1、天然氣輸氣管道的壓縮機選型楊 肖1,孫令群2(1.中國石化石油工程設(shè)計有限公司 北京分院，北京 102200；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102200)摘 要:天然氣的運輸主要依靠長輸管道來進行，而壓縮機的選型是其中的難點之一。選擇合理的壓縮機及其附屬設(shè)備會提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，降低輸氣成本。本文將主要探討從離心式壓縮機和活塞式壓縮機的區(qū)別，從中選擇適合于該增壓工程的壓縮機類型。通過對比性能和費用兩個方面，最后選用活塞式壓縮機。關(guān)鍵詞：天然氣；離心式壓縮機；活塞式壓縮機 中圖分類號:TH45 文獻標(biāo)識碼：BCompressor Selection for Natural Gas Pipeli

2、neYANG Xiao1,SUN Ling Qun2(1. Sinopec Petroleum Engineering Design Co., Ltd. Beijing 102200 ,China;2.China University of Petroleum, Beijing. Beijing 102200,China)Abstract:The gas transportation mainly relies on the gas pipeline. The type selection of compressor is one of pipeline system problems. Ra

3、tional selection will enhance system stability and reduce transportation costs. This paper mainly discussed the differences between centrifugal compressor and piston compressor, selected the suitable type for this charging engineering. After comparing performance and cost of these two types, we chos

4、e piston compressor.Key words: Natural gas; Centrifugal compressor; Piston compressor天然氣作為一種清潔能源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、居民生活、軍事等各方各面。天然氣的合理運輸可以降低運輸成本，促進天然氣消費。長輸管道作為天然氣的主要運輸方式，其運輸成本低，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，壓縮機的選型就是其中的難點之一，如何合理的選用壓縮機成為了一個關(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

5、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目，管道的設(shè)計壓力為6.3MPa，預(yù)計增壓之后的輸氣量為53×108m3/a。1. 壓縮機分類壓縮機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都具有不同的特點，針對不同工藝條件，不同的使用環(huán)境，適用的壓縮機類型不同。選擇合適的壓縮機，不但可以節(jié)省能耗，而且可以提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性。活塞式壓縮機依靠活塞的往復(fù)式運動，通過改變體積的方式來對氣體進行增壓。活塞式壓縮機每個循環(huán)包括膨脹、進氣、壓縮和排氣四個過程，當(dāng)壓縮機的尺寸確定后，其容積變化規(guī)律也得以確定，即使

6、流量有變化，其對輸出壓力的影響也會相對較小。依靠往復(fù)運動壓縮體積的作用方式，活塞式壓縮機最高輸出壓力可以達到500MPa以上，單級壓力比可以達到3：14：1，單級壓力比高，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所，導(dǎo)致其占地面積較大，流量也會受到限制，會略小于離心式壓縮機。同時流量過高或壓比過高時還會導(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。對于高壓縮比的活塞式壓縮機，采用多級壓縮時，還配有一套冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時往復(fù)作用導(dǎo)致氣體輸出不連續(xù)，對于要求輸出穩(wěn)定連續(xù)的系統(tǒng)，需配置緩沖罐。離心式壓縮機屬于速度式透平壓縮機的一種，其通過提高流體

7、動能再將動能轉(zhuǎn)化為壓力，以這種形式對氣體進行增壓。由于流體在每一級獲得的動能有限，使得離心式壓縮機的單級壓力比較小，故離心式壓縮機均為多級壓縮的結(jié)構(gòu)，可提供的最大輸出壓力會比往復(fù)式壓縮機稍小。葉輪通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)對氣體進行做功，流量最高可以達到2×105m3/h左右，且震動小，排氣連續(xù)，無周期脈動效應(yīng)，磨損小，使用壽命長。離心式壓縮機穩(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，會造成喘振，對機器本身及相關(guān)設(shè)備都會造成損傷。對于流量過小的系統(tǒng)，采用離心式壓縮機會使其結(jié)構(gòu)過小而導(dǎo)致擴壓器尺寸小，影響氣體的流動。軸流式壓縮機也屬于速度式透平壓縮機的一種，其工作原理與離

8、心式壓縮機基本相同，不同的是軸流式壓縮機其流體運動方向與軸平行，而離心式壓縮機中流體沿著垂直于壓縮機軸的方向運動。軸流式式壓縮機的流量高于離心式壓縮機，但出口壓力較低。雖然其維護簡單，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。2.壓縮機驅(qū)動方式的選擇壓縮機的驅(qū)動方式主要包括電驅(qū)和燃氣驅(qū)動兩種形式。電動機的供電要求2為一級負荷，受當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的制約，選擇電驅(qū)時需考慮當(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，故電動機一般用于供電充足地區(qū)。燃氣輪機，不受外部

9、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，但會排出CO2等溫室氣體，環(huán)保性較差，因此，燃氣輪機一般用于供電薄弱且對環(huán)保無特殊要求的地區(qū)。具體的對比見下表。表1.驅(qū)動方式對比項目燃氣發(fā)動機電動機效率環(huán)境溫度升高35效率下降12%效率隨環(huán)境變化可略輸出功率受環(huán)境影響環(huán)境影響可略噪聲 89dB 83dB污染物排放NOx： 25mg/L CO： 20mg/L無運行可靠性97.5%大于98%維修燃燒器4×104h左右整機大修現(xiàn)場維修，最多1天原料結(jié)構(gòu)天然氣受供電制約對電網(wǎng)影響無需滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)要求初期總投資32160萬元33600萬元年燃料消耗費用109

10、2011270 該項目的增壓站設(shè)計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)動系統(tǒng)對電網(wǎng)的要求，而且從環(huán)保、維修、費用等來看，電動機也均優(yōu)于燃氣輪機，故本項目選擇電動機為驅(qū)動機。3. 壓縮機選型在選擇壓縮機時，需要從各個方面考慮，例如結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動方式、工作周期、流速、氣體種類、壓比、等方面。同時不同工藝條件下，壓縮機的出口條件也是不同的。對于天然氣行業(yè)，螺桿式、隔膜式、軸流式壓縮機流量不高、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兩種壓縮機，我們也針對這種兩種類型進行對比，從中選擇合適的類型。 天然氣輸送中要求壓縮機出口的壓力穩(wěn)定，這是不同于其他工藝中出口流量

11、穩(wěn)定的要求，需確定進口壓力范圍、出口壓力范圍、流量變化及其他工藝參數(shù)。除了從工藝方面進行考慮外，我們還要從工程實際出發(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、利于實現(xiàn)自動化3）價格適當(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3.1.壓縮機類型的選擇對于該項目，我們需要對已建輸氣管線進行改建，擴大其輸氣規(guī)模，且每年的輸氣規(guī)模逐年增加，項目規(guī)劃從2013年開始增產(chǎn)，預(yù)計到2015年達到最大。通過工藝比對，我們選擇以首站增壓的形式來進行增壓。設(shè)計規(guī)模為53×108m3/a，出站壓力為4.9MPa6.0MPa，2015年的產(chǎn)量要求首站

12、出站壓力要求達到6.0MPa，因此我們按照6.0MPa、進口流量53×108m3/a的輸出壓力來選擇壓縮機。參照壓縮機的使用范圍圖3，不同類型的壓縮機不同流量下都對應(yīng)有一個最高的出口壓力。該項目中，流量為631×103m3/h，壓力為6.0MPa，離心式和活塞式壓縮機均可滿足。因此我們需要再從壓縮機結(jié)構(gòu)以及費用上進行對比。圖1. 壓縮機使用范圍3.2.壓縮機優(yōu)缺點對比不同類型的壓縮機都具有不同的特點，對離心式壓縮機和活塞式壓縮機的特點進行對比（見下表1），我們可以發(fā)現(xiàn)，活塞式壓縮機初期投資高，出口壓力高；離心式壓縮機后期維修費用低，流量高，出口壓力穩(wěn)定。而該工藝條件下，進口

13、壓力會從2.0MPa逐年增加到4.5MPa，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，其流量和壓力也會不穩(wěn)定，若采用離心式壓縮機時，需在進口處設(shè)置調(diào)壓閥來調(diào)節(jié)壓力，會造成能源浪，增加一定的費用；選用往復(fù)式壓縮機時，需配置12臺設(shè)備，相對于離心式壓縮機4臺的數(shù)量，多出兩倍，會造成后期備用零件較多，維修相對困難的問題，同時噪音也會較大。表2離心式、活塞式壓縮機對比表項目活塞式壓縮機離心式壓縮機適用范圍小流量、大壓比，單機功率較小大流量、小壓比、排氣均勻、氣流無脈動、轉(zhuǎn)速高、密封好、泄漏少、單機功率較大可操作性操作簡易，可多臺并聯(lián)運行，對變工況適應(yīng)能力較強低流量有喘振問題，可多臺并聯(lián)

14、操作，對變工況適應(yīng)能力較差結(jié)構(gòu)較復(fù)雜較簡單維護管理大修和日常維修工作量大，對維修人員技術(shù)要求不高，維護費用較高不需定期大修，日常維修工作量較小，對維修人員技術(shù)要求高，維護費用低占地面積所需臺數(shù)多，占地面積較大所需臺數(shù)少，占地面積較小噪聲較大較小3.3.經(jīng)濟性對比工程上使用時，在滿足工藝條件時，減少輸氣成本就是關(guān)鍵。對離心式壓縮機和活塞是壓縮機而言，離心式壓縮機的初期投入高，但后期維修費用較低；活塞式壓縮機初期投入費用低，但后期維修費用高，且耗損率較高，據(jù)資料統(tǒng)計，每1,000小時左右需要停機更換部件，每16,000小時需更換大修，平均每年需要花費約1,000人力小時操作維護保養(yǎng)，對操作維護人力

15、配備也往往高出離心式壓縮機幾倍。對兩種類型的壓縮機進行經(jīng)濟核算綜合比較其經(jīng)濟性（見下表3），當(dāng)天然氣壓力從4.5MPa增壓至6.0MPa時往復(fù)式壓縮機從一次性投資和年總費用方面都優(yōu)于離心式壓縮機，且年總費用每年比離心式壓縮機節(jié)省3775.1萬元；通過相同的計算，當(dāng)壓力從2.0MPa增至6.0MPa時，離心式壓縮機的每年費用比活塞式僅少200萬元，相差不大。鑒于天然氣輸氣管線的使用年限可以達到30年，同時預(yù)計到2015年以后，壓氣站進口壓力會保持在2.0MPa以上，因此選擇活塞式壓縮機更經(jīng)濟。 表3. 從4.5MPa增壓至6.0MPa往復(fù)機離心機差值機型配置10+23+1-總投資/萬人民幣198

16、0021863.5-2063.5運行總功率/kW581215319-9507年電力消耗/MW.h48820.8128679.6-79858.8年折舊費13721515-143年電費消耗/萬元2392.26305.3-3913.1年維護費用/萬元50050470投資年金29873299-40年總費用/萬元5879.29654.3-3775.14. 結(jié)論通過技術(shù)性和經(jīng)濟性對比，雖然在維修、噪音、氣體連續(xù)性等方面，離心式壓縮機要優(yōu)于活塞式壓縮機，但活塞式壓縮機的費用明顯低于離心式壓縮機，且變工況適應(yīng)能力強，預(yù)建增壓站附近交通較便利，備用件運輸也不存在問題，工作場所設(shè)計在辦公樓1500m外，噪音問題也可緩解，故該項目選擇活塞式壓縮機。參考文獻：1 王宗明壓縮機M北京：中國