國產(chǎn)燃驅(qū)壓縮機(jī)組在國際長輸管道的應(yīng)用研究

楊旭光，林 軍，孔維維，馮 騁，熊建森

中油國際管道公司，北京100029

在高壓力、大管徑的天然氣長輸管道工程中，壓氣站是其重要組成部分。管道壓縮機(jī)組是壓氣站的核心設(shè)備，是能源動力裝備技術(shù)領(lǐng)域的明珠，其設(shè)計(jì)和制造的難度高。在選擇配備壓縮機(jī)組時(shí)，需根據(jù)管道增壓工況和安裝環(huán)境條件，按照技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、投資小及能耗低的原則進(jìn)行合理選型[1]。

近年來，隨著我國天然氣管道的大力發(fā)展，壓縮機(jī)業(yè)務(wù)也取得明顯提升，截至2017年年底，國內(nèi)安裝投產(chǎn)的長輸天然氣管道壓縮機(jī)組已經(jīng)超過了1 000臺，預(yù)計(jì)到2020年年底，我國應(yīng)用于天然氣管道上的壓縮機(jī)組將超過2 000臺，發(fā)展突飛猛進(jìn)[2]。伴隨著管道業(yè)務(wù)的大力發(fā)展，國產(chǎn)壓縮機(jī)組也取得了一定的突破，2011年10月，沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司長輸管道壓縮機(jī)通過中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會和中國石油天然氣集團(tuán)公司的成果鑒定。2014年9月，中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所（以下簡稱703所）30 MW級燃驅(qū)壓縮機(jī)組通過了國家能源局、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會和中石油共同組織的新產(chǎn)品鑒定，標(biāo)志著我國民族工業(yè)在高端裝備制造領(lǐng)域里程碑式的突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國產(chǎn)機(jī)組占國內(nèi)長輸管道壓縮機(jī)應(yīng)用總量的27%，但在國際管道上還鮮有應(yīng)用。

本文分析研究了我國主導(dǎo)建設(shè)的某國際長輸管道各站場的環(huán)境條件、氣質(zhì)條件、工藝參數(shù)條件、輸氣工況條件、站場配套條件等因素，基于國產(chǎn)壓縮機(jī)組的產(chǎn)品類型和發(fā)展現(xiàn)狀，并與同級別國外壓縮機(jī)組產(chǎn)品情況對比，提出了在該項(xiàng)目中配置國產(chǎn)壓縮機(jī)組的方案。

1 管道的基本情況和參數(shù)選取

該國際長輸管道全長966 km，管徑1 219 mm，壓氣站6座，設(shè)計(jì)壓力為12 MPa；最小輸量為30×108m3/a，最大輸量達(dá)到300×108m3/a；沿線地形復(fù)雜，基礎(chǔ)設(shè)施較差，壓縮機(jī)組工作環(huán)境惡劣。根據(jù)管道上游氣田相關(guān)資料，上游天然氣來氣壓力不小于7.0 MPa，溫度不高于45℃；下游的交接壓力不低于6.5 MPa，交接溫度為7.1～28.9℃。因管道內(nèi)部有涂層，管道內(nèi)壁絕對當(dāng)量粗糙度按10 μm計(jì)算。環(huán)境參數(shù)也是壓縮機(jī)組配置的重要條件，管道沿線各站場環(huán)境參數(shù)如表1所示，氣質(zhì)組分及物性參數(shù)見表2。

依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研氣象資料以及勘察資料，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際測量值，管道設(shè)計(jì)埋深處地溫及土壤導(dǎo)熱系數(shù)見表3。

表1 沿線各站場環(huán)境參數(shù)

表2 氣質(zhì)組分及物性參數(shù)

表3 管道設(shè)計(jì)埋深處地溫及土壤導(dǎo)熱系數(shù)

2 管道系統(tǒng)分析

本工程水力和熱力計(jì)算采用SPS 9.8軟件[3]。SPS仿真軟件需要輸入的基礎(chǔ)條件有以下幾類：其一，輸送氣體的組成；其二，管路結(jié)構(gòu)：管段長度、直徑，管路連接狀況，管路高程，壓氣站位置；其三，配氣數(shù)據(jù)：配氣點(diǎn)的位置、各配氣站的平均日流量和24 h實(shí)際流量或預(yù)測流量；其四，壓氣站和燃?xì)廨啓C(jī)的工況特性曲線及各種運(yùn)行條件：最小及最大轉(zhuǎn)速、喘振界線、最大功率限制曲線；其五，計(jì)算要素：空間和時(shí)間步長的選擇[4]。該軟件用于計(jì)算壓力和流量關(guān)系的水力計(jì)算公式如下：

式中：qv為氣體（P0=0.101 325 MPa、T=293 K）的流量，m3/d；P1為輸氣管道計(jì)算段的起點(diǎn)壓力（絕），MPa；P2為輸氣管道計(jì)算段的終點(diǎn)壓力（絕），MPa；a為系數(shù)，m－1，a=0.068 3（△/ZT）；△h為輸氣管道終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高差，m；d為輸氣管道直徑，cm；λ為水力摩阻系數(shù)；Z為氣體的壓縮系數(shù)；△為氣體的相對密度；T為氣體的平均溫度，K；L為輸氣管道計(jì)算段的長度，km；n為輸氣管道沿線高差變化所劃分的計(jì)算段數(shù)；hi，hi-1分別為第i分管段終點(diǎn)和起點(diǎn)的標(biāo)高，m；Li為第i分管段長度，km。

可以根據(jù)管道需要滿足的輸量由水力計(jì)算公式得出壓縮機(jī)的進(jìn)、出口壓力，從而得到所需的壓縮比，并根據(jù)壓縮比計(jì)算出各個(gè)壓氣站所需要的總功率，離心式壓縮機(jī)軸功率計(jì)算公式如下：

式中：N為壓縮機(jī)軸功率，kW；qg為天然氣流量，kg/s；K為氣體多變指數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/（kg·K）；Z為氣體平均壓縮系數(shù)；T1為壓縮機(jī)進(jìn)口氣體溫度，K；ε為壓縮比；η為壓縮機(jī)效率。

用SPS軟件對設(shè)計(jì)輸量下各個(gè)階梯輸量進(jìn)行模擬，考慮該管道輸氣量逐步增加工況較多，現(xiàn)以最苛刻條件下冬季的最大輸量為例，在夏季最大設(shè)計(jì)輸量為300×108m3/a（日輸量8 886×104m3/d）下，管道沿線各站壓力、流量變化曲線見圖1，各站的運(yùn)行參數(shù)見表4。

圖1 夏季最大設(shè)計(jì)日輸量條件下管道沿線壓力、流量變化曲線

計(jì)算后可以看出，1號壓氣站出力最多，總功率至少需要83.28 MW才能滿足輸氣要求，壓縮比達(dá)到1.82，耗氣量也最高。4號、5號壓氣站對管道出力最少，對壓縮機(jī)要求相對較低。

3 壓縮機(jī)選型分析

以管道系統(tǒng)分析作為基礎(chǔ)對壓縮機(jī)組進(jìn)行選型，按照配置方式分為機(jī)組備用、功率備用、主機(jī)備用。目前，國內(nèi)天然氣管道均采用機(jī)組備用的方式[5]，本工程也采用機(jī)組備用的方案，每座壓氣站設(shè)一臺備用機(jī)組。當(dāng)站內(nèi)機(jī)組因維修停機(jī)或失效停機(jī)時(shí)，啟動備用機(jī)組，以確保輸氣可靠性。由于工程所在地?zé)o可靠外電依托，無法使用電驅(qū)壓縮機(jī)組，燃機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組使用所輸?shù)奶烊粴庾鳛槿剂喜皇芄艿浪?jīng)過的各種外部環(huán)境的限制，因此得到了廣泛應(yīng)用，在長輸管道中占有絕對優(yōu)勢[6]，因此本工程考慮采用燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)組方案。

表4 夏季最大設(shè)計(jì)日輸量條件下各站運(yùn)行參數(shù)

目前，GE的PGT25＋SAC和RR的RB211是在長輸管道中應(yīng)用最為廣泛和最具競爭力的兩款燃機(jī)。近年來，在該功率等級中，西門子公司的SGT-600和SGT-700燃機(jī)在歐洲、中東等地區(qū)也有多臺被應(yīng)用[7]。國產(chǎn)長輸管道用燃?xì)廨啓C(jī)目前僅703所一家有產(chǎn)品（型號為CGT25），有6臺套應(yīng)用于國內(nèi)長輸管道工程。各廠家燃?xì)廨啓C(jī)基本性能參數(shù)如表5所示。

根據(jù)各個(gè)壓氣站所需要的輸出功率，結(jié)合壓縮機(jī)工作條件下海拔溫度折減效應(yīng)，對最優(yōu)的進(jìn)口機(jī)型及當(dāng)前國產(chǎn)機(jī)型做配置情況對比。僅列出最苛刻工況下設(shè)計(jì)輸量300×108m3/a時(shí)，各壓氣站推薦機(jī)組配置見表6。

經(jīng)過系統(tǒng)分析和壓縮機(jī)選型計(jì)算，在相同的機(jī)組配置下，采用國產(chǎn)燃驅(qū)30 MW級壓縮機(jī)組能夠滿足本工程大多數(shù)工況，且負(fù)荷率高于同規(guī)格進(jìn)口機(jī)組，效果較好。在最苛刻輸送條件下，3號壓氣站所需功率超出機(jī)組正常功率負(fù)荷2.8%，但是考慮到該工況在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生的時(shí)間不長，可以通過其他時(shí)段調(diào)峰來保證管道全年輸量，因此在該管道使用現(xiàn)有國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)品是可行的。

表5 各廠家燃?xì)廨啓C(jī)基本性能參數(shù)

根據(jù)管道特性及燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速性能參數(shù)，最終選擇703所的CGT25與沈鼓PCL-803組合的方案，該壓縮機(jī)在最不利條件下工況點(diǎn)見圖2。

4 結(jié)束語

除了產(chǎn)品性能以外，可靠性也是選擇壓縮機(jī)組的重要指標(biāo)，擬選的CGT-25燃?xì)廨啓C(jī)目前在長輸管道中已有6臺在運(yùn)機(jī)組，應(yīng)持續(xù)關(guān)注這些國產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的可靠性，采集足夠樣本和信息，以取得量化結(jié)論。在可靠性結(jié)論不明朗或者發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)機(jī)組可靠性低于進(jìn)口機(jī)組的情況下，建議先在對管道整體影響較小的兩座壓氣站（4號站、5號站）應(yīng)用，或考慮僅作為備用機(jī)組使用。

根據(jù)國產(chǎn)廠家發(fā)展計(jì)劃，在未來5年內(nèi)將新增33 MW等級的系列產(chǎn)品，可以完全解決本工程負(fù)荷率超限的問題。隨著技術(shù)、可靠性的提升和產(chǎn)品序列的完善，可以在該國際管道工程中根據(jù)國產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)品的發(fā)展情況，動態(tài)調(diào)整壓縮機(jī)選型策略，更好地滿足工程技術(shù)需要。