集成式压缩机及其在天然气管道的应用.pdf

2011 年 10 月 第 30 卷第 10 期 总第 274 期 721 集成式压缩机又称整体式压缩机， 其发展起始于 20 世纪 80 年代。1990 年， 第一台集成式压缩机投入 商业运行， 首次将磁悬浮、 变频、 离心压缩机等成熟技 术进行有效集成， 实现了离心机的超宽范围变频调节， 成为压缩机技术史上最为节能环保的绿色机型。该压 缩机基于磁悬浮轴承、 高速电机和大功率变频器三大 技术成果发展而来 磁悬浮轴承的使用， 取消了润滑油 系统， 大幅度简化了压缩机的操作和维护程序； 高速电 机可以直接驱动压缩机， 因而不再需要配备增速齿轮 箱； 大功率变频器的引入， 扩大了压缩机的使用范围； 对电机和压缩机实施一体化处理， 取消了干气密封系 统， 大大提高了压缩机的可靠性。 目前， 集成式压缩机广泛应用于陆地、 海底天然气 管道和地下储气库等工程领域， 且正在向炼油、 石化等 领域拓展。 1 技术特点 1.1 集成式压缩机的构成 集成式压缩机的叶轮和电机同轴或通过联轴节进 行连接。叶轮设在电机两侧或同侧， 同侧的叶轮可以 顺序排列或背靠背排列 （图 1） 。承载压缩机转子与电 机转子径向力和轴向力的径向轴承和止推轴承均采用 磁浮轴。 1.2 磁悬浮轴承的工作原理 磁悬浮径向轴承和压缩机转子 （图 2） 在运行过程 中， 如果压缩机轴与轴承下端的间隙变小， 位置传感器 遂将信号传给控制器， 与参考信号比对后， 再将信号传 给功率放大器； 功率放大器得到信号后， 将增大电流， 进而增大励磁器的电磁力， 使压缩机转子向上移动， 增 大压缩机轴与轴承下端的间隙 （图 3） 。每个磁悬浮轴 承在压缩机轴周边各布设 4 个或 8 个 （视压缩机的轴 径而定） 位置传感器， 以使压缩机转子在质量中心运 转， 同时使压缩机轴与轴承的各个间隙总是保持在允 许范围内。 集成式压缩机及其在天然气管道的应用 刘建臣 （油气管道输送安全国家工程实验室 中国石油管道科技研究中心， 河北廊坊 065000） 刘建臣.集成式压缩机及其在天然气管道的应用.油气储运， 2011， 30 （10） 721 - 724. 摘要 系统介绍了集成式压缩机的技术特点和技术优势， 阐述了其在天然气管道增压、 地下储气库注 气和海底管道增压工程中的应用状况， 展望了其在国内天然气储运领域的应用前景。该压缩机以磁 悬浮轴承、 高速电机和大功率变频器三大新兴技术成果为基础， 将压缩机、 电机、 冷却系统和分离系 统集成在同一加工橇架中， 并作为一个整体安装使用； 不含润滑油系统、 密封系统， 而且操作转速可 以在 35～105 的范围内调节， 大幅增强了其对不同操作工况的适应性； 集高速、 无油、 整体和智 能等于一身， 节能环保、 操作方便且性价比高， 适于在长输天然气管道沿线有电力资源的地区应用。 关键词 集成式压缩机； 磁悬浮轴承； 技术特点； 无油； 环保； 成本效益 中图分类号 TE974 文献标识码 A DOI CNKI13-1093/TE.20110729.2248.001 文章编号 1000-8241 （2011） 10-0721-04 图 1 集成式压缩机叶轮和电机位置示意图 （a） 叶轮在电机两侧 （b） 叶轮在电机同侧 综述 OIL GAS STORAGE AND TRANSPORTATION 油气储运 网络出版时间 2011-7-29 224828 网络出版地址 2011 年 10 月 第 30 卷第 10 期 总第 274 期 油气储运 OIL GAS STORAGE AND TRANSPORTATION 722 1.3 磁悬浮轴承的保护 当站场突然停电时， UPS 将继续向磁悬浮轴承供 电， 使机组安全停机。对于站场突然停电且 UPS 同时 出现故障的极端情况， 为了最大限度地保障磁悬浮轴 承和压缩机轴的安全， 在整体磁悬浮轴承中， 加入一个 承载轴承， 承载轴承与压缩机轴的间隙是磁悬浮轴承 与压缩机轴间隙的一半。当发生紧急情况时， 磁悬浮 轴承失去电磁力， 压缩机或电机的轴将首先与承载轴 承接触， 并在承载轴承的协助下停机， 从而使压缩机轴 和磁悬浮轴承得到有效保护。事后只需对承载轴承进 行检查， 必要时更换承载轴承即可。 1.4 电机与轴承的冷却 压缩机组运行过程中， 大功率电机和轴承的冷却 至关重要。功率超过 4 000 kW 的电机一般使用水作 为冷却介质， 因此限制了大功率电机的使用。集成式 压缩机采用压缩介质 （天然气） 对电机和轴承进行冷 却， 不依赖外部系统或介质， 有效地解决了上述问题。 其工作原理 从压缩机某级 （一般是第一级） 出口引出 少量天然气， 经过滤和分离后分成两路， 主路气体进入 电机， 对电机进行强制冷却， 另一路气体进入轴承， 分 别对止推轴承和径向轴承进行冷却。因冷却气体的压 力略高于压缩机进口压力， 故最后可以回到压缩机进 口， 重新进行压缩 （图 4） 。 1.5 压缩机的密封 压缩机与电机之间的密封包括两种情况 其一是 迷宫密封， 天然气经过减压后泄漏到电机中， 与冷却电 机的天然气共同回到压缩机入口； 其二是压缩机与电 机之间为绕性连接， 无需密封。由此， 取消了压缩机的 密封系统， 例如干气密封或机械密封。 2 技术优势 2.1 转速可调节范围广 压缩机和电机均采用磁悬浮轴承， 其操作转速低 于第一临界转速， 因此使之可以在 35～105 的范 围内调节， 这是普通离心压缩机组无法做到的。这一 转速范围大幅增强了压缩机对不同操作工况的适应 性， 对于天然气管道增压具有重要意义。 2.2 系统结构简单 无需润滑油系统， 即取消了润滑油泵、 油箱、 油冷 却器、 油加热器、 油滤、 油参数检测和油控制系统等； 无 需密封系统， 即取消了干气密封和干气密封控制系统； 减少了连接管路。基于此， 整个集成式压缩机系统大 大简化， 使压缩机占地面积缩小， 压缩机故障点和现场 工作量减少， 从而大幅提高了压缩机的可靠性。 2.3 运行操作优势 采用磁悬浮轴承、 缺省密封系统、 压缩机系统全封 闭， 使集成式压缩机可以在 5 min 之内从 0 加速到最 大转速， 起停次数不限， 能在承压状态下备用， 适合寒 冷环境， 无需加热。其对低压缩比应用工况具有很大 的灵活性， 适用于需要较大灵活性的苛刻场合； 平均无 故障运行时间达 10104 h； 操作简单、 运行平稳可靠。 图 2 磁悬浮径向轴承和转子截面 图 3 磁悬浮径向轴承的控制原理 图 4 集成压缩机电机与轴承冷却原理示意图 综述 2011 年 10 月 第 30 卷第 10 期 总第 274 期 723 2.4 安装和维护优势 只需安装和调校一个橇座， 无需对中， 无需润滑油 冲洗， 无橇间配管， 减少了布线。因此使得压缩机的安 装更为容易， 安装成本大幅降低。 维护时无需拆除工艺管路， 压缩机内的组件易取 出。除机壳以外的全部机芯被组合成一个机芯模块， 可以在机壳外预先组合， 并作为一个整体装入机壳。 通过备用一个机芯模块， 可以在几小时内完成机芯模 块的更换。电机和压缩机均能进行独立维护， 不但使 维护更加方便， 而且降低了对维护人员的技术要求， 减 少了消耗备件和维护备件的库存量。 2.5 环保和安全优势 由于无润滑油系统和密封系统， 因此压缩机无油 气等污染物排放， 且噪声更小， 实现了生产力与环境的 最佳平衡， 成为目前最为绿色环保的压缩机机型。由 于采用正压工艺气体冷却电动机， 因此基本不会发生 火灾事故。 2.6 成本效益 与燃气轮机驱动离心机组和传统的电驱动压缩机 组相比， 在操作范围内， 集成式压缩机组的总体效率更 高， 对于小功率机组， 集成式压缩机优势更加明显。集 成式压缩机系统的服役寿命在 30 年以上， 若按 20 年 费用折现计算， 是一种非常具有成本效益的压缩机。 3 工程应用 集成式压缩机进入天然气储运工程领域已经有 20 多年的历史， 近百台该类压缩机被应用于天然气管 道增压、 地下储气库注气和海底天然气管道增压， 主要 生产厂家有 Manturbo、 GE Oil Gas 和 Dresser-Rand 等公司。迄今为止， 我国尚无天然气管道工程使用集 成式压缩机。 3.1 天然气管道增压 集成式压缩机最早用于天然气管道增压， 是由于 某些压气站建于高山和高寒地区， 冬季人员往来困难， 因此需要一种自动化程度和可靠性高、 可以长期免维 护的压缩机组， 而集成式压缩机恰好能够满足这些需 求。随着集成式压缩机技术日趋成熟和普及， 越来越 多的天然气管道压气站开始使用这种压缩机， 尤其在 美国和欧洲获得了应用。 在无人值守压气站， 压缩机一般为多机并联运 行， 也有并联、 串联交替运行的情况。例如 美国马里 兰州 Rutleage 压气站共有 3 台集成式压缩机， 单台 流量为 636104 m3/d， 单台功率为 3 400 kW， 由于冬 季经常大雪封山， 因此设计为无人值守站。英国的 Peterstow 压气站共有 3 台集成式压缩机， 单台流量为 1 080104 m3/d， 单台功率为 8 000 kW， 并联运行。德 国 Wardenburg 压气站共有 3 台集成式压缩机， 单台功 率为7 000 kW， 串联运行时单台流量为840104 m3/d， 进口压力为 5.05 MPa， 出口压力为 8.3 MPa； 并联运行 时单台流量为 3 360104 m3/d， 进口压力为 7.0 MPa， 出口压力为 7.45 MPa。 3.2 地下储气库注气 一般情况下， 地下储气库在储气初期， 压力较低， 此时需要压缩机大流量、 低压比运行； 在储气中后期， 随着压力不断升高， 需要压缩机低流量、 高压比运行。 集成式压缩机通过压缩机两组缸之间的切换， 可以满 足这一要求。根据压缩机的性能曲线 （图 5） 在低压 比、 大流量下机组并联运行， 为右下方的工作区； 在高 压比、 小流量下机组串联运行， 为左上方的工作区。 国内外地下储气库均大量使用往复式 （活塞） 压缩 机， 主要原因是普通离心压缩机无法满足地下储气库 运行过程中高压比和流量大幅变化的要求。由于往复 式压缩机存在可靠性差、 维护工作量大、 成本高、 噪音 污染严重等缺点， 因此， 近年来欧美地区在地下储气库 中越来越多地使用集成式压缩机。相对而言， 集成式 压缩机具有如下技术优势 ①单机流量和功率较大， 一 台集成式压缩机在相同压比的情况下可以达到 2～3 图 5 集成式压缩机性能曲线 综述 Integrated compressor and its application in natural gas pipeline 集成式压缩机及其在天然气管道的应用 2011 年 10 月 第 30 卷第 10 期 总第 274 期 油气储运 OIL GAS STORAGE AND TRANSPORTATION 724 台往复式压缩机的工作流量， 节约了采购成本、 工程建 设成本和占地费用； ②可以基本免维护， 大大节约了维 护、 维修成本和零备件成本， 提高了机组的可靠性； ③ 可以方便地进行流量和压力调节， 自动化程度高， 并可 为今后地下储气库的联网运行、 自动调配奠定基础； ④ 机组在频繁启停的情况下， 仍具有良好的可靠性； ⑤大 大降低了噪音污染。 德国北部 Leer 地区由 14 个盐穴组成的某地下储 气库， 主要功能是储存北海天然气， 并根据用户需求将 其中的天然气输运给用户。该地库自 2002 年初开始 使用集成式压缩机， 累计运行22 000 h， 且因用户需要， 压缩机几乎每天都要起停， 迄今为止， 这些压缩机未曾 进行任何维修； 而与此同时， 该地库有 9 台往复式压缩 机的维护和维修工作量却非常大。 3.3 海底管道增压 集成式压缩机是目前唯一适用于海底天然气管道 的压缩机， 它的问世迈出了最终征服海洋油气生产这 一严峻挑战的关键一步。压缩机、 电机、 冷却系统和分 离系统被集成在同一加工橇架中， 无需使用大的单机 分离器， 并作为一个整体装置进行安装和使用。 集成式压缩机应用于海底天然气管道时有垂直安 装和水平安装两种方式。 在Ormen Lange试点项目中， GE Oil Gas 提供了一个模块压气站所需要的 4 台集 成式压缩机， 安装在约 900 m 深的海底， 单台集成式压 缩机的功率可达 20 MW。该集成式压缩机的电机采 用充气式高速电机， 压缩机和电机以垂直方向置入密 封外壳中， 以耐受周围的静水压力 （图 6） 。 综上所述， 集成式压缩机对于天然气储运工业的 主要贡献是 将 “压缩机” 转换成 “压缩系统” ， 它集高 作者简介 刘建臣， 工程师， 1961 年生， 1985 年毕业于中国石油天 然气管道局管道职工学院自动化仪表专业， 现主要从事压气站的运 行管理工作。 电话 0316-2174068； Email jcliu 速、 无油、 整体、 智能等特点于一身， 充分体现了其蕴含 的成本效益， 在长输天然气管道沿线有电力资源的地 区具有极好的应用前景。 （收稿日期 2011-07-20） 图 6 海底垂直安装的集成式压缩机 综述 下 期 要 目 天然气减阻剂分离模拟试验 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯常维纯， 等 大型LNG储罐预应力混凝土外墙应力分析与结构 优化 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯程旭东， 等 流量计误差对压缩机喘振控制的影响 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯陈坤明， 等 管道水平定向钻穿越夯套管结构计算 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯李国辉， 等 矩形储液箱静水压模态仿真分析与材料比选 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯刘楠， 等 成品油管道泄漏的环境风险评价 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯马红娜， 等 坠落式危岩对输油管道的影响评价 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯谭超， 等 管道不停输开孔作业中鞍形板探测打捞技术 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯王国超， 等 天然气管道与原油管道并行敷设的安全间距 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯许砚新， 等 大型油库消防系统设计 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯董林林 2011 年 10 月 第 30 卷第 10 期 总第 274 期 OIL GAS STORAGE AND TRANSPORTATION 油气储运 3 OVERVIEW / POWERCOMMUNICATION / CORROSIONINSULATION Integrated compressor and its application in natural gas pipeline Liu Jianchen OGST， Vol.30 No.10， pp.721–724， 10/25/2011.ISSN 1000-8241； In Chinese The technical features and technical advantages of integrated compressor are systematically described， its use in underground gas storage injection， booster pumps of gas pipeline and submarine pipeline is presented and its commercial prospect in gas storage and transportation fi eld is forecasted.Integrated compressor is based on magnetic bearing， high speed motor and high- power frequency changer， and it integrates the compressor， motor， cooling system and separation system into the same skid， which is used as a whole installation.No lubricating oil system and sealing systems are designed in the integrated compressor， and its running RPM can be controlled in the range of 35105， which enhances its adaptability under the different conditions.Besides， the advantages of integrated compressor is high RPM， oil-free， unity， intelligence， energy conservation and environment protection， easy to operate with cost-effective. All in all， the integrated compressor is suitable for use in the area which is full of power along gas pipeline. Key words integrated compressor， magnetic bearing， technical features， oil-free， environment protection， cost-effectiveness Liu Jianchen National Engineering Laboratory of Transportation Safety of Oil Gas PipelinePetroChina Pipeline R D Center， Langfang， Hebei， 065000. Tel 0316-2174068； Email jcliu Current situation and prospect of urban gas in China Yang Yi， Sun Hui， Wang Mei OGST， Vol.30 No.10， pp.725–728， 10/25/2011.ISSN 1000-8241； In Chinese Low-carbon economy and energy saving promote the urban gas industry to develop rapidly and sturdily.Infrastructure construction and state policy also create favorable conditions for the rapid development of urban gas industry.The urban gas in China is composed of source gas such as natural gas， liquefi ed petroleum gas and manufactured gas.West-to-East Gas Transmission Pipeline was put into commercial operation in 2004.It was the fi rst time that the gas population had been more than that of manufactured gas and closed to the LPG population by 2009.The total consumption of gas had exceeded the LPG， which occupied 56.4 market share by 2009， and natural gas had become the leading gas source.At present， Market development and enterprise operation are facing with challenges， and at the same time， guaranteeing the safety and stability for pipeline operation become important duty for natural gas companies.Using natural gas as the main source of urban gas is an inevitable trend， LPG will be served as the benefi cial supplement for natural gas and will develop steadily and the manufactured gas will retreat the gas market eventually.The urban gas industry is required to establish and improve the related laws and regulations， increase integrated strength， raise the public safety consciousness and lay stress on the infrastructure construction like emergency peak shaving. Key words urban gas， natural gas， pipeline network， market， present situation， prospect Yang Yi PetroChina Planning and Engineering Institute， Beijing， 100083. Tel 010-82383291； Email yangyi83 Cavitation jet cleaning technology and its application in underwater facilities cleaning Xia Baoying， Liu Wang， Zheng Jinbao， et al OGST， Vol.30 No.10， pp.729–731， 10/25/2011.ISSN 1000-8241； In Chinese By controlling pressure， velocity and other parameters based on cavitation jet cleaning technology， a lot of cavitation bubbles are ed when water beam goes through cavitation nozzle.Cavitation bubbles will collapse in a narrow area of material surface and produce a micro-jetting impact as high as 140-170 MPa， which realizes the cleaning for underwater facilities.This technology is compared with the high-pressure water cleaning technology in cleaning mechanism， coating protection， effi ciency and energy consumption.Results show that the cavitation jet cleaning technology has the following advantages such as high effi ciency， safety， energy saving and coating safety.In the submarine Christmas tree cleaning project of Indonesia， the cavitation jet cleaning technology was successfully used in cleaning the joint adapter， hydraulic valves， positioning disc and other facilities. Prospect and future development for this technology in cleaning industry of offshore structures， undersea oil facilities， ships， coastal engineering and so on can be seen. Key words offshore oil， cavitation jet， underwater facilities， cleaning， sea creature Xia Baoying COOEC Subsea Technology Co. Ltd.， Shenzhen， Guangdong， 518067. Tel 13751069973； Email xiaby Application of IEC60870-5-104 Protocol in the SCADA system of the 1st Shaanxi-Beijing Gas Transmission Pipeline Yan Feng， Qi Guocheng， Wei Kai， et al OGST， Vol.30 No.10， pp.732–735， 10/25/2011.ISSN 1000-8241； In Chinese OIL GAS STORAGE AND TRANSPORTATION MONTHLY Vol. 30 No. 10 Total 274 Oct. 25, 2011 ABSTRACTS