浅析透平压缩机在天然气管道中的应用

周代军，舒浩纹，高仕玉，贾彦杰

（中国石油天然气股份有限公司西南管道分公司，四川 610100）

在过去的几年时间里，随着经济的发展，天然气管道建设呈现了大跨步发展，透平压缩机主要在运输气体过程中增加气体压力和的一种机械，在多年地运输气体使用和实践中，显示出了极大的产品优势，同时也验证了其完全符合大规模生产的要求，成为天然气管道中使用面极广的机械。我国天然气管道的敷设总里程从20世纪初的10000km到现在的200000km，且还呈现爆炸式的增长。随着天然气管道总里程的快速增长，天然气管道压缩机和压缩机组的保有量也是迅速增加，了解不同天然气管道压缩机和压缩机组在天然气管道应用中的优势和劣势，有助于天然气管道建设中的机组选型和使用。

1 管道透平压缩机组的主要类型

1.1 管道透平压缩机主要类型

市场上各类压缩机种类繁多，在天然气管道中使用的透平压缩机和压缩机组，于整个压缩机体系而言，只占据很小的比例，却在天然气管道输送中占据绝对核心的位置。研究表明：在天然气运输途中，总运行费用的80%以上都是花在了压气站上，所以，具备良好的效率和较低的运行费用的透平压缩机和压缩机组可以极大地降低能耗和总花销。管道压缩机一般分为往复式和离心式两种，主要根据压气站实际使用中的工况和所处气候、地理位置决定选择哪种机型。

（1）往复式压缩机。往复式压缩机的驱动主要是由燃气和变频调速电机提供，由于具有排出压力稳定、适用范围广、热转化率高、增压效率好和使用范围较广等优点，所以可以在工况不稳定、压力变化范围和流量调节范围都较大等场合得到使用。但是往复式压缩机至今在我国不能大规模使用，主要是由于其结构复杂、零部件寿命短、外形尺寸占地广、移动困难和噪音大等造成，极大地限制了其使用。往复式压缩机在我国主要应用于气田内部等口径较小的支线管道，其他方面应用并没有很多。

（2）离心式压缩机。离心式压缩机的驱动方式主要是由变频调速电机驱动或者增速齿轮箱等提供，驱动方式受限较小，便于使用。由于具有其结构简单、零部件寿命长、外形尺寸占地小、移动方便、运行管理和维护保养成本低和噪音小等优点，所以在很多的场合又可以使用，发挥较好的效果。尤其在单机功率较大，气量较大、压比低，稳定性好的条件下，最大交换效率可以达到45%。但是离心式压缩机这一稳定性是由压比和压力波动适应范围小等性能牺牲换取的；决定了其更适用于输气量大、工况波动小的场景。我国目前天然气管道的建设趋势是朝着高压、大口径、大流量发展的，所以离心式压缩机会匹配这个工况。

1.2 管道透平压缩机组的主要类型

（1）燃气轮机驱动压缩机组。在20世纪50年代，天然气管道增压用途中最广泛的驱动机属于燃气轮机这一类，当时技术还不完善，应用领域也较小，按用途主要分为航空用、舰船用和工业用。在工业用途上，根据使用功率的差别，应用得比较多的是重型燃机和航空改型的轻型燃机。天然气管道压缩机需功率大，运行管理和维护保养成本低、性能全的驱动燃机，所以航空改型的轻型燃机应用数量和场所比重型燃机广。按转子数目划分燃气轮机驱动压缩机组也分为三种：单轴、双轴和多轴。结构的不同造成了性能和应用范围的不同。单轴机组的应用范围较小，主要用于恒速运行工况，多用于发电设备；双轴和多轴由于牵引动力大、排量大，应用范围更广，同时开具备可以调节转速的优势，所以在天然气管道增压中应用较多。另外，燃机驱动压缩机组运作所需的能量可以直接从天然气中获取，更加大了其在天然气管道中的应用优势，因此得到了广泛的应用。

（2）电机驱动压缩机组。现代技术的发展，大功率变频器技术也逐渐成熟，以及能源短缺造成的天然气价格上涨。更多的压缩机限购偏向于经济性价比较高的电机驱动。电机驱动压缩机具有运行管理和维护保养成本低、易远程控制以及对环境污染小的优点，在水资源和电力资源充足的地区，使用范围和面已经开始大范围铺开。如果将电机驱动压缩机组和燃机驱动压缩机组进行对比，两者在效率上还是有很大区别的。电机驱动压缩机组热效率约为44%，而燃机驱动压缩机组的平均效率只有36%，再加上在负荷和空气温度较高条件下燃机驱动压缩机组效率会大幅度下降，电机驱动压缩机组可以节约10%以上的能耗。电机驱动压缩机组的缺点是工作条件要求较高，要想发挥其最好的效果，必须提供足够能量摄入和流量调节。

2 管道透平压缩机国内应用现状

20世纪80年代，管道压缩机组才开始在国内应用。我国的首套燃气轮机驱动离心压缩机组建成于20世纪80年代，同时也建成了我国首台天然气长输管道压气站，是天然气管道和压缩机的开端。后续的在20世纪90年代末我国建成了第1台天然气发动机驱动往复机组，同年开始投入使用。在20世纪初我国有了第1座增速齿轮箱驱动离心压缩机组，这也是离心压缩机组在我国的首次使用，带来了一系列的技术变革。从增速驱动到高速驱动离心压缩机组的改变，在中国用了7年的时间，在2007年末高速驱动离心压缩机组在我国开始工作。在天然气管道内，应用最广的就是离心压缩机组，尤其是在近几年时间内，我国天然气长输管道总里程飞速增长，各类压气站的建设也是年年递增。截至2017年年底，国内安装投产的长输天然气管道压缩机组已经超过了1000台，其中燃气发动机驱动往复式压缩机占比12%，燃气轮机驱动压缩机组占比24%，电机驱动离心压缩机组占比64%。预计到2020年年底，我国应用于天然气管道上的压缩机组预计将超过2000台，数量惊人，发展突飞猛进。

3 管道透平压缩机在国内天然气中管道的应用建议

3.1 积极使用国产设备

由于目前中国的压缩机组技术还不够成熟和完善，长输天然气管道使用的压缩机组都是进口，前期的购买成本较高，后期的建设和运行维护的时间和费用成本也较大，而且由于极其的依赖于国外制造商，容易受到掣肘，对于管道稳定和安全运行一直是一个存在的隐患。因此，在国家重要工程和自建的支持下，推进天然气长输管道关键设备国产化意义重大。既能降低工程成本，还能保证国家能源供应安全，同时振兴中国的压缩机装备制造业。

在管道压缩机组国产的使用和研发中，可以采用“少量试用，逐步扩大”的原则的进行一步步地替换。其中可以借鉴沈鼓压缩机的制造案例来实施：借鉴国外的设计和工艺、沈鼓自行制造的首台压缩机先在西气东输定远站试用；试用完成后，沈鼓自主设计和制造的三套压缩机在后续工程和项目中安装和使用，运行情况良好的情况下，完全国产化的沈鼓成套的电驱压气站在下一年投入生产。在这一过程中，沈鼓实现了电驱压缩机组的设计、制造、成套及安装完全自主化的过程和数据收集，为后续的扩大化生产打下坚实的基础。在实现电驱压缩机组全部由中国生产的情况下，回笼的资金又可以投入大功率电机和变频器的研制，良性循环，技术更新和快速发展。

3.2 多机组站场余热利用

随着天然气管道总里程的快速增长，天然气管道压缩机和压缩机组在国内的使用数量也是飞速上涨。使用天然气的城市和社区数量越来越多，我国建设的天然气管道干线节点和网络也是越来越复杂和多样化，同一个压气站中有可能出现好几台乃至更多的燃机机组，供能之外损失的热量和能耗相比于普通的也会加大。要想降低压气站供能之外损失的热量和能耗，可采用蒸汽-燃气联合循环的方式。这一方式可以作两方面用途：第一种是将燃机供能之外损失的热量和能耗充分利用起来，将这些散失的热量导入到余热锅炉加热产生蒸汽，产生的蒸汽来驱动汽轮机运作产生电能和热能；第二种是将燃机供能之外损失的热量和能耗直接驱动另外一台压缩机，减少另一台压缩机的能耗。采用燃气轮机回热联合循环系统可以收到很好的节能效果，这其中应用的最典型和可借鉴的案例就是阿-意输气管道对Messina压气站的改造，阿-意输气管将燃气轮机组的运作方式采用蒸汽-燃气联合循环后，整个压气站的燃气轮机的综合热效率增加了10%。对于中国来说，可以借鉴和学习，在天然气项目中预留余热利用的接口，如果后续出现同一个压气站中有好几台乃至更多的燃机机组，可以进行余热利用，提高整个站场的利用效率，降低成本。

3.3 优化压缩机组运行管理

由于目前中国的压缩机组技术运行的时间并不长，长输天然气管道使用的大功率压缩机组也没有其他厂家可以借鉴的运行和维护管理经验。目前采取的主要就是不停地使用，出问题分析和总结，找到原因后在进行实验，吸收现有的技术条件下不断试错和改进，找到适合我国天然气管道的压缩机组运行和维护管理模式。在现有的行和维护管理基础上，天然气压缩机生产厂家可以借鉴国外的经验和体制，找到合适自己企业的压缩机组运行、维护及保养机制。同时，利用送到国外进修或其他渠道培养高素质的压缩机组管理人才队伍，培训后的人员在科学的指导下，理智和实事求是的维护和管理压缩机组。后勤辅助制度上，应该加强备品备件的采购和管理，确保购买的运行备件质量得到保证，在存储和统筹备件的过程中，确保备品备件不会出现断货的情况，双管齐下来提高压缩机组的可靠性和供货安全，以得到在天然气管道使用过程中压缩机组的安全稳定运行。在自身企业的硬件和软件措施到位后，积极和世界知名压缩机技术公司开展合作和交流，跟上时代的步伐，学习他们先进的技术，取长补短。基本的设施和条件具备之后，天然气压缩机企业就可以建立压缩机组性能监测和专家诊断系统，确保任何意外情况都可以得到及时的解决。同时，要和互联网等联系起来，实时模拟压缩机组的优化运行，可根据不同情况调控各个管道，进而通过网内优化运行增加管道系统的运行可靠性和效率。