葛海城

（中石油昆仑燃气有限公司天津分公司，天津 塘沽 300457）

0 引言

天然气在长距离输送过程中会因距离、摩擦和海拔高度差等原因减慢其传输速度，从而降低压力。为了维持天然气的压力，使之输送到目标市场，集输管网中会布置不同的压缩机场站[1]。压缩机是场站的核心设备，围绕压缩机的运转会设置管廊、洗涤装置、冷却器、滑油系统、燃料气系统等。

作为场站的核心装置，如何选择高效、低耗能、低成本的压缩机成为相关企业场站建设的重点。因此本文围绕压缩机选型设计展开研究，首先结合长输天然气管道输送特点，分析了压缩机适用形式，即离心压缩机；然后分析了驱动机的选取条件，以及离心压缩机的技术特点，最后提出了压缩机系统选型设计的重点关注问题，希望能够为长输天然气管道场站建设提供借鉴。

1 压缩机类型选取

1.1 压缩机形式及选用原则

在天然气或油田伴生气储运中，压缩机主要分为三种：活塞压缩机、离心压缩机和螺杆压缩机[2]。

1.1.1 活塞压缩机

活塞压缩机在工业中使用较为普遍，由活塞和气缸组成，通过活塞做功压缩气体升压，按照气缸形式又分为单作用和双作用两种形式。因气缸承压能力强，活塞压缩机可应用于高压工况。

气体在压缩过程中会产生大量的热，必须严格控制气体温度。从安全角度，天然气压缩机对温度有要求，一般小于140 ℃。同时，随着温度升高，活塞的机械性能也受到影响，活塞压缩机从机械运转角度一般要求小于170 ℃。

活塞压缩机单机功率一般小于2 500 kW，其初始投资费用较小，但后期维护操作相较离心压缩机更为复杂，维护保养费用较高。

1.1.2 离心压缩机

离心压缩机是通过叶轮高速旋转对气体做功，转化为气体动能和压能，进而实现输送和压缩的作用。叶轮连续运转，使得气量和压力相较活塞压缩机波动小。高速旋转产生较大压缩空间，使得机组相对紧凑、排气量较大，适用于中高流量工况[2]。离心压缩机在恒定转速下流量调节范围比活塞压缩机小，在流量变化较大工况下，一般采用转速调节或更换叶轮的方式实现，其中更换叶轮费用较高，不推荐多次更换。

1.1.3 螺杆压缩机

螺杆压缩机属于回转式压缩机，汽缸内装有一对互相啮合的螺旋形阴阳转子，两转子都有几个凹形齿，两者互相反向旋转。压缩原理是通过转子啮合产生的腔体进行吸气、压缩和排气，受螺杆长度和速度限制其压缩空间较小，一般适用于小流量、低排压的工况。

目前，有油螺杆压缩机最大排压可达到5 MPa，通常在2 MPa 下。同时，对于有油螺杆压缩机，责任单位还需考虑润滑油与天然气相互污染问题。

1.2 场站压缩机选取

随着我国对天然气需求量的增加以及大通道管网的建设，长输管线的输送能力逐步提高，表1 所示为我国部分天然管道设计能力概况[3]。以西气东输管线为例，管线跨越9 个省区，管线沿途设置22 个增压站，输送气量达到每年120 亿m3以上。

从表1 可以看出，我国天然气长输管道具有跨度长，输送能力大的特点，设计压力在8 ～10 MPa左右。输送工艺工况属于大气量、中高压力，其配备压缩机功率在5 MW 以上。

表1 天然气输送管线设计能力

如前文提出的各类机型适用原则，根据输送能力、操作压力和偏远地区易操作性等角度判断，我国主干线天然气长输管道比较适合选用离心压缩机；当支线流量相对较低且单机功率小于2 500 kW 时，考虑初始费用投资可根据需要选择活塞压缩机，推荐选用离心压缩机。

2 离心压缩机驱动机选取

离心压缩机的驱动机主要有电动机、蒸汽轮机、燃气轮机、天然发动机四种。四种驱动方式对比见表2。从表2 中对比可以看出，蒸汽轮机和天然气发动机操作复杂度高、对工业水需求量高、维护费用高，同时又有环境污染，所以并不推荐。对于燃气轮机和电动机，虽然对比各项，电机驱动都要优于燃气轮机驱动，但电机驱动必须有稳定的大功率电力支撑，在一些偏远场站可能不具备条件，而燃气轮机可以利用管道输送天然气作为燃料提供持续稳定的动力。

表2 驱动方式对比

因此，根据以上分析，本文提出压缩机动力端驱动机的5 点选用原则：

1）长输管道离心压缩机驱动机的形式主要为电动机和燃气轮机；

2）当场站周围有稳定可持续电力供应时，要从环境保护和能源利用角度综合分析确定；

3）当距离城市有环境保护要求或距离人员聚集区较近时，可优先选择电机驱动；

4）当地处人员稀少地区，且对环境要求相对不严苛，从能源充分利用角度出发可选择燃气轮机驱动，节省电气配套设备投资；

5）当地处偏远地区，无配套电力基础设施或无法提供稳定电力，可选择燃气轮机驱动，节省电气配套设备投资。

3 离心压缩机其他选型要点

3.1 离心压缩机结构类型选取

离心压缩机常用的结构形式分为水平剖分型和垂直剖分型，水平剖分型适合于中低压力工况，垂直剖分型适用于中高压工况。压气站设计压力在8 ～12 MPa，属于中高压范围，故本文推荐采用剖分型。

3.2 压缩机排气温度控制

对于压缩机，在设计过程中要考虑天然气所含烃类物质因高温碳化进而发生着火等情况。为避免危险发生，相关单位在压缩机选型时应将排气出口温度控制在140 ℃。

3.3 流量调节方式

压缩机流量调节方式分为转速调节、进排气管路调节阀调节、压缩机进口导向叶片调节[4]。其中转速调节操作相较其他方式效率高，燃气轮机可以容易实现驱动端变速，电机驱动需要采用变频装置。压气站在不同时期输送气量变化较大，一般随着运转时间逐步提升，尤其是投产初期输送量较低，因此本文推荐优选转速调节方式。

3.4 喘振预防

压缩机在某一转速下都有一个喘振边界线。简单来说，当压力值超过某个值，就会发生喘振，而喘振会影响整个管路系统，机器及管路会因振动造成不同程度的损坏，甚至可能损坏压缩机本体。

因此在系统选型设计时，相关单位要避免在喘振线附近运行工作，即让正常工作点远离“喘振点”，同时应在系统管路设置方面考虑当出现低流量工况，并靠近喘振边界时如何避免。

4 结论

通过对各类型压缩机技术特点的分析，本文提出了压缩机选型通用原则，并根据通用原则提出我国长输管线主干线适于选用离心压缩机，同时基于离心压缩机分析了驱动机的选用原则，给出了离心压缩机选型设计时所需关注其他要点。