螺桿式增壓機組在天然氣分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

沈丹丹 陳 鋒楊文杰戴 燦

1．上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司

2．漢斯昆騰（上海）貿(mào)易有限公司

3．中國船舶重工集團公司第七一一研究所

0 概述

天然氣分布式能源是指以清潔能源天然氣為燃料的分布式供能系統(tǒng)。常規(guī)天然氣分布式能源的燃氣來源于市政管網(wǎng)，對于燃氣輪機項目，所供燃氣壓力無法滿足燃氣輪機進氣壓力，需要采用增壓機組提高壓力以滿足燃機進氣需求。

據(jù)中國城市燃氣協(xié)會分布式能源專委會不完全統(tǒng)計，截止2018年12月底，天然氣分布式能源項目共計494個，新增項目主要為園區(qū)類和工業(yè)類項目。其中園區(qū)類占新增項目個數(shù)的67%，工業(yè)類占15%，而此類項目多采用燃氣輪機進行熱電聯(lián)產(chǎn)供能，故增壓機的需求也隨分布式能源項目的進一步發(fā)展而得到增長。

增壓機作為分布式能源系統(tǒng)的輔助設(shè)備，正確的選型、配置、設(shè)計對今后項目運行安全性、經(jīng)濟性都有著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合某工廠分布式能源項目對增壓機組的設(shè)計運用進行概述和分析。

1 天然氣增壓機設(shè)備特點

壓縮機種類繁多，按工作原理分，有容積型、速度型、熱力型等種類[1]。

容積型含往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種，有活塞式、螺桿式、渦旋式、轉(zhuǎn)子式等；速度型主要有離心式和軸流式；熱力型有噴射式。

分布式能源系統(tǒng)中常采用往復(fù)式、螺桿式和離心式增壓機。

往復(fù)式增壓機指通過氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運動使缸體容積周期變化并實現(xiàn)氣體的增壓和輸送的一種壓縮機。螺桿式增壓機是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機，兩個帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出的一種壓縮機。離心式增壓機屬速度型壓縮機，在其中有一個或多個旋轉(zhuǎn)葉輪（葉片通常在側(cè)面）使氣體加速[2-3]。三種常用增壓機的技術(shù)特點見表1。

表1 增壓機主要技術(shù)特征[4]

2 工程案例概況

某工廠分布式能源項目，有兩套6．6MW的燃氣輪機，市政供氣壓力為0．6MPa，燃機進氣壓力要求為2．5 MPa，本項目擬配置兩套增壓設(shè)備，與燃機一對一運行。燃氣溫度為2℃～30℃，燃機最大耗氣量為冬季工況下的天然氣消耗量，考慮流量裕量后，每套增壓機設(shè)計流量為2 500Nm3/h。正常狀態(tài)允許的壓力變化率要求不大于0．2 bar/s，燃機進氣溫度不低于5℃、不超過80℃，允許的溫度變化率不大于4K/min。燃料潔凈度要求為固體顆粒：2-10μm過濾效率大于90%；＞10μm過濾效率100%；液體顆?！?0μm過濾效率99．5%。燃機進氣含油量≤1ppm。

3 增壓機設(shè)計運行研究

以上述工程項目為例，對增壓機在分布式能源系統(tǒng)中運用的要點進行分析。

3.1 增壓機類別

本項目單臺流量為2 500Nm3/h，流量較小，壓比為4，大流量的離心式機組暫不予以考慮。分布式能源系統(tǒng)一般作為長期運行的優(yōu)先供能形式或者為重要負載供能，安全性要求較高，選用活塞式機組，初期投資成本稍有優(yōu)勢，但考慮后期運維，往復(fù)式機組故障率高，若采用備用機組形式，性價比降低。因此，根據(jù)前文各類增壓機技術(shù)特征，結(jié)合項目流量壓比等參數(shù)及現(xiàn)場用地緊張的情況，天然氣工質(zhì)較為潔凈、結(jié)合采購預(yù)算、運行安全等特點，優(yōu)選采用小型緊湊的螺桿式增壓機。同時，一般工業(yè)用戶或小型園區(qū)類分布式能源項目，以中小型燃機為主，單機功率不超過30MW，多采用螺桿式增壓機。

3.2 工藝流程

增壓機系統(tǒng)通常包含三個部分：電動機和螺桿式壓縮機組成的壓縮系統(tǒng)，油冷冷卻器、油分離器、油過濾器、油泵等構(gòu)成的潤滑油循環(huán)系統(tǒng)以及進排氣切斷閥、進氣過濾器、止回閥、壓力溫度檢測等組成的氣路系統(tǒng)。

增壓機的出口溫度近似計算公式：

式中T1，T2—增壓機進出口溫度，K；

P1，P2—增壓機進出口壓力，MPa；

K—等熵指數(shù)，天然氣取1．27。

當夏季工況時，壓縮機入口溫度為303K時，出口溫度遠大于80℃，故本項目增壓機需設(shè)置后冷卻器，降低排氣溫度滿足進氣要求。

此外，燃機對進氣含油率、顆粒度較為敏感，雖然增壓機系統(tǒng)后有燃氣前置模塊對進氣精過濾處理，但增壓系統(tǒng)上仍建議設(shè)置進氣過濾器，保障燃機進氣潔凈度；增壓機系統(tǒng)出口處設(shè)計二次油分離，將含油率降至1ppm，以滿足要求。工藝流程如圖1所示。

圖1 增壓機組一般工藝流程示意圖

天然氣進入壓縮機機頭，經(jīng)壓縮后以高溫高壓的氣態(tài)天然氣從排氣口排出，經(jīng)過油分離器，將天然氣和潤滑油分離出來，分別進入工藝氣體系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)。分離后的天然氣進入后冷卻器，溫度降至設(shè)計溫度后，進入二次油分離器，降低天然氣含油量，然后將天然氣供氣至下游前置模塊。分離后的潤滑油進入油冷卻器降溫至設(shè)計溫度后通過增壓機不同部位后起到潤滑作用，與吸入的天然氣一起被壓縮，混合氣體進行油氣分離，以此循環(huán)。

3.3 冷卻方式

潤滑油從油分離器分離后，需進入油冷卻器中進行冷卻，把壓縮機高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，降低油溫，經(jīng)冷卻的油經(jīng)過過濾器后經(jīng)油泵增壓進入至壓縮腔體、軸承、軸封等處，然后進入壓縮機轉(zhuǎn)子腔，帶走一部分的壓縮熱達到潤滑、密封、減噪及散熱的作用。

本項目中增壓機有油冷卻器和后冷卻器，主要有水冷、風冷方式。水冷油冷卻器通常采用管殼式結(jié)構(gòu)，不銹鋼材質(zhì)，需外部提供冷卻水；風冷一般采用板翅式冷卻器，需要配置風機，工藝上比水冷簡單，但造價偏高，易存在噪音問題。本案例中，現(xiàn)場有冷卻水系統(tǒng)可以利用，故確認為水冷方式。

3.4 占地布置

根據(jù)GB50016《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，燃氣增壓間、調(diào)壓間為甲類廠房，故燃氣增壓機組與廠內(nèi)外道路、鐵路，及余熱鍋爐、原動機房等丁類廠房間都需要有明確的防火間距要求，增壓機的設(shè)計布置應(yīng)充分考慮最小間距。

天然氣增壓機組可為成撬設(shè)計，現(xiàn)場安裝快速便捷，對中工作量小，機組在基礎(chǔ)就位且在水平度確認后地腳螺栓澆注。本項目中設(shè)備露天布置，因此機組上電氣儀表除防爆要求外需滿足戶外防水要求。

3.5 設(shè)備材質(zhì)

壓縮機的殼體和一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子是增壓機的關(guān)鍵零件，本項目排氣壓力設(shè)計為2．5MPa，主機最高設(shè)計壓力為2．8 MPa，殼體采用球墨鑄鐵材料，轉(zhuǎn)子采用鍛鋼材質(zhì)，在負載狀態(tài)下比球墨鑄鐵更具耐磨性及抗疲勞性。

3.6 流量調(diào)節(jié)

增壓機的流量調(diào)節(jié)通常有滑閥+回流，變頻+回流兩種調(diào)節(jié)方式?；y調(diào)節(jié)通過滑閥的左右移動，增大或減小有效壓縮容積以調(diào)節(jié)氣量大小，調(diào)節(jié)范圍為100%～10%，可滿足多種工況的流量輸出，同時大幅降低了生產(chǎn)能耗，也可保證增壓機的效率，剩下的10%～0%的流量范圍由回流調(diào)節(jié)來承擔。變頻流量調(diào)節(jié)是通過變頻器改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速控制流量，該方式初投資較大。本項目采用第一種方式，性價比較高。

3.7 儀表控制

增壓機常采用PLC可編程控制系統(tǒng)，有遠程和就地控制方式。進排氣壓力、溫度，過濾器分離器壓差，供油壓力、溫度、液位，冷卻器前后溫度等是主要的控制項目是增壓機報警、停機等主要依據(jù)。另外也可根據(jù)不同用戶需求采集殼體振動、滑閥位置、電機電流等信號，以便更全面監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。

本項目分布式能源作為重要保障電源，增壓機儀控設(shè)計中涉及到停機的信號均采用三取二，保證機組不會因誤報警而停機，避免給用戶帶來不必要的損失。

3.8 安全運行

增壓機的安全性在實際運行中至關(guān)重要，不僅需要定期的維護保養(yǎng)，同時也需有具體有效的控制風險措施。

螺桿式增壓機易損件少，維護保養(yǎng)工作簡單。保養(yǎng)工作應(yīng)涵蓋壓縮機的外觀檢查、防銹處理，運行工況下的連接部位滲漏檢查，過濾器的檢查清洗更換、油品水質(zhì)的定期檢查分析。定期維護則應(yīng)包括每日油溫、油壓差、油位等主要參數(shù)、運行的監(jiān)測，運行時間的確認，技術(shù)參數(shù)設(shè)定值的比較調(diào)整等。在長時間的停機期間及重新使用前按具體供應(yīng)商要求進行定期巡視處理。

分布式能源系統(tǒng)中增壓機介質(zhì)為天然氣，增壓機在運行中存在著易燃易爆、腐蝕、超溫超壓、工藝缺陷、噪音安全風險，為此運行中應(yīng)有必要的安全防范措施[5-7]。

1)增壓機組設(shè)置可燃氣體泄漏報警系統(tǒng)；設(shè)計前期設(shè)備的場地布置盡量選擇敞開式，有隔音罩或廠房內(nèi)需滿足通風要求；設(shè)備啟動前及日常巡檢時都要確定系統(tǒng)完好，無油氣泄漏。

2)腐蝕主要是由于工質(zhì)中含硫物造成，因此設(shè)計前期需要確認天然氣中是否含硫，根據(jù)實際情況增加脫硫處理，采用防腐材料，運行中定期巡檢更換部件。

3)機組潤滑不佳而使機械長期磨損會導(dǎo)致超溫現(xiàn)象，因此要根據(jù)天然氣組分選擇品質(zhì)佳的潤滑油品，并定期除污，檢查冷卻器、油水分離器等，保證機組潤滑性能。

4)不斷修補機組工藝漏洞，安裝多種檢測裝置，完善報警系統(tǒng)，提高預(yù)警能力。

5)增壓機組運行產(chǎn)生的噪音會對工作人員和周邊環(huán)境造成一定的影響，必要時機組設(shè)置隔音罩，工作人員配備隔音耳罩等。

6)提高增壓機管理人員的技能素質(zhì)，掌握故障辨識基礎(chǔ)、增強風險防范意識等。

4 小結(jié)

增壓機是大多數(shù)燃氣輪機分布式能源項目中不可或缺的設(shè)備，從流量壓比、維護保養(yǎng)、設(shè)備可靠性及連續(xù)性、流量調(diào)節(jié)方式等方面綜合考慮，螺桿式增壓機具有較明顯的優(yōu)勢。在實際運用中，應(yīng)充分探究分析項目工程條件、燃機特性、天然氣組分、采購預(yù)算等具體情況，對增壓機組進行有針對性的工藝設(shè)計和配置，并在后續(xù)運行中針對可能存在的風險進行防范，保障分布式能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。