大學(xué) （北京），北京102200）

天然氣輸氣管道的壓縮機(jī)選型

楊 肖1，孫令群2

（1.中國石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司北京分院，北京102200；2.中國石油大學(xué) （北京），北京102200）

天然氣的運(yùn)輸主要依靠長輸管道來進(jìn)行，而壓縮機(jī)的選型是其中的難點(diǎn)之一。選擇合理的壓縮機(jī)及其附屬設(shè)備會(huì)提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低輸氣成本。探討離心式壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)的區(qū)別，從中選擇適合于該增壓工程的壓縮機(jī)類型。

天然氣；離心式壓縮機(jī)；活塞壓縮機(jī)

1 引言

天然氣作為一種清潔能源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、居民生活、軍事等各方面。天然氣的合理運(yùn)輸可以降低運(yùn)輸成本，促進(jìn)天然氣消費(fèi)。長輸管道作為天然氣的主要運(yùn)輸方式，其運(yùn)輸成本低，得到了大量的發(fā)展。我國已經(jīng)建成了眾多大型的天然氣輸氣工程，如西氣東輸、川氣東送等，而天然氣長輸管道在建設(shè)時(shí)，壓縮機(jī)的選型就是其中的難點(diǎn)之一，如何合理的選用壓縮機(jī)成為了一個(gè)關(guān)鍵性課題。

天然氣輸氣增壓工程，就是在已建設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加輸送壓力，充分利用管道的輸送能力，擴(kuò)大輸送量，滿足下游用戶不斷增加的天然氣需求。某已建天然氣輸氣項(xiàng)目，管道的設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，預(yù)計(jì)增壓之后的輸氣量為53×108m3/a。

2 壓縮機(jī)分類

壓縮機(jī)按照其作用原理可以分為容積式和速度式兩大類［1］，其中包括活塞式、隔膜式、離心式、軸流式等類型。每一種類型的壓縮機(jī)都具有不同的特點(diǎn)，針對(duì)不同工藝條件，不同的使用環(huán)境，適用的壓縮機(jī)類型不同。選擇合適的壓縮機(jī)，不但可以節(jié)省能耗，而且可以提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

活塞壓縮機(jī)依靠活塞的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，通過改變體積的方式來對(duì)氣體進(jìn)行增壓?；钊麎嚎s機(jī)每個(gè)循環(huán)包括膨脹、進(jìn)氣、壓縮和排氣4個(gè)過程，當(dāng)壓縮機(jī)的尺寸確定后，其容積變化規(guī)律也得以確定，即使流量有變化，其對(duì)輸出壓力的影響也會(huì)相對(duì)較小。依靠往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮體積的作用方式，活塞壓縮機(jī)最高輸出壓力可以達(dá)到500 MPa以上，單級(jí)壓力比可以達(dá)到3：1～4：1，單級(jí)壓力比高，輸出壓力穩(wěn)定。但是由于容積變化需要一定尺寸的箱體來提供壓縮場(chǎng)所，導(dǎo)致其占地面積較大，流量也會(huì)受到限制，會(huì)略小于離心式壓縮機(jī)。同時(shí)流量過高或壓比過高時(shí)還會(huì)導(dǎo)致排氣溫度升高，由于閥門材料以及密封要求的限制，要求排氣溫度低于176℃。對(duì)于高壓縮比的活塞壓縮機(jī)，采用多級(jí)壓縮時(shí)，還配有一套冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)往復(fù)作用導(dǎo)致氣體輸出不連續(xù)，對(duì)于要求輸出穩(wěn)定連續(xù)的系統(tǒng)，需配置緩沖罐。

離心式壓縮機(jī)屬于速度式透平壓縮機(jī)的一種，其通過提高流體動(dòng)能再將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力，以這種形式對(duì)氣體進(jìn)行增壓。由于流體在每一級(jí)獲得的動(dòng)能有限，使得離心式壓縮機(jī)的單級(jí)壓力比較小，故離心式壓縮機(jī)均為多級(jí)壓縮的結(jié)構(gòu)，可提供的最大輸出壓力會(huì)比往復(fù)壓縮機(jī)稍小。葉輪通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體進(jìn)行做功，流量最高可以達(dá)到2×105m3/h左右，且振動(dòng)小，排氣連續(xù)，無周期脈動(dòng)效應(yīng)，磨損小，使用壽命長。離心式壓縮機(jī)穩(wěn)定的工作范圍較窄，因此需要一套控制系統(tǒng)，當(dāng)流量過小而沒有做出反應(yīng)時(shí)，會(huì)造成喘振，對(duì)機(jī)器本身及相關(guān)設(shè)備都會(huì)造成損傷。對(duì)于流量過小的系統(tǒng)，采用離心式壓縮機(jī)會(huì)使其結(jié)構(gòu)過小而導(dǎo)致擴(kuò)壓器尺寸小，影響氣體的流動(dòng)。

軸流式壓縮機(jī)也屬于速度式透平壓縮機(jī)的一種，其工作原理與離心式壓縮機(jī)基本相同，不同的是軸流式壓縮機(jī)其流體運(yùn)動(dòng)方向與軸平行，而離心式壓縮機(jī)中流體沿著垂直于壓縮機(jī)軸的方向運(yùn)動(dòng)。軸流式壓縮機(jī)的流量高于離心式壓縮機(jī)，但出口壓力較低。雖然其維護(hù)簡單，但是其葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高，以及穩(wěn)定工況區(qū)較窄、在定轉(zhuǎn)速下流量調(diào)節(jié)范圍小，所以其適用于高流量低壓比的環(huán)境。

3 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇

壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要包括電驅(qū)和燃?xì)怛?qū)動(dòng)2種形式。電動(dòng)機(jī)的供電要求［2］為一級(jí)負(fù)荷，受當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的制約，選擇電驅(qū)時(shí)需考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電能力，外部電網(wǎng)是否穩(wěn)定可靠，電價(jià)是否便宜等問題，并且要和當(dāng)?shù)毓╇姴块T做好溝通，簽訂用電協(xié)議，保證供電穩(wěn)定，故電動(dòng)機(jī)一般用于供電充足地區(qū)。燃?xì)廨啓C(jī)，不受外部條件的制約，僅需要一套供氣設(shè)備和控制設(shè)備，依賴性較小，僅依靠管網(wǎng)供氣就可以滿足需求，但會(huì)排出CO2等溫室氣體，環(huán)保性較差，因此，燃?xì)廨啓C(jī)一般用于供電薄弱且對(duì)環(huán)保無特殊要求的地區(qū)。具體的對(duì)比見表1。

表1 驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比

該項(xiàng)目的增壓站設(shè)計(jì)建立在陜西榆林附近，該地區(qū)供電充足且穩(wěn)定，可以滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的要求，而且從環(huán)保、維修、費(fèi)用等來看，電動(dòng)機(jī)也均優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)，故本項(xiàng)目選擇電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)。

4 壓縮機(jī)選型

在選擇壓縮機(jī)時(shí)，需要從各個(gè)方面考慮，例如結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動(dòng)方式、工作周期、流速、氣體種類、壓比等方面。同時(shí)不同工藝條件下，壓縮機(jī)的出口條件也是不同的。對(duì)于天然氣行業(yè)，螺桿式、隔膜式、軸流式壓縮機(jī)流量不高、出口壓力小，因此較少用于天然氣輸送，工程上常使用活塞式和離心式2種壓縮機(jī)，我們也針對(duì)這種2種類型進(jìn)行對(duì)比，從中選擇合適的類型。

天然氣輸送中要求壓縮機(jī)出口的壓力穩(wěn)定，這是不同于其他工藝中出口流量穩(wěn)定的要求，需確定進(jìn)口壓力范圍、出口壓力范圍、流量變化及其他工藝參數(shù)。除了從工藝方面進(jìn)行考慮外，我們還要從工程實(shí)際出發(fā)，需滿足以下原則：

（1）滿足工藝要求，并適當(dāng)留有余量；

（2）工作可靠、操作靈活、利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；

（3）價(jià)格適當(dāng)、安裝維修方便；

（4）輔助設(shè)備盡可能簡單；

（5）供貨方便以及配件采購方便。

4.1 壓縮機(jī)類型的選擇

對(duì)于該項(xiàng)目，我們需要對(duì)已建輸氣管線進(jìn)行改建，擴(kuò)大其輸氣規(guī)模，且每年的輸氣規(guī)模逐年增加，項(xiàng)目規(guī)劃從2013年開始增產(chǎn)，預(yù)計(jì)到2015年達(dá)到最大。通過工藝比對(duì)，我們選擇以首站增壓的形式來進(jìn)行增壓。設(shè)計(jì)規(guī)模為53×108m3/a，出站壓力為4.9～6.0 MPa，2015年的產(chǎn)量要求首站出站壓力要求達(dá)到6.0 MPa，因此我們按照6.0 MPa、進(jìn)口流量53×108m3/a的輸出壓力來選擇壓縮機(jī)。

參照壓縮機(jī)的使用范圍圖［3］（見圖1），不同類型的壓縮機(jī)不同流量下都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最高的出口壓力。該項(xiàng)目中，流量為631×103m3/h，壓力為6.0 MPa，離心式和活塞式壓縮機(jī)均可滿足。因此我們需要再從壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)以及費(fèi)用上進(jìn)行對(duì)比。

4.2 壓縮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖1 壓縮機(jī)使用范圍

不同類型的壓縮機(jī)都具有不同的特點(diǎn)，對(duì)離心式壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比（見表2），我們可以發(fā)現(xiàn)，活塞壓縮機(jī)初期投資高，出口壓力高；離心式壓縮機(jī)后期維修費(fèi)用低，流量高，出口壓力穩(wěn)定。而該工藝條件下，進(jìn)口壓力會(huì)從2.0 MPa逐年增加到4.5 MPa，而且位于首站位置，其井口出氣壓力和流量隨著開發(fā)年限的增加，其流量和壓力也會(huì)不穩(wěn)定，若采用離心式壓縮機(jī)時(shí)，需在進(jìn)口處設(shè)置調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)壓力，會(huì)造成能源浪費(fèi)，增加一定的費(fèi)用；選用往復(fù)壓縮機(jī)時(shí)，需配置12臺(tái)設(shè)備，相對(duì)于離心式壓縮機(jī)4臺(tái)的數(shù)量，多出2倍，會(huì)造成后期備用零件較多，維修相對(duì)困難的問題，同時(shí)噪聲也會(huì)較大。

表2 離心式、活塞壓縮機(jī)對(duì)比表

4.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

工程上使用時(shí)，在滿足工藝條件下，減少輸氣成本就是關(guān)鍵。對(duì)離心式壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)而言，離心式壓縮機(jī)的初期投入高，但后期維修費(fèi)用較低；活塞壓縮機(jī)初期投入費(fèi)用低，但后期維修費(fèi)用高，且耗損率較高，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，每1000 h左右需要停機(jī)更換部件，每16000 h需更換大修，平均每年需要花費(fèi)約1000人力小時(shí)操作維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)操作維護(hù)人力配備也往往高出離心式壓縮機(jī)幾倍。

對(duì)2種類型的壓縮機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算綜合比較其經(jīng)濟(jì)性（見表3），當(dāng)天然氣壓力從4.5 MPa增壓至6.0 MPa時(shí)，往復(fù)壓縮機(jī)從一次性投資和年總費(fèi)用方面都優(yōu)于離心式壓縮機(jī)，且年總費(fèi)用每年比離心式壓縮機(jī)節(jié)省3775.1萬元；通過相同的計(jì)算，當(dāng)壓力從2.0 MPa增至6.0 MPa時(shí)，離心式壓縮機(jī)的每年費(fèi)用比活塞式僅少200萬元，相差不大。鑒于天然氣輸氣管線的使用年限可以達(dá)到30年，同時(shí)預(yù)計(jì)到2015年以后，壓氣站進(jìn)口壓力會(huì)保持在2.0 MPa以上，因此選擇活塞壓縮機(jī)更經(jīng)濟(jì)。

表3 從4.5 MPa增壓至6.0 MPa

5 結(jié)論

通過技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，雖然在維修、噪聲、氣體連續(xù)性等方面，離心式壓縮機(jī)要優(yōu)于活塞壓縮機(jī)，但活塞壓縮機(jī)的費(fèi)用明顯低于離心式壓縮機(jī)，且變工況適應(yīng)能力強(qiáng)，預(yù)建增壓站附近交通較便利，備用件運(yùn)輸也不存在問題，工作場(chǎng)所設(shè)計(jì)在辦公樓1500 m外，噪聲問題也可緩解，故該項(xiàng)目選擇活塞壓縮機(jī)。

［1］王宗明.壓縮機(jī)［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［2］GB50251.天然氣管道輸氣工程規(guī)范［S］.

［3］薛愛芹，李延宗，張瑩.煤層氣田集氣站壓縮機(jī)選型及驅(qū)動(dòng)方式比較［J］.煤氣與熱力，2011，31（9）：36-38.

［4］陳慶勛，張文偉，等.西氣東輸管道壓氣站的機(jī)組選形［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2004，23（4）：1-5.

［5］杜培恩，李山.影響管道壓縮機(jī)的選型和應(yīng)用［J］.石油儀器，2011，25（5）：33-35.

［6］勒朝霞，高銘志.天然氣壓縮機(jī)的選型和應(yīng)用［J］.石油和化工設(shè)備，2012，15（5）：23-25.

［7］沈斌，劉曉紅，張萍.談空氣壓縮機(jī)的性能分析、比較與選型［J］.玻璃，2006（6）：28-30.

Compressor Selection for Natural Gas Pipeline

YANG Xiao1，SUN Ling-qun2
（1.Sinopec Petroleum Engineering Design Co.，Ltd.Beijing Branch，Beijing 102200，China；2.China University of Petroleum，Beijing 102200，China）

The gas transportation mainly relies on the gas pipeline.The type selection of compressor is one of pipeline system problems.Rational selection of compressor and its ancillary equipment will enhance system stability and reduce transportation costs.This paper discussed the differences between centrifugal compressor and piston compressor，and selected the suitable type for this booster engineering.

natural gas；centrifugal compressor；piston compressor

TH45；TE832

B

1006-2971（2014）06-0052-04

楊肖（1985-），男，山東人，畢業(yè)于北京化工大學(xué)，工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司北京分院，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)方面的研究。E-m a i l：s l e c c 2011@163.c o m

2014-04-08