天然气管道压气站的技术现状及发展.pdf

第27卷第8期 油 气 储 运 天然气管道压气站的技术现状及发展 刘 建 臣 3 中国石油管道公司兰州输气分公司 刘建臣天然气管道压气站的技术现状及发展,油气储运,2008 ,278 49～53。 摘 要 概述了我国陆上长输天然气管道压气站的技术现状。从压缩机组备用方式、 机组选 型、 压气站相关设计及前沿技术的应用等方面,指出了在优化设计管道压气站时应注意的问题。对 压缩机组运行技术中的优化、 在线监测与诊断进行了分析。介绍了目前我国压缩机组保养检修技 术服务状况,提出了压气站运行管理方式、 环境保护与职业健康以及压气站完整性管理等方面的相 关建议。 主题词 天然气管道 压气站 压缩机组 技术现状 发展 一、 前 言 天然气管道压气站的功能是给天然气增压以维 持所要求的输气流量,主要设备是天然气压缩机组。 近年来,随着天然气需求量不断增加,在我国能源结 构中的比例正在迅速增大。据统计,2005～2015年, 世界各地计划建造原油、 成品油和天然气管道约9. 6 104km ,其中62 是天然气管道。2002年以来, 我国管道压气站建设进入高峰期,相继投运的涩宁 兰、 西气东输、 忠武线、 陕京二线、 冀宁和兰银等长距 离天然气管道设计中均配置有一座或多座压气站。 二、 我国天然气管道压气站 的技术发展现状 1986年8月我国第一座长输天然气管道压气 站在中沧输气管道濮阳站建成投产,首次采用了燃 气轮机驱动离心压缩机机组。1996年11月建成投 产的鄯乌输气管道鄯善站,是我国首次采用天然气 发动机驱动往复式压缩机机组的压气站。2000 年11月投产的陕京管道应县压气站,是我国第一个 采用变频调速电机通过增速齿轮箱驱动离心压缩机 机组的压气站。2007年2月投产的西气东输管道 蒲县压气站,是我国第一个投产的采用高速变频调 速电机直接驱动离心压缩机机组的压气站。目前, 我国已在9条天然气管道上分别建成投产了31座 压缩机站,共投运各种类型管道压缩机组72套,并 计划于今后陆续建成34座压气站,投运各种类型管 道压缩机组79套。我国长输天然气管道压气站分 布状况见表1。 自20世纪50年代末以来,燃气轮机已成为中 等功率到大功率范围天然气管道增压用最广泛的驱 动机,较小功率的机组多采用燃气发动机驱动往复 式压缩机。随着我国天然气管道的不断延伸和电力 电网的发展,一些靠近电力充足地区的压气站开始 以大功率电动机驱动离心压缩机作为天然气增压方 式,促进了我国天然气输送工业的发展。针对易维 护性、 远程控制以及环保要求不断提高的现状,在供 电能力较高的地区,采用电动机驱动管道压缩机的 机组将会越来越多。我国天然气管道使用的压缩机 组有燃气发动机驱动往复式压缩机、 变频调速电机 驱动往复式压缩机、 变频调速电机通过增速齿轮箱 驱动离心式压缩机、 高速变频调速电机直接驱动离 心式压缩机和燃气轮机驱动离心式压缩机等类型, 3730070 ,甘肃省兰州市安宁区枣林路76号;电话093176665552666。 94 但目前我国还没有采用恒速高压电机通过调速行星 齿轮驱动离心式压缩机的机组,以及整体式磁悬浮 电驱离心压缩机组。表2列出了截至到2007年末我 国长输天然气管道压缩机组使用类型的统计结果。 表1 我国长输天然气管道压气站分布 序号 管道名称 压气站数 座 压气站分布 投产及计划 建设时间 1中沧管道 1濮阳1986年投产 2鄯乌管道 1鄯善1996年投产 3陕京一线管道4榆林、 府谷、 应县、 灵丘已投产 4陕京二线管道2榆林、 阳曲榆林站已投产,阳曲站建设时间待定 5 西气东输管道 22 轮南、 孔雀河、 四道班、 鄯善、 哈密、 雅满苏、 红柳、 柳园、 玉门、 酒泉、 山丹、 金昌、 古郎、 中卫、 盐池、 靖边、 延川、 蒲县、 沁水、 郑州、 淮阳、 定远 已投产16座压气站,其余陆续建成 6涩宁兰管道 4涩北、 羊肠子沟、 乌兰、 湖东已投产 7忠武管道 1忠县建设时间待定 8冀宁管道 1安平建设时间待定 9兰银管道 1河口计划2008年投产 10靖西一线管道2靖边、 富县已投产 11靖西二线管道2延安、 黄陵延安站已投产,黄陵站建设时间待定 12长宁管道 1靖边2006年3月投产 表2 我国长输天然气管道压缩机组使用类型的统计数据 机组类型压气站数量 座 机组数量 套 总功率 MW 燃气轮机驱动 离心压缩机 3651675. 0 变频调速电机 驱动离心压缩机 49135. 0 天然气发动机 驱动往复压缩机 51925. 5 我国天然气管道压气站中压缩机组多采用一用 一备或多用一备并联运行方式。西气东输管道增输 改造后部分采用了隔站备用方式,离心压缩机组电 驱或燃驱目前全部是进口机组,并将在一个 1 加1 站站采用一套合资生产的离心压缩机,由进口燃气 轮机驱动,与一套纯进口燃压机组互为备用;在另一 个 1 加1站站采用一套电驱离心压缩机组与一套 燃驱离心压缩机组,互为备用。 三、 管道压气站优化设计 中应注意的问题 1、 压缩机组备用方式 常用的机组备用方式有机组备用、 功率备用、 隔 站机组备用等方式,确定机组备用方式后还有一用 一备和多用一备等方式。目前,我国选择备用方式 的主要依据是实用性、 可靠性、 效率、 投资费用等,压 气站多采用机组备用,往复机组多用一备较多,而离 心机组一用一备较多。 2、 压缩机组比选 压缩机组的比选是根据机组安装地的环境依托 条件,结合不同机组的优点和缺点进行计算和分析。 首先是离心压缩机组与往复压缩机组的比选;二是 离心压缩机组中有电机驱动与燃气轮机驱动的比 选;三是电机驱动机组中有变频调速电机驱动、 恒速 高压电机通过调速行星齿轮驱动和整体式磁悬浮电 驱离心压缩机组三者的比选。比选的主要依据为可 用性、 可靠性、 效率、 经济性 20 年费用现值、 性价 05油 气 储 运 2008年 比、 不间断工作时间、 无故障工作时间、 运行维护保 检难度及费用、 污染情况和在天然气管道的使用业 绩等。此外,压气站优化设计中可能会受到投产日 期、 制造周期、 政治因素、 市场因素等条件制约,因此 必须进行综合考虑。我国在陕京、 靖西、 西气东输和 涩宁兰管道压气站的设计中均进行了科学合理的 优化。 3、 压缩机组水力模型等的相关计算 压缩机组初步设计的第一步是建立设计单位的 水力计算模型与压缩机生产厂商机芯设计的一体化 计算,根据计算结果确认和改进压缩机的设计性能 和运行条件。由于每条管道的工艺条件不同,机组 的运行工艺条件均存在一些不确定因素,因此在机 组投产后,设计单位应根据实际情况进行参数审查、 确认、 修正管道水力模拟和压缩机工艺电算结果。 设置两个或多个压气站的管道,在实际运行达到设 计流量且运行条件稳定以后,应对整个管道压缩系 统中的所有压缩机运行实际效能进行全面的重新评 估和分析,将得到的整个管道压缩系统的总效率与 设计要求相比较,以弥补国内相关设计水平的不足。 4、 压缩机组相关技术的应用 1回热联合循环系统 燃气轮机增加回热联合循环系统后,既能提高 燃气轮机的综合热效率,又可减少热污染,在国外已 被广泛地应用。例如,阿意输气管道Messina压气 站的燃气轮机额定功率与西气东输管道用部分燃气 轮机功率相近,由于采用回热联合循环,每台燃机的 综合热效率由36. 5 上升到47. 5 ,但在国内天然 气管道压缩机组中还尚未应用。 2蒸发冷却技术 在干燥炎热地区为燃机进气系统选配蒸发冷却 器,能够提高燃机效率、 降低综合能耗和延长燃机寿 命。目前使用的有湿膜式蒸发冷却器和喷雾式蒸发 冷却器等,基本原理是等焓蒸发冷却,通过蒸发冷却 器的测量、 控制和保护系统严格控制给水的水质,防 止燃机叶片结垢;根据燃机的功率、 进气温度、 湿度 和大气压力适时调节喷水量,既能最大限度地提高 进气的相对湿度,又能严格控制进入燃机的含水量; 在很短的时间内小于 1 s 实现水的绝热蒸发,并使 进气的相对湿度超过90 。此项技术已日趋成熟, 在我国西部地区的燃机上已有应用,并取得了较好 的效果,在西气东输西段燃驱机组上有推广应用的 空间。 3主动磁力悬浮技术 主动磁力悬浮轴承属于 “无油” 技术,1985年该 技术首次应用于天然气压缩机组。该技术的优势 是,取消了复杂并占用较大空间的润滑油系统,降低 了润滑油的损耗;减少了天然气泄漏和机组维护成 本费用,机组使用寿命提高,故障率降低;噪声降低; 无废气排放等。该技术目前已应用于燃机、 电机和 离心压缩机中。 4调速行星齿轮驱动离心式压缩机 调速行星齿轮驱动装置的运行是基于功率分配 原理,在很宽的速度范围内保持高效率,采用了流体 动力学的运行方式,无磨损且可靠性高。它集流体 动力学部件和行星齿轮于一个箱体内,由可调转矩 变换器、 固定行星齿轮和旋转行星齿轮等主要部件 构成。通过可调转矩变换器,用液压油将一部分动 力分流叠加到旋转行星齿轮,来控制主驱动轴的转 速。采用标准高压电机驱动,实现了无污染气体排 放,减少了噪声和电磁辐射对人员的伤害。此项技 术目前在我国的电驱机组中还没有得到应用。 5整体式磁悬浮电驱离心压缩机组 整体式磁悬浮电驱离心压缩机组可用于管道增 压和储气库注气,是一种高速、 智能、 无油电驱离心 压缩机组。该机组电机和压缩机均采用磁悬浮轴承 径向轴承和推力轴承 , 取消了润滑油系统,大大简 化了操作和维护;采用整体密封式技术集压缩机和 电机为一体,取消了干气密封,电机用工艺气冷却。 由于采用高速变频器和高速变频电机,电机与离心 压缩机为直联方式,取消增速齿轮箱,其大功率变频 器的应用,使压缩机单台功率达到22 000 kW。 此项 技术目前在我国还尚未应用。 四、 压缩机组运行及维护 1、 压气站机组运行优化 在压气站运行期间,可以利用仿真模拟软件 TGNET、 SPS 模拟分析不同输量下压气站的运行 方式,优化出各种输量下压气站最优运行方案;在某 座或几座压气站发生故障的情况下,可以根据当时 各下游用户的计划输量要求,优化出全线机组最佳 运行方案。 目前,我国输气管道下游用气结构主要为居民 15第27卷第8期 刘建臣天然气管道压气站的技术现状及发展 用气、 商业用气、 化肥、 甲醇和燃气发电等,其中一些 管道下游用气量由于冬季采暖原因随气温下降而猛 增,有些管道因此而增建冬季调峰用压气站。目前, 我国多条管道都有很大的冬季运行优化空间,应在 分析下游用气结构,利用下游用气资源的基础上,结 合上游气田资源,合理利用管道自身资源压气站资 源 , 不断优化冬季用气高峰期运行方案和预案,以 减少压气站机组运行时间和启机次数,达到提输、 降 耗和增效的目的。 天然气管道联网是保障向下游供气的重要手 段,目前,我国几条长距离大管径天然气管道即将连 通,组网运行的优势将逐渐凸显。组网运行的管道 在统一调控下可根据不同情况,通过计算进行网内 优化运行,在优化运行方案和预案的制订过程中,管 网内各压气站机组使用和工作方式将是优化运行的 重要内容。 2、 机组故障监测与诊断 1远程监测与诊断系统 天然气管道压缩机组远程监测与诊断系统是利 用丰富的图谱实时对机组进行 “体检”,实现机组的 早期故障预警,并通过网络随时掌控机组的实时运 行状态,变被动的故障后处理为早期发现潜在故障 并及时处理,能使远在千里之外的诊断专家及时得 到机组异常变化信息。它的有效利用可以提高机组 故障诊断准确率,对机组故障的预测、 分析和排除能 力、 机组定期保养检修和辅助大修能力以及机组现 场开车指导能力和机组备品、 备件需求预前判断能 力具有重要意义,可以保证压缩机组的长期、 安全和 平稳运行。例如,西气东输管道在机组引进的同时 购买了 “机组远程在线监测与诊断系统”,国内其它 管道压缩机组也有使用且收效显著。 2油液分析 油液分析是抽取油箱中有代表性的油样,分别 采用铁谱分析、 发射光谱分析、 红外光谱分析以及常 规理化指标分析,确定在用润滑油中的磨粒种类、 数 量和成分、 变质产物的种类,含量以及润滑油中典型 添加剂的损耗程度,以此作为判断机组关键摩擦部 位润滑和磨损状况的主要依据。在国内已进行了针 对天然气压缩机组的油液分析、 诊断和研究工作,且 进行了部分应用。 3、 机组效率计算 燃气轮机离心压缩机组效率计算是通过对机组 运行过程中各相关参数进行精确采集,分别计算得 出燃气轮机和离心压缩机的效率。定期进行机组效 率计算,可以依此运行状况及时对可能存在的问题 进行分析评价。通过与燃机历史效率的对比,判断 是否需要清洁燃机的进气滤芯或水洗燃机的压气 机;通过与离心压缩机历史效率的对比,判断级间迷 宫密封是否磨损;找出机组的实际最佳运行区,结合 实际运行工况使机组在最佳效率区内运行。 五、 压气站的运行管理 我国各输气管道所属压气站的运行管理方式各 不相同,目前较先进的管道压气站管理方式是以业 主管理为核心,以现场运行维护服务承包商和机组 保养检修专业化技术服务承包商为主要作业者,以 机组生产厂商售后服务为支持的 “四为一体” 运行管 理体系框架。 管道压缩机组燃气轮机、 变频调速电机、 离心 压缩机结构和控制系统复杂,技术含量高,要求从 事运行维护、 检修保养和故障诊断的人员应具有较 高的专业技术水平和丰富的现场经验。 压气站的主要污染源有噪声排放、 废气排放、 废 油废水排放、 固体废物、 电磁辐射和热污染等。压气 站内 “地埋式污水处理装置” 有效使用效率低,部分 压气站所处环境复杂多样,操作人员存在流行病、 地 方病等隐患。在处理机组故障或机组保检时,长时 间连续在高噪声环境工作等产生的职业健康问题, 还有待通过制度、 标准的建立等方式解决。 压气站完整性管理是输气管道完整性管理的重 要组成部分,是基于大型数据库技术、 内容管理技 术、 网络应用技术、 地理信息技术、 项目管理技术等 现代技术与生产运行相结合而形成的,使管理可视 化、 语音化、 网络化和数字化,涉及压气站设计、 建 设、 运行维护、 保养检修和评价等各个阶段,目的是 使机组始终处于完好的、 可靠的安全工作状态或受 控状态。此外,在压气站建设和投产期间对机组及 各附属设施的安装、 管路连接与清洁、 各主要设备参 数的检查调试、 性能测试、 防喘线测试、72小时带负 荷试验和验收等信息通过影音、 图片和文本数据等 形式进行整理存储,可以为今后管道压缩机组的运 行、 保养检修和故障处理保留原始的信息和资料。 25油 气 储 运 2008年 我国管道压气站机组运行维护、 保养检修和分 析评价的相关标准还不能满足需求,急需编制和修 订。压气站运管部门在机组备件管理、 机组资料管 理、 建立机组专家库、 机组人员培训、 机组长期停用 的保养、 机组耗材和部件国产化等方面需要做更深 入细致的工作。 六、 机组保养检修技术服务 管道压缩机组在累计运行达到一定时间后,要 进行常规保养检修或大修,其时间间隔、 分级和内容 根据机组不同而有差异,主要依据应查阅生产厂商 提供的运行维护手册。对于机组的非计划停机和故 障停机的问题,在现场无法排除故障时,“机组技术 服务机构” 要建立24 h的联络 反应 决策 行动 机制;24 h内行动,48 h内到达现场。 对于机组保养检修技术,机组保养检修专业化 技术服务承包商机组技术服务机构的服务水平至 关重要。首先要提高自身的能力,包括机组定期保 养检修和辅助大修能力、 机组故障诊断和排除能力 以及机组现场开车指导能力;其次在提高技术服务 能力的过程中,应不断提升机组技术服务的原始创 新、 集成创新和引进吸收再创新能力。 近年来,管道压缩机组技术服务市场已经形成, 天然气储气库、 油气田天然气处理厂、 石油化工企业 等都采用压缩机组。目前,我国压缩机组技术服务 机构主要是机组生产企业和管道压气站运营企业凭 借自身技术优势组建的,应大力培养机组保养检修 人员,积极开拓压缩机组的服务市场。 收稿日期20072032 15 编辑仇 斌 上接第39页 由此可以看出,在使用燃煤时易忽略车辆运输过程 中无形的油料消耗及汽车装备的折旧费用。 2、 费用成本 1风险成本 油料采用管道输送,安全性、 稳 定性、 隐蔽性高,突发事故和安全风险很小。燃煤运 输存在着车辆行驶安全的隐患,且各种风险成本 较高。 2输送成本 目前,成品油管道的输送成本均 在0. 15～0. 18元/ t km 之间,汽车运输成本则 超过0. 60元/ t km 。在等距离300 km的跨度 下,以等量的油料、 燃煤计算得到,管输成本为45 元,而燃煤运输成本则包含驾驶用工成本 2 人、30 元/人、2天计、 车辆维护费用和燃油消耗等以斯 泰尔车10 t/台单程核算得到,完成10 t燃煤的运 输,需投入成本4 581元,其中含运输费1 800元,耗 油费700元,车辆保养费561元,人工补助费120元 和人员技术训练及训练用油1 400元,且不计可能 产生的风险成本,投入总成本是10 t烟煤自身价值 的2. 3倍,是10 t中块煤自身价值的1. 1倍。 3折旧成本 车运燃煤的同时也在消耗车辆 储备里程全部按新装备计算储备里程10104 km ,缩短了车辆的维修周期。 4培训成本 车运燃煤驾驶人员的培训费约 为950元/人,每台教练车维修保养费也在600～ 850元之间,按耗费1 t油料计,所需费用约为 5 000元。 由以上计算和分析可以看出,标准煤和柴油的 燃烧值相当,单从价格上考虑,燃煤虽然比较经济, 但综合考虑其它因素,特别是用车运燃煤途中需投 入的各种附加成本高,实际应用效益较低,而且燃煤 存在严重的二次污染、 烟尘及排渣处理问题,由此可 以看出,燃油比燃煤综合效益高,既符合环保要求, 又节约了能源。 收稿日期20072092 19 编辑仇 斌 35第27卷第8期 刘建臣天然气管道压气站的技术现状及发展 作 者 介 绍 谭羽非 教授,博士生导师,1962年生,1998年博士毕业于哈尔滨建筑大学供热供燃气专业,现在哈尔滨工 业大学市政环境工程学院从事燃气输配及储运的科研和教学工作。 赵晓琴 工程师,1979年生,2003年毕业于中国石油大学北京油气储运专业,现在西南油气田分公司川西 北气矿工程设计所工作。 王立辉 助理工程师,1981年生, 2003年毕业于中国石油大学华东工程管理专业,现在中国石油管道公 司第三项目部工程技术部从事管道完整性管理工作。 崔之健 副教授,1963年生,1984年硕士毕业于江汉石油学院钻井工程专业,现任西安石油大学石油工程学 院副院长。 张 绚 工程师,1975年生,1995年毕业于新疆工业高等专科学校自动化管理专业,现在新疆油田油气储运 公司生产科从事计量、 化验管理工作。 张冬敏 高级工程师,1961年生,1983年毕业于中国石油天然气管道局管道职工学院储运专业,现在中国石 油管道公司管道研究中心工艺所从事油气管道储运技术研究工作。 邵 辉 教授,1955年生,1982年毕业于安徽理工大学采矿工程专业,现任江苏工业学院环境与安全工程系 副主任,安全工程研究所所长。 倪玲英 教授, 1964年生,1987年毕业于华东石油学院机械系储运专业,1999年获石油大学油气田开发硕 士学位,现在中国石油大学华东石油工程学院从事教学和科研工作。 华 遵 助理工程师,1981年生,2004年本科毕业于中国地质大学武汉电子信息工程专业,2007年硕士 毕业于中国地质大学武汉通讯工程专业,现从事状态监测系统的开发与研究。 刘文泉 工程师,1974年生,1999年毕业于莱阳农学院机电一体化专业,现在中油管道天然气压缩技术有限 公司从事压气站的生产运行管理工作。 陈文强 工程师,1963年生,1987年毕业于广西大学化工机械专业,现在柳州铁路生活服务总公司从事液化 石油气储运、 经营管理工作。 姬成录 1954年生,2000年毕业于国防大学部队管理系,现任中国人民解放军后勤指挥学院副院长。 颜爱政 工程师,1971年生,1994年毕业于南京师范大学精细化工专业,现在中原石油勘探局勘察设计研究 院从事油气长输管道工程、 油气集输管道工程、 石油化工工程设计工作。 成畴夫 高级工程师,1941年生,1965年毕业于北京石油学院储运专业,退休前任民航规划设计院副总工程 师,供油工程部总工程师。 张石超 工程师,1974年生,1998年毕业于西安石油大学机械系焊接工艺及设备专业,现在中国石油管道公 司廊坊技术服务中心从事西气东输罗罗压缩机组的管理、 维护及运行故障处理等工作。 刘建臣 工程师,1961年生,1985年毕业于中国石油天然气管道局职工学院自动化仪表专业,现在中国石油 管道公司兰州输气分公司从事管道压缩机组技术管理工作。 李佳青 工程师,1958年生,1986年毕业于中国石油天然气管道局职工学院石油工程专业,现在中国石油管 道公司秦京输油气分公司雄县站从事管道运行管理工作。 梁 平 副教授,1972年生,1997年硕士毕业于西南石油大学油气储运专业,2008年博士毕业于中国人民 解放军后勤工程学院,现在重庆科技学院从事教学与科研工作。 16第27卷第8期 油 气 储 运