20WM 級西氣東輸國產(chǎn)化首臺(tái)套長輸管線壓縮機(jī)研制

李 亮， 王 宇， 郭 歡， 楊杰霖

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

0 引言

西氣東輸工程是由國務(wù)院批準(zhǔn)的國家級重大工程[1]。長輸管線壓縮機(jī)是西氣東輸工程天然氣長距離輸送的關(guān)鍵設(shè)備，是保證我國能源安全的大國重器，長輸管線壓縮機(jī)大多安裝在缺水少電人煙稀少的地方，自然環(huán)境惡劣，對壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行影響較大如低溫、風(fēng)載、雪載、地震等，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)既要安全、可靠、長周期運(yùn)行（四年），又要集成智能設(shè)計(jì)，還要便于安裝、維護(hù)和檢修，最終實(shí)現(xiàn)一鍵啟停及無人值守[2]。

根據(jù) 《國家能源局關(guān)于長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化工作安排的函》（國能科技〔2009〕243 號）和2009 年11 月北京釣魚臺(tái)國賓館簽訂的 《天然氣長輸管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化20MW 級電驅(qū)壓縮機(jī)組研制合同》， 沈鼓集團(tuán)承擔(dān)國產(chǎn)化20MW 級高速直聯(lián)變頻電驅(qū)壓縮機(jī)組國產(chǎn)化研制任務(wù)，應(yīng)用于西氣東輸二線東段工程[3-4]。

20MW 級高速直聯(lián)變頻電驅(qū)壓縮機(jī)組是一項(xiàng)系統(tǒng)復(fù)雜、學(xué)科交匯、技術(shù)前沿的高度集成化智能系統(tǒng)工程[5]。 機(jī)組需具備高流量、高效率、高壓力、高穩(wěn)定、高自動(dòng)、高調(diào)節(jié)范圍，且壓氣站內(nèi)多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行等特點(diǎn)。 首臺(tái)套長輸管線壓縮機(jī)組試制成功，打破了國外的長期壟斷，保證了國家的能源安全。

1 長輸管線壓縮機(jī)組

長輸管線壓縮機(jī)具體技術(shù)參數(shù)見表1。長輸管線壓縮機(jī)是壓縮機(jī)外殼垂直剖分結(jié)構(gòu)（筒型外殼），葉輪順排按流量系數(shù)由大到小逐級布置，轉(zhuǎn)子由四級葉輪組成。 天然氣首先進(jìn)入第一級葉輪進(jìn)行壓縮，然后經(jīng)過擴(kuò)壓器，隔板上的彎道，以及回流器進(jìn)入第二級，每級前后有梳齒密封密封，保證氣體很少泄露，然后依次逐級壓縮，一直壓縮至壓縮機(jī)出口法蘭處，壓縮機(jī)段間沒有中間氣體冷卻器，壓縮機(jī)入口及出口法蘭分布在機(jī)器兩側(cè)， 與機(jī)殼垂直布置， 以保證壓縮機(jī)進(jìn)氣效率以及減少壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的應(yīng)力。

表1 長輸管線壓縮機(jī)具體技術(shù)參數(shù)

長輸管線壓縮機(jī)主要由機(jī)殼、內(nèi)機(jī)殼、進(jìn)口隔板、級間隔板出口隔板、口圈密封、級間密封、干氣密封、支撐軸承、推力軸承、左右側(cè)蓋、左右端蓋等零部件組成。轉(zhuǎn)子由主軸、管線專用葉輪、隔套、平衡盤、軸套、膜盤式半聯(lián)軸器等組成，見圖1。

圖1 長輸管線壓縮機(jī)本體

1.1 壓縮機(jī)專用模型級

長輸管線壓縮機(jī)模型級流量系數(shù)范圍為φ1=0.090～0.038，無葉擴(kuò)壓器級效率為ηP=0.84～0.88， 級能頭系數(shù)為τ=0.52～0.54，機(jī)組效率達(dá)到87.5%，機(jī)組流量調(diào)節(jié)范圍45%～160%。

1.2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子

管線壓縮機(jī)的壓比較小，因此管線壓縮機(jī)的葉輪數(shù)與其它壓縮機(jī)相比葉輪較少。 通常采用2 到4 級壓縮即可。壓縮機(jī)選型原則，根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)條件計(jì)算各級流量系數(shù)。

式中：G—壓縮機(jī)進(jìn)口質(zhì)量流量；Tin—進(jìn)口溫度；R—?dú)怏w常數(shù)；Pin—進(jìn)口壓力；D2—葉輪直徑；U2—葉輪周速；K—等熵指數(shù)；s—輸入功系數(shù)；ηP—多變效率；mv—多變過程指數(shù)；Z1—壓縮性因子。 場站實(shí)際的性能需迭代計(jì)算，按上訴公式依次計(jì)算，當(dāng)本次計(jì)算Pout及上次計(jì)算的差別小于預(yù)設(shè)閾值（如1.0E-4）[6-7]，計(jì)算收斂，否則重新計(jì)算出口壓力。

1.3 壓縮機(jī)葉輪強(qiáng)度

葉輪最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為5040rpm，葉輪材料為FV520BS1，材料屈服極限為685MPa。 求解葉輪在跳閘轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力，見圖2。

圖2 最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下葉輪應(yīng)力分布云圖和葉輪軸孔變形分布放大云圖

1.4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)分析

（1）激勵(lì)點(diǎn)在內(nèi)測。激勵(lì)點(diǎn)在內(nèi)測的不平衡響應(yīng)分析，將激勵(lì)點(diǎn)作用到首級葉輪、三級葉輪以及平衡盤處，見圖3。

圖3 激勵(lì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)時(shí)轉(zhuǎn)子振幅值

（2）激勵(lì)點(diǎn)在外側(cè)。 激勵(lì)點(diǎn)在外測不平衡響應(yīng)分析，將激勵(lì)點(diǎn)作用到推力盤、二級葉輪以及聯(lián)軸器處，見圖4。

圖4 激勵(lì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)子外側(cè)時(shí)轉(zhuǎn)子振幅值

1.5 壓縮機(jī)的穩(wěn)定性分析

1.6 壓縮機(jī)機(jī)殼

壓縮機(jī)進(jìn)、出氣口水平布置方式，進(jìn)口法蘭布置機(jī)組中心線上，出口布置在機(jī)組中心線下方，該設(shè)計(jì)方式降低管道及壓縮機(jī)所受的扭矩載荷，便于壓氣站整體天然氣管路布置。 機(jī)殼與底座一體式的管道壓縮機(jī)單層布置結(jié)構(gòu)，保證壓縮機(jī)整體剛度和強(qiáng)度，結(jié)合進(jìn)、出氣口氣體壓力對壓縮機(jī)殼體作用機(jī)理、地震反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建出機(jī)殼與支腿焊接的新結(jié)構(gòu)形式，定位采用新型定位銷結(jié)構(gòu)， 保證壓縮機(jī)整體結(jié)構(gòu)在7 級8 度烈度的強(qiáng)地震破壞下仍可安全運(yùn)行。

1.7 壓縮機(jī)專用工具

管線壓縮機(jī)組機(jī)芯重量高達(dá)20t，結(jié)構(gòu)精度高，裝配難度大。 為降低裝拆難度，適應(yīng)壓氣站場惡劣裝拆條件，設(shè)計(jì)了電動(dòng)管線壓縮機(jī)機(jī)芯液壓輔助拆裝機(jī)構(gòu)。 經(jīng)過車間多次裝配驗(yàn)證， 該液壓裝拆機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大型管線壓縮機(jī)機(jī)芯裝配過程的自動(dòng)推進(jìn)，見圖6。

圖5 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖6 管線壓縮機(jī)裝配過程模擬圖

1.8 壓縮機(jī)性能曲線

根據(jù)場站最終參數(shù)，繪制壓縮機(jī)工況的性能曲線。 圖7 為8293-S 工況壓縮機(jī)性能曲線， 圖8 為8000-W 工況壓縮機(jī)性能曲線。

圖7 8293-S 工況壓縮機(jī)性能曲線

2 壓縮機(jī)72h 性能試驗(yàn)

鑒于機(jī)組的重要性質(zhì)，考慮場站的施工條件，機(jī)組需在制造廠進(jìn)行72h 性能測試以及機(jī)組的穩(wěn)定性測試工作。 72h 性能測試采用代用氣體氮?dú)獍碅SME PTC-10 進(jìn)行進(jìn)行閉式循環(huán)性能測試試驗(yàn). 閉式循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)組成主要設(shè)備由壓縮機(jī)、齒輪箱、變頻器、管路、試車油站等組成，進(jìn)口管路圓周方向上布置2 個(gè)測流量的流量計(jì)，出口管路圓周方向上布置由調(diào)節(jié)流量的閥門、換熱器、放空閥、安全閥等，出口氣體經(jīng)換熱器冷卻后回到壓縮機(jī)進(jìn)口，進(jìn)口管路與出口管路相連，形成一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)[8]。

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)介質(zhì)：氮?dú)?，?dāng)量轉(zhuǎn)速n=3811r/min，進(jìn)口壓力P1=980.7kPa（A），進(jìn)口溫度t1=40℃。

2.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

試驗(yàn)用氮?dú)庥梢旱圮噷ｉT運(yùn)輸并送入液氮儲(chǔ)氣罐，液氮儲(chǔ)氣罐中液氮經(jīng)液氮泵加壓打到氮?dú)庹舭l(fā)器中，經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)充入氮?dú)飧邏簝?chǔ)氣罐中，再由高壓儲(chǔ)氣罐經(jīng)自動(dòng)電動(dòng)補(bǔ)加氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)送入閉式循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)中[8]。機(jī)組未啟動(dòng)時(shí)向封閉式回路充入保證足夠充足的氮?dú)猓瑱z查各法蘭連接處，及管道本身不得有漏氣現(xiàn)象[9]。當(dāng)管路內(nèi)壓力達(dá)到試驗(yàn)條件后，開啟壓縮機(jī)緩慢調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速。確認(rèn)機(jī)組正常平穩(wěn)運(yùn)行30min 后， 檢查機(jī)組轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值及各軸承瓦溫，正式進(jìn)入氣動(dòng)性能試驗(yàn)。 整個(gè)試驗(yàn)過程通過電動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)氣裝置保持進(jìn)口壓力試驗(yàn)條件的壓力值，通過調(diào)節(jié)冷卻水水量控制換熱器溫度使進(jìn)口氮?dú)鉁囟确显囼?yàn)條件。在進(jìn)口壓力不變情況下，用出口閥來調(diào)節(jié)出口壓力，工況點(diǎn)包括滯止流量點(diǎn)、設(shè)計(jì)點(diǎn)和喘振點(diǎn)等五個(gè)工況點(diǎn)。 每個(gè)工況點(diǎn)待溫度穩(wěn)定后（大約需30min）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 其中最小流量工況為喘振工況，要經(jīng)過至少三次重復(fù)驗(yàn)證.在上述測試中，為確定其喘振線，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)情況下， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在70%、90%、100%額定轉(zhuǎn)速情況下，進(jìn)行喘振線的測試。試驗(yàn)完畢將出口調(diào)節(jié)閥門打開，并緩慢打開放空閥，壓力降至安全壓力后即可停車。

2.3 穩(wěn)定性測試

試驗(yàn)設(shè)備包括示波器、差分探頭、溫槍、轉(zhuǎn)速表等。在高壓變頻器和電機(jī)置于全速全功率（4800rpm，18MW）工況條件下，使其恒負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行72h，檢驗(yàn)其是否有故障發(fā)生。在整個(gè)試驗(yàn)過程中每隔1～2h 測量系統(tǒng)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度等。觀察變頻器運(yùn)行狀態(tài)和功率單元顯示狀態(tài)與實(shí)際是否相符。 同時(shí)通過UCS 系統(tǒng)監(jiān)測整個(gè)壓縮機(jī)電驅(qū)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。 在高壓變頻器和電機(jī)置于全速全功率（4800rpm，18MW）工況條件下，恒負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行72h 不應(yīng)發(fā)生任何故障， 壓縮機(jī)組經(jīng)72h 運(yùn)轉(zhuǎn)完全符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)有關(guān)專家鑒定性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

3 重大意義

長輸管道壓縮機(jī)組的研制成功， 改變了中國能源裝備長期以來受制于人的被動(dòng)局面， 提升了壓縮機(jī)輸送領(lǐng)域整體技術(shù)水平和國際競爭力，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，帶動(dòng)了鋼鐵、建材、石油化工、電力等相關(guān)行業(yè)發(fā)展，對促進(jìn)了我國工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

從國際能源需求趨勢來看，天然氣的增長速度將會(huì)快于石油。 美國殼牌公司天然氣的產(chǎn)值已經(jīng)超過石油，而且這種趨勢還在擴(kuò)大。 從天然氣的勘探情況來看，其儲(chǔ)量要多于石油。 西氣東輸工程目前是1 線、2 線，將來還要陸續(xù)上馬3 線、4 線。 將天然氣從新疆輸送到上海、湖南、江西、廣東，最后到香港，因此，20WM 級天然氣管道壓縮機(jī)研制成功具有廣闊的市場前景，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。

4 結(jié)論

該機(jī)組研制成功， 解決了管道壓縮機(jī)研制過程中的核心技術(shù)難題， 提升了我國長輸管道壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造水平，形成了新的輸氣壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，提高了我國企業(yè)和相關(guān)行業(yè)競爭能力，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)行業(yè)技術(shù)跨越和技術(shù)進(jìn)步。經(jīng)行業(yè)相關(guān)專家鑒定20MW 級長輸管線壓縮機(jī)性能指標(biāo)完全符合合同要求，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。