【壓縮機網(wǎng)】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。
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，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。活塞壓縮機每個循環(huán)包括膨脹、進氣、壓縮和排氣4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，活塞壓縮機z*高輸出壓力可以達到500MPa以上，單級壓力比可以達到3:1~4:1，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z*大輸出壓力會比往復(fù)壓縮機稍小。葉輪通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)對氣體進行做功，流量z*高可以達到2×105/h左右，且振動小，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。
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2種形式。
電動機的供電要求為一級負荷，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)。具體的對比見表1。
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。
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2種壓縮機，我們也針對這種2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：
?。?）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；
?。?）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。
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z*大。通過工藝比對，我們選擇以s*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4.9~6.0MPa，2015年的產(chǎn)量要求s*站出站壓力要求達到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（見圖1），不同類型的壓縮機不同流量下都對應(yīng)有一個z*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。
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壓縮機的特點進行對比（見表2），我們可以發(fā)現(xiàn)，活塞壓縮機初期投資高，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，進口壓力會從2.0MPa逐年增加到4.5MPa，而且位于s*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，會造成能源浪費，增加一定的費用；選用往復(fù)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2倍，會造成后期備用零件較多，維修相對困難的問題，同時噪聲也會較大。
經(jīng)濟性對比
工程上使用時，在滿足工藝條件下，減少輸氣成本就是關(guān)鍵。對離心式壓縮機和活塞壓縮機而言，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1000h左右需要停機更換部件，每16000h需更換大修，平均每年需要花費約1000人力小時操作維護保養(yǎng)，對操作維護人力配備也往往高出離心式壓縮機幾倍。
對2種類型的壓縮機進行經(jīng)濟核算綜合比較其經(jīng)濟性（見表3），當(dāng)天然氣壓力從4.5MPa增壓至6.0MPa時，往復(fù)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，因此選擇活塞壓縮機更經(jīng)濟。
結(jié)論
通過技術(shù)性和經(jīng)濟性對比，雖然在維修、噪聲、氣體連續(xù)性等方面，離心式壓縮機要優(yōu)于活塞壓縮機，但活塞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，噪聲問題也可緩解，故該項目選擇活塞壓縮機。
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。
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，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。活塞壓縮機每個循環(huán)包括膨脹、進氣、壓縮和排氣4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，活塞壓縮機z*高輸出壓力可以達到500MPa以上，單級壓力比可以達到3:1~4:1，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z*大輸出壓力會比往復(fù)壓縮機稍小。葉輪通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)對氣體進行做功，流量z*高可以達到2×105/h左右，且振動小，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。
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2種形式。
電動機的供電要求為一級負荷，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)。具體的對比見表1。
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。
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2種壓縮機，我們也針對這種2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：
?。?）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；
?。?）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。
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z*大。通過工藝比對，我們選擇以s*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4.9~6.0MPa，2015年的產(chǎn)量要求s*站出站壓力要求達到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（見圖1），不同類型的壓縮機不同流量下都對應(yīng)有一個z*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。
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壓縮機的特點進行對比（見表2），我們可以發(fā)現(xiàn)，活塞壓縮機初期投資高，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，進口壓力會從2.0MPa逐年增加到4.5MPa，而且位于s*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，會造成能源浪費，增加一定的費用；選用往復(fù)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2倍，會造成后期備用零件較多，維修相對困難的問題，同時噪聲也會較大。
經(jīng)濟性對比
工程上使用時，在滿足工藝條件下，減少輸氣成本就是關(guān)鍵。對離心式壓縮機和活塞壓縮機而言，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1000h左右需要停機更換部件，每16000h需更換大修，平均每年需要花費約1000人力小時操作維護保養(yǎng)，對操作維護人力配備也往往高出離心式壓縮機幾倍。
對2種類型的壓縮機進行經(jīng)濟核算綜合比較其經(jīng)濟性（見表3），當(dāng)天然氣壓力從4.5MPa增壓至6.0MPa時，往復(fù)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，因此選擇活塞壓縮機更經(jīng)濟。
結(jié)論
通過技術(shù)性和經(jīng)濟性對比，雖然在維修、噪聲、氣體連續(xù)性等方面，離心式壓縮機要優(yōu)于活塞壓縮機，但活塞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，噪聲問題也可緩解，故該項目選擇活塞壓縮機。
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