１頁巖氣外輸干線概況１.１壓氣站概況頁巖氣外輸干線線路總長度１１８.１ｋｍ，設(shè)計壓力６.３ＭＰａ，管徑ＤＮ８００，設(shè)計集輸氣能力１２００×１０4ｍ3／ｄ。Ａ輸氣站為該外輸干線末端站點(diǎn)，主要接收該外輸干線上游來氣，其中一部分通過低輸進(jìn)入川渝管網(wǎng)沿線供用戶使用，其余部分進(jìn)入Ｂ壓氣站，經(jīng)過分離、過濾，增壓后再輸往國家管網(wǎng)，如圖１所示。Ｂ壓氣站主要對上游輸氣站來氣經(jīng)過分離、過濾，增壓后再通過上游輸氣站輸往川渝管網(wǎng)，設(shè)計壓力６.３ＭＰａ，設(shè)置２臺３.６ＭＷ變頻電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組；２０１９年９月投運(yùn)后，該外輸干線每日最大輸氣能力提升為１７００萬ｍ3。Ｃ壓氣站主要接收某公司和油田集輸?shù)捻搸r氣，經(jīng)場站分離除塵、過濾，進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后輸往輸氣處Ａ輸氣站，設(shè)計壓力６３ＭＰａ，設(shè)置１臺８.８ＭＷ國產(chǎn)電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組；２０２０年９月投運(yùn)后，頁巖氣外輸干線日輸氣能力達(dá)２１５０萬ｍ3，進(jìn)一步疏通了某區(qū)塊頁巖氣外輸?shù)墓芫W(wǎng)瓶頸。１.２頁巖氣外輸干線３臺機(jī)組概況１.２.１Ｂ壓氣站機(jī)組概況Ｂ壓氣站機(jī)組設(shè)計壓力６.３ＭＰａ，設(shè)計輸量９５４～１１８８×１０４ｍ３／ｄ，站內(nèi)低壓分輸３４～１１５×１０４ｍ３／ｄ；進(jìn)站壓力３.８３～４.３ＭＰａ、增壓后出站５.３～５.８７ＭＰａ，低壓分輸２.５～３.４ＭＰａ；操作溫度１０～５４.７４℃。場站安裝有ＰＣＬ４０２變頻電驅(qū)離心式壓縮機(jī)２套，阿特拉斯螺桿空壓機(jī)２套，油站潤滑系統(tǒng)２套，旋風(fēng)式分離器３臺，臥式分離器３臺，匯氣管１臺，如圖２所示。Ｂ壓氣站自２０１９年１０月２７日起壓縮機(jī)組啟機(jī)正式加載試運(yùn)行，截至２０２１年４月３０日，１號機(jī)組累計運(yùn)行１０９３５.６７ｈ，處理氣量２３.７６×１０８ｍ3，２號機(jī)組累計運(yùn)行１０５１５.８９ｈ，處理氣量２２.９７×１０８ｍ3。Ｂ壓氣站主要耗電設(shè)備為：壓縮機(jī)三相異步電動機(jī)、空壓泵電機(jī)、油站電機(jī)、油空冷電機(jī)、空冷器電機(jī)、消防泵電機(jī)等。２０１９年１０月２７日投產(chǎn)至２０２１年４月３０日，總耗電量為５２９９.２萬ｋＷ·ｈ，平均電費(fèi)率為０.６４（元／ｋＷ·ｈ）。１.２.２Ｃ壓氣站機(jī)組概況Ｃ壓氣站壓縮機(jī)組設(shè)計壓６.３ＭＰａ，設(shè)計輸量１７１７～２００６×１０４ｍ3／ｄ，最大增輸能力２１０２×１０４ｍ３／ｄ；最高轉(zhuǎn)速９３７４ｒ／ｍｉｎ，額定轉(zhuǎn)速８９２７ｒ／ｍｉｎ，進(jìn)站壓力４.１３～４.４６ＭＰａ，增壓后出站壓力５.４～６.０５ＭＰａ；分輸?shù)蛪河脩魤毫Α埽?０ＭＰａ；進(jìn)站溫度１２.１６～２０℃；增壓后出站溫度３１.０７～４３.４℃。場站安裝有ＰＣＬ－５０２變頻電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組１套，壓縮機(jī)空氣撬２套，油站系統(tǒng)１套，臥式分離器４臺，匯管１臺，放空點(diǎn)火裝置１臺。Ｃ壓氣站自２０２０年９月１６日起壓縮機(jī)組啟機(jī)正式加載試運(yùn)行，截至２０２１年４月３０日，機(jī)組累計運(yùn)行４９０７.５４ｈ，處理氣量３３.３２×１０８ｍ３，其中機(jī)組日均處理氣量最多為１６９８.３２×１０４ｍ３，進(jìn)氣壓力４.１２～４.５６ＭＰａ，排氣壓力４.７１～５.１３ＭＰａ，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持在８２００ｒ／ｍｉｎ左右，加載負(fù)荷為８０％。Ｃ壓氣站（圖３）主要耗電設(shè)備為：壓縮機(jī)三相異步電動機(jī)、空壓泵電機(jī)、油站電機(jī)、油空冷電機(jī)、空冷器電機(jī)、消防泵電機(jī)等。２０２０年９月１６日投產(chǎn)至２０２１年４月３０日，總耗電量為２３２４.５３萬ｋＷ·ｈ，平均電費(fèi)率為０.７０６９（元／ｋＷ·ｈ）。２目前３臺機(jī)組運(yùn)行工況自２０２０年９月Ｃ壓氣站投用至今，某集輸干線日輸氣量由１８００萬方降低至１３５０萬方，偏離Ｃ壓氣站的設(shè)計工況。Ｄ脫水站出站壓力由５.３ＭＰａ降至４.４ＭＰａ；Ａ輸氣站低輸氣量由３００萬方／日提升至７００萬方／日；偏離納溪壓氣站的設(shè)計工況。據(jù)頁巖氣外輸干線輸氣量、Ｄ脫水站出站壓力，結(jié)合Ａ輸氣站高低輸氣量，蜀南氣礦先后摸索了三種運(yùn)行模式，即３臺機(jī)組同時運(yùn)行、Ｃ壓氣站單獨(dú)運(yùn)行、Ｂ壓氣站單獨(dú)運(yùn)行，下面就每種模式分別選擇一種典型工況進(jìn)行分析。由于實(shí)際運(yùn)行工況多數(shù)偏離了設(shè)計工況，無法得到機(jī)組對氣體做功過程的多變指數(shù)，只能以絕熱指數(shù)（取１.３４）來計算（由于熱阻的存在，絕熱效率高于多變效率），用絕熱效率定性反映損失的大小，比較各工況下壓縮機(jī)組性能優(yōu)劣：２.１３臺機(jī)組同時運(yùn)行２０２１年１月２日０８：００頁巖氣外輸干線壓縮機(jī)運(yùn)行情況：Ｃ壓氣站生產(chǎn)時間２４ｈ，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力４２８ＭＰａ，排氣壓５.１３ＭＰａ，電機(jī)電流６４２Ａ，轉(zhuǎn)速７２７８ｒ／ｍｉｎ，瞬時１６３５萬方／日；Ｂ壓氣站：生產(chǎn)時間２４ｈ，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力４３８ＭＰａ，排氣壓力５.１７ＭＰａ，電機(jī)電流１７７Ａ，轉(zhuǎn)速９６２０ｒ／ｍｉｎ，處理氣量１３５０萬方／日，低輸２５０萬方／日，頁巖氣外輸干線總量１６００萬方／日。２.１.１Ｃ壓氣站壓縮機(jī)工況分析基準(zhǔn)狀態(tài)下機(jī)組轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速７２７８ｒ／ｍｉｎ時流量為１６３５萬方／日，換算成進(jìn)口狀態(tài)下流量１５５００ｍ３／ｈ；根據(jù)相似理論，結(jié)合ＰＣＬ５０２性能曲線可知該工況下機(jī)組效率為８０％；把機(jī)組兩級做功過程近似為無冷卻的多變壓縮；計算得出Ｃ壓氣站機(jī)組功率為４２６４ｋＷ。絕熱壓縮功率為３４７５ｋＷ，絕熱效率為８１.４９％，如圖４。２.１.２Ｂ壓氣站壓縮機(jī)工況分析此工況下Ｂ壓氣站２臺離心式壓縮機(jī)組同時運(yùn)行，單臺機(jī)組處理氣量６３０萬方／日以上；超出設(shè)計工況，效率低能耗高，無法通過多變效率計算多變功率和總耗功率。根據(jù)離心式壓縮機(jī)組電機(jī)輸出電壓和電流，按照功率因子０.９計算，離心式壓縮機(jī)總耗功率為２３２７.４ｋＷ。絕熱指數(shù)取進(jìn)排氣條件的平均值為１.３４，得出絕熱壓縮功率為１３１２ｋＷ，絕熱效率為５６.３７％，如圖５。２.２Ｃ壓氣站單獨(dú)運(yùn)行２０２１年４月２４日０８：００頁巖氣外輸干線壓縮機(jī)運(yùn)行情況：Ｃ壓氣站生產(chǎn)時間２４ｈ，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力４.１２ＭＰａ，排氣壓力５.５８ＭＰａ，電機(jī)電流７９３Ａ，轉(zhuǎn)速８８１０ｒ／ｍｉｎ，瞬時流量１４８０萬方／日；Ｄ脫水站中心站出站壓力４４４ＭＰａ；納溪壓氣站１＃、２＃壓縮機(jī)停機(jī)，頁巖氣外輸干線氣量１３９８萬方／日。基準(zhǔn)狀態(tài)下機(jī)組流量為１４８０萬方／日，換算成進(jìn)口狀態(tài)下流量１４５８４ｍ3／ｈ；利用相似理論，結(jié)合ＰＣＬ５０２性能曲線得出該工況下機(jī)組多變效率為８５％。把機(jī)組兩級做功過程近似為無冷卻的多變壓縮，計算得出Ｃ壓氣站壓縮機(jī)總耗功率為５８９７ｋＷ；絕熱壓縮功率為５３５５ｋＷ，絕熱效率為９１.４３％，如圖６。２.３Ｂ壓氣站單機(jī)運(yùn)行２０２１年５月１５日０８：００頁巖氣外輸干線壓縮機(jī)運(yùn)行情況：Ｃ壓氣站生產(chǎn)時間０小時；納溪壓氣站１＃壓縮機(jī)運(yùn)行２４ｈ，２＃壓縮機(jī)運(yùn)行０ｈ，１＃機(jī)進(jìn)氣壓力３.６５ＭＰａ，排氣壓力４.８４ＭＰａ，轉(zhuǎn)速１２２６６ｒ／ｍｉｎ，電流２２９Ａ，處理瞬量６６１萬方／日，低輸瞬量６８８萬方／日，頁巖氣外輸干線瞬量１３４９萬方／日，Ｄ脫水站出站壓力４.４８ＭＰａ。此時Ｂ壓氣站超出機(jī)組設(shè)計工況，效率較低。根據(jù)電機(jī)輸出電壓、電流、功率因子，計算得出該工況下總耗功率３５７０ｋＷ，絕熱壓縮功率為２２１２ｋＷ，絕熱壓縮效率６１.９７％，如圖７。３能耗分析及下一步運(yùn)行調(diào)整３.１３種運(yùn)行模式能耗對比根據(jù)前面３種運(yùn)行模式典型工況分析結(jié)果：（１）３臺機(jī)組同時運(yùn)行時，機(jī)組總能耗最高，但Ｂ壓氣站２臺離心式壓縮機(jī)組偏離設(shè)計較遠(yuǎn)，屬于大流量工況，葉輪葉片進(jìn)口氣流為負(fù)沖角，沖擊損失增大，絕熱效率最低（僅為５６％）；（２）Ｃ壓氣站壓縮機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時，機(jī)組總耗功率居中，絕熱效率最高（約為９１％）；（３）Ｂ壓氣站單機(jī)運(yùn)行時，機(jī)組總耗功率最少，但機(jī)組仍處于大流量工況，進(jìn)口氣流形成負(fù)沖角，絕熱效率偏低（約為６２％）。隨著某頁巖氣產(chǎn)量逐漸降低，Ａ輸氣站低輸氣量維持在６００～８００萬方／日，未來３臺機(jī)組同時運(yùn)行不符合分公司高質(zhì)量發(fā)展要求。為進(jìn)一步降低機(jī)組運(yùn)行成本，在不影響產(chǎn)量的前提下，需要重新摸索機(jī)組運(yùn)行模式。３.２摸索機(jī)組運(yùn)行模式結(jié)合目前頁巖氣外輸干線運(yùn)行情況，以２０２０年５月１９日為例，Ｄ脫水站出站壓力４.５３ＭＰａ；Ｂ壓氣站進(jìn)氣壓力３.６７ＭＰａ、出站壓力４.８３ＭＰａ；Ａ輸氣站高輸６８４萬方／日，低輸６８６萬方／日。前面已經(jīng)分析了Ｂ壓氣站單機(jī)運(yùn)行模式，因偏離壓縮機(jī)設(shè)計工況較遠(yuǎn)效率較低。下面我們探索兩臺機(jī)組同時運(yùn)行的情況，此時單機(jī)處理量３４２萬方／日，結(jié)合ＰＣＬ４０２性能曲線，此時轉(zhuǎn)速為９８４４ｒ／ｍｉｎ，平均分子量為１６.２７６，假設(shè)Ｂ壓氣站進(jìn)出站壓力不發(fā)生變化，進(jìn)氣溫度為１５.６℃（設(shè)計值），絕熱系數(shù)為１.３４，多變效率取８２％。壓縮過程近似為無冷卻多變壓縮，計算得出該工況下壓縮機(jī)功率為１４００ｋＷ，綜合合性能曲線進(jìn)行驗(yàn)證，雙機(jī)共消耗功率２８００ｋＷ，比單獨(dú)運(yùn)行一臺機(jī)組的能耗（３.５ＭＷ）還要低，如圖８，９。３.３根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證表２分析了Ｂ壓氣站自投運(yùn)以來實(shí)際月度消耗電量情況；根據(jù)每月實(shí)際消耗電量和兩臺機(jī)組累計運(yùn)行時間，可知Ｂ壓氣站平均消耗功率在１４３８～３６２５ｋＷ之間波動（包含場站空壓機(jī)及生活用電），機(jī)組實(shí)際平均功率１４００～３６００ｋＷ之間。其中２０２０年１月２臺機(jī)組累計運(yùn)行１３５４.７５ｈ，累計處理氣量２３６０２萬方，每臺機(jī)組處理氣量為３８０萬方／日，Ｂ壓氣站累計消耗電量１９４９０１ｋＷ·ｈ，機(jī)組平均功率在１４００ｋＷ左右。由于Ｃ壓氣站此時并未投產(chǎn)，Ｂ壓氣站雙機(jī)運(yùn)行，和目前工況正好相似，佐證了我們理論分析的合理性。４壓縮機(jī)組設(shè)計選型探討隨著某頁巖氣產(chǎn)量逐漸降低，Ａ輸氣站低輸氣量維持在６００～８００萬方／日，３臺機(jī)組均已偏離最初設(shè)計，結(jié)合前面分析可知Ｃ壓氣站壓縮機(jī)流量富余過多，Ｂ壓氣站單臺機(jī)組流量偏于保守，下面我們根據(jù)現(xiàn)有工況對離心式壓縮機(jī)組選型進(jìn)行探討。４.１使用模化法對Ｂ壓氣站進(jìn)行選型４.１.１確定設(shè)計工況根據(jù)目前頁巖氣外輸干線運(yùn)行情況（Ｄ脫水站出站壓力４.５３ＭＰａ；Ｂ壓氣站進(jìn)氣壓力３.６７ＭＰａ、出站壓力４.８３ＭＰａ；Ａ輸氣站高輸６８４萬方／日，低輸６８６萬方／日），利用離心式壓縮機(jī)相似理論，重新選擇１臺離心式壓縮機(jī)；同時一臺機(jī)組可以降低壓氣站占地面積，減少公司用地成本。４.１.２機(jī)組重新選型選取ＰＣＬ４０２為模型機(jī)；因?yàn)檫M(jìn)口容積流量是原來單臺機(jī)組２倍，進(jìn)口狀態(tài)與原設(shè)計相等，模化比為０７０７１，主機(jī)選擇陜鼓ＥＢＺ５６－２型（沈鼓ＰＣＬ５６２型）離心式壓縮機(jī)；額定轉(zhuǎn)速為８７００ｒ／ｍｉｎ，額定功率為７.２ＭＷ，多變效率與ＰＣＬ４０２相等。離心式壓縮機(jī)為一缸兩級，葉輪直徑５１０／４９５ｍｍ，并采用葉輪對排結(jié)構(gòu)，平衡軸向推力；葉片使用交大賽爾全可控渦結(jié)構(gòu)以提高多變效率，葉片數(shù)２６／２６片；輪盤和輪蓋采用天元智造激光粉材熔覆技術(shù)降低表面粗糙度，減小摩擦損失和輪阻損失；其他通流部分尺寸變?yōu)椋校茫蹋矗埃矙C(jī)組的１.４倍。吸氣室采用徑向進(jìn)氣管；擴(kuò)壓器使用工況范圍寬、效率曲線平坦的無葉結(jié)構(gòu)；同時減小彎道前半部分通道的擴(kuò)壓度并加大出口內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑，降低彎道內(nèi)的分離損失。軸承采用抑振性能良好的可傾瓦結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)提高轉(zhuǎn)子剛度，擴(kuò)大穩(wěn)定工作區(qū)，避免發(fā)生油膜振蕩。離心式壓縮機(jī)組配備合適的故障診斷檢測系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)組參數(shù)的波形圖和軸心軌跡圖，確定適時的停機(jī)和局部維修時間，以節(jié)約維修費(fèi)用，增加持續(xù)生產(chǎn)時間。４.１.３新機(jī)性能曲線根據(jù)相似理論，在同樣進(jìn)氣條件下，新機(jī)壓比不變，多變效率與ＰＣＬ４０２相同，轉(zhuǎn)速變?yōu)椋校茫蹋矗埃驳模罚?７１％，能量頭、功率、流量是ＰＣＬ４０２的２倍。當(dāng)離心式壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為３６５ＭＰａ，排氣壓力４.８５ＭＰａ，轉(zhuǎn)速為６９６０ｒ／ｍｉｎ時，多變效率為８４％，計算得出機(jī)組總耗功率為２８６６ｋＷ，如圖１０。４.２使用效率法對Ｃ壓氣站進(jìn)行選型４.２.１壓縮機(jī)的設(shè)計參數(shù)Ｃ壓氣站目前工況：進(jìn)口絕對壓力４.４９ＭＰａ，進(jìn)口體積流量１９５ｍ３／ｍｉｎ，進(jìn)口溫度２９３Ｋ，出口絕對壓力５.４１ＭＰａ，氣體摩爾質(zhì)量為１６.２７６，絕熱指數(shù)Ｋ＝１.３４。４.２.２設(shè)計參數(shù)的整理與計算計算壓力：整機(jī)壓比ε＝１.２１１；壓縮機(jī)排氣絕對壓力：ｐｏｕｔ＝５.４３７６ＭＰａ；計算流量：進(jìn)口質(zhì)量流量Ｑｍ＝１００.４２４ｋｇ／ｓ。４.２.３壓縮機(jī)的方案設(shè)計（１）葉輪主要參數(shù)和級數(shù)的確定：葉輪葉片出口安裝角β２Ａ＝４５°；葉輪葉片入口安裝角β１Ａ＝３０°；選取流量系數(shù)φ２ｒ＝０.２５；選取葉輪葉片數(shù)量ｚ＝１６片；計算周速系數(shù)φ２ｕ＝０.６１１２；選取輪阻與漏氣損失系數(shù)βＬ＋βｄｆ＝０.０３；計算流動效率ηｂ＝０.８４４６；初步選擇葉輪出口圓周速度ｕ２＝２４０ｍ／ｓ；計算多變壓縮能量頭Ｗｐｏｌ＝２９５１８.８３Ｊ／ｋｇ；計算級數(shù)：０.９９２８級（取整為１級）；通過級數(shù)優(yōu)化圓周速度ｕ２＝２３９.１３ｍ／ｓ。（２）確定轉(zhuǎn)速：選取葉輪出口相對寬度ｂ２／ｄ２＝０.１２；選取葉輪出口阻塞系數(shù)：０.９４９１；選取壓縮機(jī)進(jìn)口氣流速度ｃｉｎ＝３０ｍ／ｓ；計算多變指數(shù)系數(shù)ｋＶ２＝３.２３２；計算葉輪出口絕對速度在半徑方向分量ｃ２ｒ＝５９.７８ｍ／ｓ；計算葉輪出口絕對氣流方向角α２＝２２.２４°；根據(jù)三角函數(shù)計算葉輪出口絕對速度ｃ２＝１５７.９ｍ／ｓ；計算機(jī)組進(jìn)出口溫差ΔＴ＝１１.７０Ｋ；根據(jù)理論公式計算轉(zhuǎn)速Ｎ＝１２２３７ｒ／ｍｉｎ。（３）核算葉輪出口相對寬度：轉(zhuǎn)速取整優(yōu)化ｎ＝１２２００ｒ／ｍｉｎ；根據(jù)理論公式核算ｂ２／ｄ２＝０.１１９３；選取葉輪葉片出口厚度：４ｍｍ；計算Ｄ２＝３７４.２５ｍｍ；校核葉輪出口葉輪阻塞系數(shù)０.９２３０；選取并校核輪轂直徑ｄ＝１３０.５ｍｍ（采用剛性軸），如表３。（４）計算整機(jī)內(nèi)功率：壓縮機(jī)總耗功率Ｐｔｏｔ＝３６１５ｋＷ（５）固定元件設(shè)計：（ａ）吸氣室選擇軸向收斂性進(jìn)氣管，為葉輪提供軸向均勻進(jìn)氣條件。（ｂ）使用葉片擴(kuò)壓器，具體參數(shù)如下：擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑Ｄ３＝１.１Ｄ２＝４１１.６７ｍｍ；擴(kuò)壓器出口直徑Ｄ４＝１.６Ｄ２＝５９８.８０ｍｍ；擴(kuò)壓器葉片入口寬度ｂ３＝１.３ｂ２＝５８.１６ｍｍ；選取擴(kuò)壓器葉片出口寬度ｂ４＝ｂ３＝５８.１６ｍｍ；計算擴(kuò)壓器葉片入口安裝角β３Ａ＝１７.４６°；計算擴(kuò)壓器葉片出口安裝角β４Ａ＝２９．４６°；擴(kuò)壓器葉片數(shù)ｚ＝１４片。（ｃ）蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計：選用圓形截面蝸殼寬度ρ為圓形通流截面的半徑，Ｒｃ為圓形截面的圓心半徑。４.２.４壓縮機(jī)逐級詳細(xì)計算以方案設(shè)計為基礎(chǔ)，根據(jù)葉輪、通流部分的流道結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，計算主要通流截面上的熱力學(xué)參數(shù)，保證壓縮機(jī)流道具有合適的通流能力、合理的流道結(jié)構(gòu)和良好的流動性能，保證壓縮機(jī)效率高且工況范圍寬。４.２.５輔助系統(tǒng)設(shè)計其它輔助系統(tǒng)設(shè)計和Ｂ壓氣站壓縮機(jī)設(shè)計相同，此處不再重復(fù)。５下步工作建議為了實(shí)現(xiàn)頁巖氣外輸干線３臺離心式壓縮機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，首先