長輸管線壓縮機產(chǎn)品概述

摘要：長輸管線壓縮機是實現(xiàn)天然氣遠距離輸送的核心設(shè)備，同一般的天然氣壓縮機運行環(huán)境相比，長輸管線壓縮機大多安裝在野外缺水少電的地方，現(xiàn)場很難提供合適的水源和電力條件，而且設(shè)備要求自動化程度高，所以對整個機組有著很高的要求。文章對長輸管線壓縮機產(chǎn)品進行了概述。

關(guān)鍵詞：長輸管線壓縮機；結(jié)構(gòu)開發(fā)；控制系統(tǒng)；天然氣輸送；天然氣壓縮機 文獻標識碼：A

中圖分類號：TE832 文章編號：1009-2374（2015）13-0060-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.031

1 研制歷程

2009年，國家能源局啟動了天然氣長輸管道壓縮機國產(chǎn)化研制項目，并將設(shè)備總成套任務(wù)交給了沈陽鼓風機集團股份有限公司。由于天然氣輸氣管線壓縮機組的研制具有征服高難度、打破國際壟斷的特殊性，國家有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)高度重視，在國家能源局、中國機械工業(yè)聯(lián)合會、中國石油天然氣集團公司的正確領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，和所有參研單位的共同努力，成功完成了國內(nèi)首臺長輸管線壓縮機組的研制任務(wù)。

2 產(chǎn)品概述

沈陽鼓風機集團股份有限公司為西氣東輸工程提供的首臺套國產(chǎn)化長輸管線離心壓縮機組型號為PCL804。這種壓縮機是專門為在管道中輸送氣體設(shè)計。工藝氣體依次進入各級葉輪進行壓縮，一直壓縮至出口狀態(tài)，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)，與現(xiàn)場操作地面平行。長輸管線壓縮機組主要由離心壓縮機、干氣密封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、UMD不間斷電源系統(tǒng)、機組控制系統(tǒng)、變頻驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成。壓縮機旋轉(zhuǎn)方向：從變頻電機端看壓縮機，機組旋轉(zhuǎn)方向為逆時針。壓縮機進出氣口方向：從變頻電機端看壓縮機，左側(cè)為進氣口，右側(cè)為出氣口。如圖1所示：

圖1 壓縮機總布置圖

離心壓縮機主要由定子（機殼、隔板、密封、平衡盤密封、端蓋）、轉(zhuǎn)子（軸、葉輪、隔套、平衡盤、軸套、半聯(lián)軸器等）及支撐軸承、推力軸承、軸端密封等組成。如圖2所示：

圖2 壓縮機本體結(jié)構(gòu)圖

在長輸管線壓縮機研制過程中，沈鼓先后突破了諸多世界前沿的技術(shù)關(guān)鍵，取得了一系列國家重大科研成果，主要內(nèi)容如下：

2.1 壓縮機專用模型級系列研發(fā)設(shè)計

長輸管線壓縮機是實現(xiàn)長輸設(shè)備國產(chǎn)化的最大難點。目前世界壓縮機研發(fā)制造正在向大型化、系列化、運行高效化、結(jié)構(gòu)小型化、低噪聲化方向發(fā)展，而這些均取決于壓縮機制造技術(shù)的核心——模型級技術(shù)。我國此前沒有掌握模型級技術(shù)，導(dǎo)致壓縮機體積大、耗能高、材料消耗多，功能達不到要求。高效率是管線壓縮機組設(shè)計追求的重要參數(shù)之一，也是國際上同行業(yè)設(shè)計水平和市場競爭力的充分體現(xiàn)。為了實現(xiàn)這一目標，沈鼓集團采用準相似切割計算、性能分析、反復(fù)修正等技術(shù)措施，優(yōu)化模型級系列化設(shè)計方案，完成了大量性能試驗，獲得了大量可靠數(shù)據(jù)，采用離心壓縮機模型級設(shè)計軟件Concepts/NREC、全三維黏性流場分析軟件NUMECA軟件多模型級子午流道設(shè)計、葉片造型設(shè)計及分析、并在自主研制的輕介質(zhì)試驗臺上進行了7個典型模型級的試驗驗證、最終自主成功研發(fā)11個管線壓縮機專用模型級，形成管線壓縮機系列模型級的性能型譜，保證了機組效率達到88%，保證了機組運行區(qū)域?qū)挕⒘髁空{(diào)節(jié)范圍廣、模型級效率高、性能曲線平坦。沈鼓機組流量調(diào)節(jié)范圍為45%～150%，國外GE機組流量調(diào)節(jié)范圍為65%～135%。

經(jīng)過國家能源局組織的國家級專家鑒定，模型級效率達到國際領(lǐng)先水平。

2.2 壓縮機結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計

根據(jù)介質(zhì)為易燃易爆氣體，壓力高，采用垂直剖分筒型壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計，與常規(guī)垂直剖分壓縮機端法蘭與機殼筒體靠螺栓把合結(jié)構(gòu)不同，本項目成功新開發(fā)了端法蘭與機殼筒體之間采用卡環(huán)形式，承壓高，密封性好，該機構(gòu)有效地減小了機組的重量，最大限度地節(jié)省了材料成本。機殼設(shè)計上采用了將壓縮機機殼與底座合成為一體的管線壓縮機特有的單層布置結(jié)構(gòu)；增加了沿軸心方向上的立鍵和垂直于軸心方向的橫鍵，滿足了管線壓縮機特殊要求8倍NEMA標準規(guī)定的力和力矩值，減輕了進出口風筒與機殼焊縫的受力。平衡盤密封采用防激振結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用一種特種工程塑料——PEEK制造，具有耐高溫、耐腐濁、耐磨損、高強度、自潤滑、尺寸穩(wěn)定等特有的優(yōu)越性能。結(jié)構(gòu)設(shè)計采用國際先進軟件ANSYS、RBSP和XL-ROTOR開發(fā)程序分別對葉輪強度、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)，離心壓縮機轉(zhuǎn)子-軸承-密封系統(tǒng)動力失穩(wěn)和機組軸系扭振進行了詳細分析，保證壓縮機轉(zhuǎn)子具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。進、排出氣蝸室結(jié)構(gòu)利用CFD分析優(yōu)化設(shè)計，保證了進、排氣流道氣流分布均勻，提高了機組效率。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化結(jié)果：壓縮機安全可靠穩(wěn)定運行；壓縮機效率最高達到了87.7%；壓縮機振動值6～13μm，優(yōu)于API標準要求（25.4μm）。

2.3 三元閉式葉輪整體銑制和兩件焊葉輪加工技術(shù)，提高了加工效率

閉式葉輪整體銑制的工藝方法，即在整塊毛坯上銑制出三元流道，其加工編程和刀具設(shè)計均有極大的難度。我們通過修改機床各坐標軸的限位，滿足了葉片的扭曲范圍。通過精確的計算，避免了加工時主軸與工作臺的干涉，同時由于葉輪材料較黏，易黏刀，易磨損，我們選用了刀刃鋒利、材料韌性較好的刀片，減小了刀具震動，保證了加工質(zhì)量。

2.4 管線壓縮機組潤滑油系統(tǒng)的專有設(shè)計，滿足了天然氣場站環(huán)境的特殊要求

潤滑油系統(tǒng)首次設(shè)計采用空氣冷卻器進行冷卻，滿足了天然氣場站安裝環(huán)境的特殊條件，針對最低環(huán)境溫度的，為了保證正常使用，采用熱風循環(huán)的方式，并根據(jù)具體的最低環(huán)境要求，潤滑油系統(tǒng)進行伴熱及保溫設(shè)計。由于現(xiàn)場條件限制，無法設(shè)置通常配置高位油箱來保證事故狀態(tài)，尤其是電源事故狀態(tài)下的安全停機，采用了UMD補電源供電系統(tǒng)經(jīng)過了計算和試驗驗證保證了事故狀態(tài)下的安全停機。管線壓縮機與流程壓縮機比較基本屬于現(xiàn)場無人值守操作，所以對整套系統(tǒng)的自動化程度及遠程操作都提出了特殊要求。自動調(diào)壓排煙風機系統(tǒng)的研制，保證了在油箱真空度過高或過低時的自動調(diào)節(jié)功能，尤其解決了排煙風機故障情況下的油箱煙氣排放問題。對潤滑油空冷器和調(diào)節(jié)閥門進行了遠程自動調(diào)節(jié)控制，保證供油系統(tǒng)的最大程度的自動化。endprint

2.5 機組群控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計

天然氣長輸管線電驅(qū)壓縮機組群控制系統(tǒng)是多種國產(chǎn)化設(shè)備的集成，主要包括成套裝置長輸管線壓縮機、變頻驅(qū)動系統(tǒng)、機組控制系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)及其他輔機系統(tǒng)等。根據(jù)天然氣長輸管線增壓站場的應(yīng)用特點，重點實現(xiàn)極限調(diào)節(jié)、限制保護、故障停機保護、多機組性能調(diào)節(jié)、軸系儀表檢測系統(tǒng)、ESD保護系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，達到一體化集成控制和遠程監(jiān)控等功能。

天然氣長輸管線電驅(qū)壓縮機組群控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計優(yōu)點如下：通過自動調(diào)節(jié)變頻電機轉(zhuǎn)速來維持各站出口壓力，以滿足管線輸送氣量要求。自動將壓縮機控制在制造廠限定的安全和經(jīng)濟運行區(qū)域內(nèi)。通過優(yōu)化控制算法最小化壓縮機和管線系統(tǒng)的安全限制裕度，從而優(yōu)化機組運行最大化運行區(qū)域。通過優(yōu)化的性能控制、喘振控制和速度控制回路之間的實時解藕算法，穩(wěn)定機組運行。通過先進的負荷分配控制系統(tǒng)，使并聯(lián)運行機組網(wǎng)絡(luò)能量效率最大化在管線系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，能夠自動調(diào)節(jié)機組負荷，并提供自動啟動、停車、和機體氣體置換書順序控制程序，使得操作員干預(yù)最小化。緊急連鎖保護、機組自身機械聯(lián)鎖保護，機組自動啟停車順序控制。實現(xiàn)遠程調(diào)控中心監(jiān)控功能。研制結(jié)果：天然氣長輸管線機組群控制系統(tǒng)整體功能性能達到了國外先進產(chǎn)品的技術(shù)水平。

2.6 管線壓縮機組干氣密封控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

針對天然氣場站野外環(huán)境條件的特殊性，干氣密封控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計具有完備的自動監(jiān)測、調(diào)節(jié)控制和自保聯(lián)鎖等功能，并配有特殊的增壓、加熱除液和過濾裝置等全面控制功能，保證了機組正常安全開車，防止了冷凝液體出現(xiàn)損壞干氣密封影響長輸管線壓縮機運行。

2.7 大型筒型機殼配重加工技術(shù)，解決了大型筒型機殼加工制造難點

管線壓縮機機殼尺寸、重量大，且一側(cè)偏重，在加工過程中會導(dǎo)致工作臺旋轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，影響工件加工精度。我們經(jīng)過充分分析設(shè)備能力的基礎(chǔ)上，采用在工作臺上配重，每次精加工前從1500kg開始試配、試加工，直到試加工測量合格后方進行精加工，解決了大型筒型機殼加工制造難點。

2.8 大型機殼的焊接技術(shù)

筒體和進出風口厚度大、剛性強，在拘束應(yīng)力的作用下焊縫極易產(chǎn)生缺陷、給焊接帶來極大的困難。選用耐低溫、高韌性J507RH焊條及H09MnNiDR焊絲，按ASME要求進行焊接工藝評定，確定焊接工藝規(guī)程。焊后進行無損探傷檢驗保證了焊接質(zhì)量。

3 重大意義

長輸管線壓縮機組國產(chǎn)化意義重大，該項目受到國家發(fā)改委、能源局的高度重視，是關(guān)系到國計民生的重大項目，也是國家能源局確定的重大科研專項之一，其試制成果將為國家大型裝備制造業(yè)提供快速成長和發(fā)展的機會，提高綜合競爭實力，打破壟斷、降低成本，其在政治、經(jīng)濟、社會等多方面均將產(chǎn)生深遠影響，具有極其重要的意義，因此，沈鼓集團作為該項目的總成套方，著眼于產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中的每一個環(huán)節(jié)，工作落實到位，與各個參研單位、配套廠家及時溝通，廠內(nèi)相關(guān)部門密切配合、通力協(xié)作，確保機組按研制合同要求順利完成，打造沈鼓集團在長輸管線壓縮機領(lǐng)域的國際品牌。20MW級電驅(qū)壓縮機組首臺套的研制成功對于整個天然氣輸氣管線壓縮機組的國產(chǎn)化進程來說，還僅僅只是一個開始。中國石油將陸續(xù)建設(shè)西三線、西四線、西五線等長輸天然氣管道，僅西三線的規(guī)劃，就將使用燃驅(qū)機組23套、電驅(qū)機組54套，未來的道路很寬廣，沈鼓集團在未來的壓縮機市場必然動力十足，為祖國天然氣的運輸提供最強大的“心臟”。

參考文獻

[1] 郭英華.淺談機電工程設(shè)計中應(yīng)注意的幾個問題[J].黑龍江科技信息，2013，（12）.

作者簡介：尹雨春（1982-），山東人，沈陽鼓風機集團自控公司儀表工程師。

（責任編輯：陳 倩）endprint