天然气输气管道的压缩机选型

天然气输气管道的压缩机选型杨肖,孙令群(1.中国石化石油工程设计有限公司北京分院，北京102200；2.中国石油大学(北京)，北京102200)摘要:天然气的运输主要依靠长输管道来进行，而压缩机的选型是其中的难点之一。选择合理的压缩机及其附属设备会提高系统运行稳定性，降低输气成本。本文将主要探讨从离心式压缩机和活塞式压缩机的区别，从中选择适合于该增压工程的压缩机类型。通过对比性能和费用两个方面，最后选用活塞式压缩机。关键词：天然气；离心式压缩机；活塞式压缩机中图分类号:TH45文献标识码：BCompressorSelectionforNaturalGasPipelineYANGXia,SUNLingQu(1.SinopecPetroleumEngineeringDesignCo.,Ltd.Beijing102200,China;2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing.Beijing102200,China)Abstract:Thegastransportationmainlyreliesonthegaspipeline.Thetypeselectionofcompressorisoneofpipelinesystemproblems.Rationalselectionwillenhancesystemstabilityandreducetransportationcosts.Thispapermainlydiscussedthedifferencesbetweencentrifugalcompressorandpistoncompressor,selectedthesuitabletypeforthischargingengineering.Aftercomparingperformanceandcostofthesetwotypes,wechosepistoncompressor.Keywords:Naturalgas;Centrifugalcompressor;Pistoncompressor天然气作为一种清洁能源，广泛应用于工业、居民生活、军事等各方各面。天然气的合理运输可以降低运输成本，促进天然气消费。长输管道作为天然气的主要运输方式，其运输成本低，得到了大量的发展。我国已经建成了众多大型的天然气输气工程，如西气东输、川气东送等，而天然气长输管道在建设时，压缩机的选型就是其中的难点之一，如何合理的选用压缩机成为了一个关键性课题。天然气输气增压工程，就是在已建设备的基础上，增加输送压力，充分利用管道的输送能力，扩大输送量，满足下游用户不断增加的天然气需求。某已建天然气输气项目，管道的设计压力为6.3MPa，预计增压之后的输气量为53×108m3/a。1.压缩机分类压缩机按照其作用原理可以分为容积式和速度式两大类[1]，其中包括活塞式、隔膜式、离心式、轴流式等类型。每一种类型的压缩机都具有不同的特点，针对不同工艺条件，不同的使用环境，适用的压缩机类型不同。选择合适的压缩机，不但可以节省能耗，而且可以提高设备运行的稳定性。活塞式压缩机依靠活塞的往复式运动，通过改变体积的方式来对气体进行增压。活塞式压缩机每个循环包括膨胀、进气、压缩和排气四个过程，当压缩机的尺寸确定后，其容积变化规律也得以确定，即使流量有变化，其对输出压力的影响也会相对较小。依靠往复运动压缩体积的作用方式，活塞式压缩机最高输出压力可以达到500MPa以上，单级压力比可以达到3：1~4：1，单级压力比高，输出压力稳定。但是由于容积变化需要一定尺寸的箱体来提供压缩场所，导致其占地面积较大，流量也会受到限制，会略小于离心式压缩机。同时流量过高或压比过高时还会导致排气温度升高，由于阀门材料以及密封要求的限制，要求排气温度低于176。对于高压缩比的活塞式压缩机，采用多级压缩时，还配有一套冷却系统，结构复杂，同时往复作用导致气体输出不连续，对于要求输出稳定连续的系统，需配置缓冲罐。离心式压缩机属于速度式透平压缩机的一种，其通过提高流体动能再将动能转化为压力，以这种形式对气体进行增压。由于流体在每一级获得的动能有限，使得离心式压缩机的单级压力比较小，故离心式压缩机均为多级压缩的结构，可提供的最大输出压力会比往复式压缩机稍小。叶轮通过连续旋转对气体进行做功，流量最高可以达到2左右，且震动小，排气连续，无周期脉动效应，磨损小，使用寿命长。离心式压缩机稳定的工作范围较窄，因此需要一套控制系统，当流量过小而没有做出反应时，会造成喘振，对机器本身及相关设备都会造成损伤。对于流量过小的系统，采用离心式压缩机会使其结构过小而导致扩压器尺寸小，影响气体的流动。轴流式压缩机也属于速度式透平压缩机的一种，其工作原理与离心式压缩机基本相同，不同的是轴流式压缩机其流体运动方向与轴平行，而离心式压缩机中流体沿着垂直于压缩机轴的方向运动。轴流式式压缩机的流量高于离心式压缩机，但出口压力较低。虽然其维护简单，但是其叶片结构复杂，制造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、在定转速下流量调节范围小，所以其适用于高流量低压比的环境。2.压缩机驱动方式的选择压缩机的驱动方式主要包括电驱和燃气驱动两种形式。电动机的供电要求[2]为一级负荷，受当地电网的制约，选择电驱时需考虑当地电网供电能力，外部电网是否稳定可靠，电价是否便宜等问题，并且要和当地供电部门做好沟通，签订用电协议，保证供电稳定，故电动机一般用于供电充足地区。燃气轮机，不受外部条件的制约，仅需要一套供气设备和控制设备，依赖性较小，仅依靠管网供气就可以满足需求，但会排出C等温室气体，环保性较差，因此，燃气轮机一般用于供电薄弱且对环保无特殊要求的地区。具体的对比见下表。表1.驱动方式对比项目燃气发动机电动机效率环境温度升高35效率下降12%效率随环境变化可略输出功率受环境影响环境影响可略噪声≤89dB≤83dB污染物排放NOx：≤25mg/LCO：≤20mg/L无运行可靠性97.5%大于98%维修燃烧器4×104h左右整机大修现场维修，最多1天原料结构天然气受供电制约对电网影响无需满足谐波标准要求初期总投资32160万元33600万元年燃料消耗费用1092011270该项目的增压站设计建立在陕西榆林附近，该地区供电充足且稳定，可以满足驱动系统对电网的要求，而且从环保、维修、费用等来看，电动机也均优于燃气轮机，故本项目选择电动机为驱动机。3.压缩机选型在选择压缩机时，需要从各个方面考虑，例如结构尺寸、驱动方式、工作周期、流速、气体种类、压比、等方面。同时不同工艺条件下，压缩机的出口条件也是不同的。对于天然气行业，螺杆式、隔膜式、轴流式压缩机流量不高、出口压力小，因此较少用于天然气输送，工程上常使用活塞式和离心式两种压缩机，我们也针对这种两种类型进行对比，从中选择合适的类型。天然气输送中要求压缩机出口的压力稳定，这是不同于其他工艺中出口流量稳定的要求，需确定进口压力范围、出口压力范围、流量变化及其他工艺参数。除了从工艺方面进行考虑外，我们还要从工程实际出发，需满足以下原则：1）满足工艺要求，并适当留有余量2）工作可靠、操作灵活、利于实现自动化3）价格适当、安装维修方便4）辅助设备尽可能简单5）供货方便以及配件采购方便3.1.压缩机类型的选择对于该项目，我们需要对已建输气管线进行改建，扩大其输气规模，且每年的输气规模逐年增加，项目规划从2013年开始增产，预计到2015年达到最大。通过工艺比对，我们选择以首站增压的形式来进行增压。设计规模为53×108m3/a，出站压力为4.9MPa~6.0MPa，2015年的产量要求首站出站压力要求达到6.0MPa，因此我们按照6.0MPa、进口流量53×108m3/a的输出压力来选择压缩机。参照压缩机的使用范围图[3]，不同类型的压缩机不同流量下都对应有一个最高的出口压力。该项目中，流量为631×103m3/h，压力为6.0MPa，离心式和活塞式压缩机均可满足。因此我们需要再从压缩机结构以及费用上进行对比。图1.压缩机使用范围3.2.压缩机优缺点对比不同类型的压缩机都具有不同的特点，对离心式压缩机和活塞式压缩机的特点进行对比（见下表1），我们可以发现，活塞式压缩机初期投资高，出口压力高；离心式压缩机后期维修费用低，流量高，出口压力稳定。而该工艺条件下，进口压力会从2.0MPa逐年增加到4.5MPa，而且位于首站位置，其井口出气压力和流量随着开发年限的增加，其流量和压力也会不稳定，若采用离心式压缩机时，需在进口处设置调压阀来调节压力，会造成能源浪，增加一定的费用；选用往复式压缩机时，需配置12台设备，相对于离心式压缩机4台的数量，多出两倍，会造成后期备用零件较多，维修相对困难的问题，同时噪音也会较大。表2离心式、活塞式压缩机对比表项目活塞式压缩机离心式压缩机适用范围小流量、大压比，单机功率较小大流量、小压比、排气均匀、气流无脉动、转速高、密封好、泄漏少、单机功率较大可操作性操作简易，可多台并联运行，对变工况适应能力较强低流量有喘振问题，可多台并联操作，对变工况适应能力较差结构较复杂较简单维护管理大修和日常维修工作量大，对维修人员技术要求不高，维护费用较高不需定期大修，日常维修工作量较小，对维修人员技术要求高，维护费用低占地面积所需台数多，占地面积较大所需台数少，占地面积较小噪声较大较小3.3.经济性对比工程上使用时，在满足工艺条件时，减少输气成本就是关键。对离心式压缩机和活塞是压缩机而言，离心式压缩机的初期投入高，但后期维修费用较低；活塞式压缩机初期投入费用低，但后期维修费用高，且耗损率较高，据资料统计，每1,000小时左右需要停机更换部件，每16,000小时需更换大修，平均每年需要花费约1,000人力小时操作维护保养，对操作维护人力配备也往往高出离心式压缩机几倍。对两种类型的压缩机进行经济核算综合比较其经济性（见下表3），当天然气压力从4.5MPa增压至6.0MPa时往复式压缩机从一次性投资和年总费用方面都优于离心式压缩机，且年总费用每年比离心式压缩机节省3775.1万元；通过相同的计算，当压力从2.0MPa增至6.0MPa时，离心式压缩机的每年费用比活塞式仅少200万元，相差不大。鉴于天然气输气管线的使用年限可以达到30年，同时预计到2015年以后，压气站进口压力会保持在2.0MPa以上，因此选择活塞式压缩机更经济。表3.从4.5MPa增压至6.0MPa往复机离心机差值机型配置10+23+1-总投资/万人民币1980021863.5-2063.5运行总功率/kW581215319-9507年电力消耗/MW.h48820.8128679.6-79858.8年折旧费13721515-143年电费消耗/万元2392.26305.3-3913.1年维护费用/万元50050470投资年金29873299-40年总费用/万元5879.29654.3-3775.14.结论通过技术性和经济性对比，虽然在维修、噪音、气体连续性等方面，离心式压缩机要优于活塞式压缩机，但活塞式压缩机的费用明显低于离心式压缩机，且变工况适应能力强，预建增压站附近交通较便利，备用件运输也不存在问题，工作场所设计在办公楼1500m外，噪音问题也可缓解，故该项目选择活塞式压缩机。参考文献：[1]王宗明．压缩机[M]．北京：中国石化出版社，2012．[2]薛爱芹，李延宗，张莹．煤层气田集气站压缩机选型及驱动方式比较[J]．煤气与热力，2011，31(9):36-38．[3]勒朝霞，高铭志．天然气压缩机的选型和应用[J]．石油和化工设备，2012，15(5):23-25．作者简介：杨肖（1985—），男，山东省阳谷县人，毕业于北京化工大学，工学硕士学位，现就职于中石化石油工程设计有限公司，北京分院，主要从事油气储运方面的研究，邮箱：[e-mail]孙令群（1990—），男，安徽蚌埠人，现正在中国石油大学（北京）化工机械专业攻读硕士，主要从事天然气长输管道方面的研究，邮箱：[e-mail]