一體式壓縮機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀綜述

姚 潔，孫昊強(qiáng)，趙 揚(yáng)

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110869)

一體式壓縮機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀綜述

姚 潔，孫昊強(qiáng)，趙 揚(yáng)

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110869)

一體式壓縮機(jī)是將電機(jī)和壓縮機(jī)封裝在一起，采用電磁軸承支撐的新型電驅(qū)壓縮機(jī)組，其運行范圍更寬、免維護(hù)、無油潤滑、更加環(huán)保，在當(dāng)今天然氣市場具有極強(qiáng)的競爭力。本文從結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面闡述一體式壓縮機(jī)的研發(fā)應(yīng)用成果，希望對從事一體式壓縮機(jī)研發(fā)的工程技術(shù)人員有借鑒作用。

一體式壓縮機(jī)；電磁軸承；研發(fā)

1 前言

隨著天然氣市場對壓縮機(jī)柔性、可靠性、快速響應(yīng)、免維護(hù)等的要求[1]，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)已經(jīng)不能滿足需求，開發(fā)新型一體化壓縮機(jī)成為了解決方案。

一體式壓縮機(jī)是全新的電驅(qū)壓縮機(jī)組，將電機(jī)與壓縮機(jī)封裝在一個機(jī)殼內(nèi)，采用電磁軸承進(jìn)行支撐，用流程氣冷卻。因其采用電磁軸承，可充分利用其轉(zhuǎn)定子無接觸，無機(jī)械摩擦損失，效率更高，不需使用潤滑油系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)等優(yōu)點，實現(xiàn)了體積小，排放低，且運行范圍更寬，可適應(yīng)天然氣市場的快速變化，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。世界各大壓縮機(jī)廠商相繼開發(fā)了基于電磁軸承的

一體式無油潤滑壓縮機(jī)系統(tǒng)。

本文主要從結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域等方面闡述一體式壓縮機(jī)的研發(fā)成果。

2 電磁軸承原理及主要生產(chǎn)商

電磁軸承是一體式壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件，由于其不需使用潤滑油系統(tǒng)，并可采用流程氣進(jìn)行冷卻，使其可封裝在壓縮機(jī)內(nèi)部，使得一體式壓縮機(jī)成為可能。

電磁軸承是通過對電磁鐵的實時動態(tài)控制，使其產(chǎn)生受控的非接觸磁場力來實現(xiàn)物體的懸浮[2]。其核心部件包括電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器，功能原理如圖1所示。

經(jīng)過多年發(fā)展，電磁軸承已經(jīng)成為了一個較為成熟的工業(yè)產(chǎn)品。目前，專門從事電磁軸承設(shè)計和制造公司主要有法國的S2M，美國Waukesha公司，瑞士MECOS公司等。此外，主流透平機(jī)械廠商也為自己的壓縮機(jī)配套生產(chǎn)電磁軸承。2012年，美國壓縮機(jī)制造廠家Dresser-Rand公司收購了Synchrony公司，生產(chǎn)徑向和軸向電磁軸承。德國MAN Diesel & Turbo公司于2012年收購了與其長期合作的瑞士MECOS公司，為其壓縮機(jī)、透平膨脹機(jī)配套生產(chǎn)電磁軸承。

3 一體式壓縮機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀

近些年，國外主流壓縮機(jī)廠商紛紛研制裝備有電磁軸承的一體式壓縮機(jī)，代表性的企業(yè)有德國SIEMENS公司、MAN公司，美國GE公司和Dresser-Rand公司。

3.1 德國SIEMENS公司

自1999年起，為了適應(yīng)天然氣上游非清潔天然氣壓縮的需求，SIEMENS公司與SHELL公司開始聯(lián)合開發(fā)STC-ECO型一體式壓縮機(jī)[3]。該機(jī)型為電機(jī)直接驅(qū)動，立式布置，電機(jī)與壓縮機(jī)集成封裝在一個機(jī)殼內(nèi)，采用電磁軸承支撐(圖2)。根據(jù)用戶不同要求，可采用電機(jī)+多級葉輪形式或懸臂葉輪+電機(jī)+懸臂葉輪形式布置。

2006年8月，原型機(jī)研制成功并進(jìn)行現(xiàn)場測試。經(jīng)20個月的現(xiàn)場測試后，該機(jī)型實現(xiàn)了從測試樣機(jī)向正常生產(chǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)變。其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 STC-ECO技術(shù)參數(shù)

3.2 德國MAN公司

德國MAN公司于1989年研發(fā)成功全球第一款MOPICO型一體式電驅(qū)管線壓縮機(jī)系統(tǒng)[4]。該壓縮機(jī)是為天然氣管線特別設(shè)計，采用軸向進(jìn)氣形式。壓縮機(jī)布置形式為中間是高頻感應(yīng)電機(jī)，電機(jī)兩側(cè)直接連接2個單獨的壓縮級，根據(jù)不同需要可進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，提供較寬的運行范圍，適用于大流量的應(yīng)用場合。整個壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子由2個徑向電磁軸承和1個電磁推力軸承進(jìn)行支撐。電機(jī)和電磁軸承均采用流程天然氣進(jìn)行冷卻，最終循環(huán)回吸氣系統(tǒng)，冷卻氣壓力約等于管線的進(jìn)氣壓力。垂直剖分的外機(jī)殼分成3部分，可使機(jī)器承壓達(dá)150 MPa。

1991年，在MOPICO機(jī)型的基礎(chǔ)上，MAN公司又開發(fā)了具有更高壓比、應(yīng)用范圍更廣泛的HOFIM型一體式壓縮機(jī)[5]。該型壓縮機(jī)集合了MOPICO密封性、環(huán)保性的電機(jī)壓縮機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點，但在機(jī)組布置形式上與MOPICO不同，它采用電機(jī)+多級葉輪形式布置。1997年，MAN公司開發(fā)成功了Tandem HOFIM，即在電機(jī)兩側(cè)分別懸掛多級葉輪的串聯(lián)式一體壓縮機(jī)。Tandem HOFIM可以2個缸串聯(lián)或并聯(lián)，允許操作者在不停機(jī)的情況下在2種模式下切換。

這2種類型一體式壓縮機(jī)的高頻電機(jī)功率范圍為3～18 MW，最大出口壓力可達(dá)30.3 MPa。其典型應(yīng)用領(lǐng)域為石油和天然氣的產(chǎn)出和加工、天然氣輸送、天然氣儲存和海底領(lǐng)域。

MAN公司研制的一體式壓縮機(jī)已經(jīng)有了多個應(yīng)用案例。其生產(chǎn)的一臺Single Hofim用于天然氣消耗設(shè)備，功率4.7 MW，轉(zhuǎn)速14700 r/min，進(jìn)氣壓力4.1 MPa，排氣壓力9.65 MPa。隨后應(yīng)用戶要求對其進(jìn)行串聯(lián)式升級改造，將進(jìn)氣壓力降為1.31 MPa。波蘭安裝有用于天然氣存儲的串聯(lián)Hofim，功率11.7 MW，轉(zhuǎn)速12000 r/min，進(jìn)氣壓力4.5 MPa，排氣壓力13.8 MPa。美國紐約州安裝有用于天然氣存儲的3臺Hofim?？?臺串聯(lián)，或者2臺并聯(lián)，第3臺作為高壓用途，每臺功率7 MW，進(jìn)氣壓力5.52 MPa，排氣壓力最高可達(dá)22.06 MPa。

2015年9月，MAN公司為挪威國家石油公司提供的全球首套海底天然氣壓縮裝置正式在挪威海的Asgard油氣田投產(chǎn)。

3.3 美國GE公司

GE公司研發(fā)的ICL型一體式壓縮機(jī)(圖3)是海上平臺以及其他空間受限的工業(yè)領(lǐng)域的理想設(shè)備[6]。

圖3 ICL一體式壓縮機(jī)

根據(jù)不同應(yīng)用場合，ICL一體式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式可分為2種：

(1)高速電機(jī)+單級懸臂葉輪式。葉輪通過齒式聯(lián)軸器直接安裝在電機(jī)軸上，壓縮機(jī)采用軸向進(jìn)氣，切向排氣，設(shè)計壓比1.1～1.4，最高可達(dá)1.5，出口壓力可達(dá)15 MPa。主要應(yīng)用于管線壓縮領(lǐng)域。

(2)高速電機(jī)+多級葉輪式。電機(jī)軸與壓縮機(jī)軸通過彈性聯(lián)軸器連接，葉輪最多可達(dá)9個，可全部串聯(lián)或采取背靠背形式，功率可達(dá)13 MW。主要用于天然氣儲存和其他陸地設(shè)備。

GE公司隨后開發(fā)了專門用于海底壓縮領(lǐng)域的Blue-C型海底壓縮一體機(jī)[7]。該機(jī)型技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 Blue-C型壓縮機(jī)技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

該壓縮機(jī)為垂直布置，包括位于上部的高速電機(jī)和位于下部的離心壓縮機(jī)，兩軸通過剛性聯(lián)軸器連接，集成安裝在一個單密封的外殼內(nèi)，以承受環(huán)境壓力。該一體機(jī)采用了3個封裝式的徑向電磁軸承以及1個推力電磁軸承，且不需使用干氣密封，因此大大減少了維護(hù)工作。

3.4 美國Dresser-Rand公司

Dresser-Rand公司開發(fā)的DATUM C型集成式壓縮機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式可以為背靠背、復(fù)合式、雙吸式或直通式，可用于單級懸臂式和多級梁式[8～9]。電機(jī)用天然氣或氫冷卻，其中單級式壓縮機(jī)采用內(nèi)嵌管線法蘭結(jié)構(gòu)。在停機(jī)時壓縮機(jī)可保持壓力，減少啟動時間。該型壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 DATUM C型壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

在此基礎(chǔ)上，Dresser-Rand公司又開發(fā)了ICS型一體式壓縮機(jī)，并在機(jī)殼內(nèi)內(nèi)置了集成的離心氣/液分離裝置，用以去除可能進(jìn)入壓縮系統(tǒng)的液體，非常適合在海底應(yīng)用。

4 應(yīng)用前景

(1)天然氣管線：一體式壓縮機(jī)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，且維護(hù)性低，適用于無人值守的天然氣管線領(lǐng)域。

(2)氣田升級改造項目：經(jīng)過多年開采的氣田面臨著壓力下降的問題，需要對設(shè)備進(jìn)行升級。一體式壓縮機(jī)由于運行范圍更廣，可以應(yīng)用于該領(lǐng)域，延長氣田壽命。

(3)海底壓縮機(jī)：與傳統(tǒng)的油氣平臺上游設(shè)施或浮式生產(chǎn)儲油卸油船相比，海底應(yīng)用一體式壓縮機(jī)技術(shù)不僅節(jié)省了投資成本，同時提高了回收率，降低了石油天然氣生產(chǎn)的能源消耗和二氧化碳排放。

5 結(jié)語

本文介紹了基于電磁軸承的新型一體式壓縮機(jī)技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用前景等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對于從事一體式壓縮機(jī)研發(fā)的工程技術(shù)人員具有借鑒作用。

[1] T George Kleynhans，Gary Pfrehm,etc.Hermetically sealed oil-free turbocompressor technology[J]. Proceedings of the Thirty-forth Turbomachinery Symposium,2005.

[2] Gerhard Schweitzer，Eric H. Maslen著，徐旸，張剴等譯.磁懸浮軸承-理論、設(shè)計及旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3] STC-ECO Siemens Turbo Compressor Environmental Product Declaration.[EB/OL].http://www.siemens.com/energy.

[4] Mopico-Compact compression system for gas transport[EB/OL].http://turbomachinery.man.eu/docs/librarlibrariespr4/Turbomachinery_doc/mopimo—gas-pipeline-compression-system.ppd sfvrsn=6,2014,1.28.

[5] HOFIM for Upstream Gas-Compact compression solutions[EB/OL].http://turbomachinery.man.eu/docs/librariesprovider4/Turbomachinery_doc/hofim—for-upstream-gas.pdf sfvrsn=6.

[6] ICL-Integrated Compressor Line[EB/OL].https://www.geoilandgas.com/subsea-offshore/offshore-turbomachinery/icl-integrated-compressor-line.

[7] Blue-CTMSubsea Compressor[EB/OL].https://www.geoilandgas.com/search/site/blue-c.

[8] 蔣慶梅，張小強(qiáng).氫氣與天然氣長輸管道線路設(shè)計ASME標(biāo)準(zhǔn)對比分析[J].壓力容器，2015，32(8)：44-49.

[9] DATUM ICS Integrated Compression System[EB/OL].http://www.dresser-rand.com/products-solutions/centrifugal-compressors/integrated-compression-system.

Overview of the Research and Development on Integrated Compressor

YAO Jie,SUN Hao-qiang,ZHAO Yang

(Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869,China)

Integrated compressor is a new kind of motor-drived compressor which put motor and compressor in one casing and supported by magnetic bearings.The outstanding advantages on wide operating rage,free maintenance,no oil lubricant and environmental friendly make the compressor more competitive in nowadays gas market.This paper introduced the research and development achievement of the compressor from structure,technical parameter,application area and so on.Hoped it have reference for those engineers who work in this area.

integrated compressor;magnetic bearings;research and development

1005-0329(2017)02-0043-03

2016-06-14

TH452

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.009

姚潔(1986-)，女，工程師，主要從事新產(chǎn)品研發(fā)工作，通訊地址：110869 遼寧沈陽市鐵西區(qū)開發(fā)大路16號甲沈鼓集團(tuán)研究院，Email: sgltskelly@163.com。

技術(shù)綜述