天然气管道建设中压缩机的选择

　　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。

　　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，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。活塞压缩机每个循环包括膨胀、进气、压缩和排气4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2×105/h左右，且振动小，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。

　　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2种形式。

　　电动机的供电要求为一级负荷，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CO2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。具体的对比见表1。

　　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。

　　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2种压缩机，我们也针对这种2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。

　　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4.9~6.0MPa，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（见图1），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。

　　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压缩机的特点进行对比（见表2），我们可以发现，活塞压缩机初期投资高，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，会造成能源浪费，增加一定的费用；选用往复压缩机时，需配置12台设备，相对于离心式压缩机4台的数量，多出2倍，会造成后期备用零件较多，维修相对困难的问题，同时噪声也会较大。

　　经济性对比

　　工程上使用时，在满足工艺条件下，减少输气成本就是关键。对离心式压缩机和活塞压缩机而言，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1000h左右需要停机更换部件，每16000h需更换大修，平均每年需要花费约1000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2种类型的压缩机进行经济核算综合比较其经济性（见表3），当天然气压力从4.5MPa增压至6.0MPa时，往复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，因此选择活塞压缩机更经济。