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天然气系统相关设备压缩机及驱动设备一、压缩机压缩机是一种以内燃机或电动机为动力，将常压气体压缩成高压气体而具有气流能的一种动力装置。在天然气输配系统中，压缩机用来压缩天然气，提高天然气的压力或输送能力，以及在清扫管线的时候也常常用压缩机输送压缩气体把管线中的杂质顶替出去，以免堵塞管线。因此常常将压缩机比喻成管道输送的心脏。压缩机种类很多，按工作原理大体上可以分为容积型压缩机和速度型压缩机两大类。(1) 容积室压缩机是依靠容积的周期性变化来实现气体的增压和输送的。气体压力的提高是由于气体受到压缩，气体体积缩小，单位体积内气体分子的密度增加而形成的。按照活塞的运动方式，又可以分为往复活塞式和回转活塞式两种结构型式的压缩机。活塞式依靠活塞在汽缸内往复运动而实现工作容积的周期性变化；回转式则借助转子在汽缸内做回转运动来实现容积周期性变化。(2) 速度式压缩机气压的提高是由于先使气体分子获得一个很高的速度，然后让气体停滞下来，使动能转化为位能，即使速度转化为压力。速度式压缩机主要有离心式和轴流式两种型式。目前，天然气管道系统中用得较多的是往复活塞式压缩机和离心式压缩机，而它们大致的适用范围如图5-40所示。1. 往复活塞式压缩机 往复活塞式压缩机是容积式压缩机的一种，它靠改变工作腔的容积，将周期性吸入的定量气体压缩。往复活塞式压缩机的型号表示如下：例如，4M12-100/42表示4列，M型对称平衡式，活塞力为12104N，排气量为100m3/min，排气压力为4.2MPa的活塞式压缩机。往复活塞式压缩机主要结构由机身、曲柄、连杆、活塞、汽缸、进气阀、排气阀以及冷却、润滑系统和安全调压系统等组成。按其结构型式可以分为立式和卧式两种。一般卧式压缩机的排量都比立式大，大排量的往复压缩机设计成卧式结构，使运转平稳，安装方便。一般无油润滑的往复压缩机设计为立式结构，可减少活塞环的单边磨损。往复式压缩机的工作原理为：曲柄连杆机构将原动机的回转运动转变为活塞在汽缸中的往复运动。当活塞下行时，汽缸内容积增大，压力降低，当汽缸内压力略低于进口管路系统中的压力时，排气阀关闭，吸气阀被打开，气体便进入汽缸内，这个过程称为吸气过程；当活塞返行时，汽缸容积缩小，压力升高，吸气阀关闭(由于排气管内压力高，所以排气阀不能开启)，吸入的气体在汽缸内被活塞挤压，这个过程称为压缩过程；当汽缸内气体压力被压缩到略高于出口管路系统的压力后，排出阀即被打开，被压缩的气体排出，这个过程称为排气过程。至此完成一个工作循环。活塞再继续运动，上述工作循环周而复始地进行，不断地完成进气、压缩和排气。往复活塞式压缩机的汽缸有单作用和双作用形式。单作用是只有汽缸一侧才有进、排气阀，活塞经过一次循环，只能压缩一次气体。双作用则是汽缸的两侧都有进、排气阀，活塞往复运动时，都可以压缩气体。往复压缩机可以有单级和多级压缩。往复压缩机的压比通常是3:1或4:1，在理论上往复式压缩机压比可以无限制，但太高的压比会使热效率和机械效率下降，而且会导致较高的机械应力和排气温度，一般排气温度都限制在180205以下，实际运行中的压缩机排气温度更低。压缩机每级增压不超过7MPa，小型压缩机最高出口压力不超过40MPa，大型的不超过20MPa，流量范围为0.385m3/min。往复式压缩机的转速为125514r/min，活塞速度大都为3.54.25m/s，气体通过气阀的速度在22.540m/s之间。往复压缩机的运转速度比较慢，一般在中、低速情况下运转。新型的往复压缩机可改变活塞行程。通过改变活塞行程，使压缩机既可以适应满负荷状态运行，也适应部分负荷状态下运行，减少运行费用和减少动力消耗，提高系统的经济性，使运转平稳、磨损减少，不仅提高设备的可靠性，也相应延长了压缩机的使用寿命。往复式压缩机的综合热效率为0.750.85。由于往复式压缩机有效率高、耐久可靠压力范围宽、流量调节方便等优点，在气田内部集输和储气库上得到了广泛应用，在流量不大于8106m3/d，而压比较高的输气管道也有使用。现在新型的往复压缩机更是以效率、可靠性和可维修性作为设计重点：效率超过0.95，具有非常高的可靠性；容易维护，两次大修之间的不间断运行时间可在三年以上。往复式压缩机的缺点是结构复杂、体积庞大、维修工作量大，由于动力不平衡性和气流脉冲作用，要求设备基础和管道安装抗振措施，另外还有吸排气阀易于磨损，零部件更换频繁的缺点。图5-41为往复式管道用压缩机剖面图。往复式压缩机所作理论功率按下式计算：式中N压缩机的理论功率，kW，压缩机压比，p2/p1；p2压缩机出口状态下压力，Pa；p1压缩机进口状态下压力，Pa；K气体绝热指数；V1气体在吸入状态下体积流量，m3/s。往复式压缩机实际所需功率：式中NS压缩机的实际所需功率，kW；g压缩机机械效率，对大中型压缩机g=0.90.95，对小型压缩机g=0.850.9；c压缩机传动损失，皮带传动c=0.960.99，齿轮传动c=0.970.99，直联c=1.0。往复压缩机升温计算：式中T2压缩机气体出口温度，K；T1压缩机气体进口温度，K。2. 离心式压缩机离心式压缩机是速度式压缩机的一种，它是输气管道中使用最多的机型。离心式压缩机的型号表示如下：例如：DA 120-121，表示排气量为120m3/min，叶轮数为12个(12级)，设计序号为1的离心式压缩机。离心式压缩机，主要结构由转子部件和固定部件两部分组成。转子部件包括主轴、叶轮、平衡盘、推力盘等。固定部件包括壳体(汽缸)、扩压器、吸气室、弯道、回流器、蜗室、密封和轴承等。离心式压缩机的壳体有整体型和分开型。整体型离心压缩机的壳体实际上是圆柱形的壳体，转子安装时为竖直安装。分开型壳体是水平剖分，上下两半组合起来，转子安装时可水平安装，转子安装好后，将上半部分壳体再连接上。离心压缩机的主轴密封装置是非常重要的部件，能防止被压缩的气体向外泄漏，使泄漏量控制在允许的范围内。轴封主要有三种型式：机械接触密封、气体密封和浮动密封。机械密封经过不断的改进，能确保在运转和停机期间不泄漏。气体密封结构采用干燥气体作密封材料，密封结构能控制密封气体只允许泄漏到环境中，而不能向机内泄漏。密封的气体通常是一前一后地布置。气体缓冲系统应具有良好的过滤能力，能防止外来物体进入密封装置。在轴承盒和密封盒之间，有一个附加的隔离密封，防止润滑油进入密封盒。浮动密封主要用于排气压力较低的机型，允许有少量的气体泄漏。 离心式压缩机的工作原理为当主轴带动叶轮旋转时，气体由吸气室吸入，通过高速叶轮对气体做功，使气体的压力、速度、温度得到提高。当气体以很高的速度被离心力甩出叶轮后，进入扩压器中。在扩压器中由于有宽的通道，气体的部分动能转变成压力能，速度降低而压力提高。接着通过弯道和回流器又被第二级吸入，通过第二级进一步提高压力。依次逐级压缩，一直达到额定压力，最后经排气管输出。由于气体压缩后温度升高，为了降低压缩高温气体时的功耗，在压缩过程中还采用中间冷却器冷却高压气体。离心式压缩机有单级和多级之分，图5-42为单级离心式压缩机剖面图，图5-43为多级离心式压缩机剖面图。单级压缩机用于压比较小的场合，为了提高压比，离心式压缩机又做成多级叶轮。但由于轴承间的跨度不能太大，故叶轮最多能达68级。离心压缩机每级压比在1.11.5之间，出口温度为205232，吸气量范围为145660m3/min。离心式压缩机的特点是排量大，结构简单紧凑，摩擦部件少，无往复运动，工作时较平稳，无流量脉冲现象，操作灵活，易于实现自动控制，维修工作量大大低于往复式压缩机。其缺点是效率较低，一般只能达到75%78%，而且偏离额定工作点越远，效率越低，当流量降低到某一数值时还会发生喘振现象；高效工作范围窄，相对于往复式压缩机来说调节困难。现在的新型离心式压缩机采用高精度的流线型叶轮，能确保气体流动的平滑，使设备运转平稳，提高了设备的可靠性。特别是具备空气动力特性的弹性设计，使动力学特性可以调节，使之适合用户的工作要求，效率提高，能达80%90%。离心压缩机的理论功率按下式计算：式中N离心压缩机的理论功率，kW；离心压缩机压比，p2/p1；p2离心压缩机出口状态下压力，PaP1离心压缩机进口状态下压力，Pa；m离心压缩机多变指数；p离心压缩机多变效率；V1气体在吸入状态下体积流量，m3/s。多变效率和多变指数m和绝热指数k有如下关系：离心压缩机升温计算：式中T2离心压缩机气俸出口温度，K；T1离心压缩机气体进口温度，K。在天然气系统中，为了保证管线最佳压比，通常用两台或三台串联运行。对于多级压缩的情况，应根据每级压缩后中间是否有冷却分段计算。在天然气系统中用来驱动压缩机的原动机主要是电动机、天然气发动机和燃气轮机。1. 电动机电动机既可以驱动往复式压缩机，也可驱动离心式压缩机。特别是在燃气发动机和燃气轮机被广泛用于输气管道前，它使用得较多。目前，在容易获得电源，且电价便宜的地方仍有使用。电动机的主要优点是结构紧凑，体积小，投资省，运转平稳，便于自动控制，操作简单，工作可靠性高，寿命长。缺点是调速困难，同步电动机本身不能调速，要通过一套变速装置来实现增速或减速；变速装置要适应压缩机的负荷变化，进行无级变速相当困难；当电源较远或电力不足，需要专门建设电站使得投资费用增大；若不专门建电站，一旦停电会使压缩机停运。因此电动机驱动只有在近邻电源、电价又便宜的情况下考虑。2. 燃气发动机燃气发动机是一种以天然气和其他混合气体为燃料，靠火花塞点燃的活塞式内燃机。燃气发动机由燃料气系统、冷却系统、启动系统、余热回收系统组成，其基本原理和汽油机相同。燃气发动机按工作循环、吸气方式、转速以及结构的不同，可分为多种型式。燃气发动机的主要优点是热效率高，一般可达35%37%，若进行余热回收时，热效率可达40%，燃料气消耗低，可直接和往复式压缩机连接而不需变速，调节方便。缺点是机器笨重，占地面积大，结构复杂，易损件多，安装维修费用高，辅助设备繁杂，运行振动、噪声大，单机功率比燃气轮机小，不易与离心式压缩机原配，因此只宜在压比要求高的中小型压气站和储气库中用来驱动往复式压缩机。如图5-44为燃气发动机一往复式压缩机组示意图。为了提高效率和单机功率，目前国外在大型机中有用燃气发动机增压型的，即空气在进入发动机汽缸前进行增压。增压在涡轮增压器内进行，涡轮增压器用燃烧后的废气驱动，利用废气的降压和降温作能量。3. 燃气轮机燃气轮机是由蒸汽机演变来的。它们的作用原理就是把气体的内能转化成机械能，只不过蒸汽轮机的工质蒸汽由外界供给，而燃气轮机的工质燃烧后的气体是由燃气轮机本身的燃烧室所产生。目前，燃气轮机是输气管道中使用最为广泛的原动机。其主要特点是装置紧凑，结构简单，与其他的原动机比具有更小的体积和重量，安装维修方便，启动快，转速高，可与离心式压缩机直接连接，辅助设备较燃气发动机少，运行可靠，且易于实现自动控制。其缺点是热效率较低，没有废热利用回收的小型机，效率一般在26%以下，有余热回收的可达26%30%。燃气轮机的主要组成部分是空气滤清室、空压机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮(高压涡轮带动轴流式空压机，低压涡轮带动离心式压缩机)等。燃气轮机按结构形式可分为双轴和单轴。双轴式天然气离心压缩机和低压涡轮连成一轴，另一轴连接高压涡轮和轴流式空压机，高低压涡轮之间没有机械连接，双轴的好处是可以实现轴流风机和离心压缩机的单独调节，当离心式压缩机工况发生变化时，轴流风机不受影响，可以由任何转速来保证燃烧室的空气供给量，并且能实现全压启动和停车，加载过程平稳，可提高压缩机的抗喘振性能，因此在输气管道中普遍采用双轴式机组。单轴式是把燃气轮机和离心式压缩机转轴机械连在一起，由于轴流式风机的可调范围比离心式压缩机窄很多，因此令整个机组的调节变窄，但这种机组比双轴机结构简单，安装费用和造价也较低，适合在工况变化不大的场合使用。最初的燃气轮机是没有废热利用的，为了克服它效率低的缺点，经过长期研究改进，目前已发展成多种余热利用型式的机组，如大型天然气发电厂的余热再循环机组，总的热效率可达50%左右，一般简单的余热利用也可使机组热效率提高5%，这在燃料不断涨价的情况下，对提高经济效益是显著的。但机组造价要比余热利用高得多，尤其是小型快装式机组，也许能耗降低的费用还抵偿不了造价增加的费用，在输气管上使用的燃气轮机大都为中小型，因此是否采用余热利用式应根据燃料价格和机组造价的实际情况进行综合技术经济比较。图5-45为带有回热利用装置的燃气轮机热流程图。燃气轮机原先都是固定型重型结构，自从出现由航空发动机改型的机组后，就分为重型结构(工业型)和轻型结构(航空改进型)两种，航空改进型机组重量只有工业型的1/31/2。近年来由于技术进步，轻型机组的重量轻、体积小、功率大等优点更为突出，且易于安装和整体更换的便利条件越来越多的被应用于输气管道。图5-46为双轴轻型燃气轮机-离心式压缩机组，图5-47为双轴重型燃气轮机一离心式压缩机组。三、压缩机组的选择压缩机是天然气系统流程中的关键设备之一，输气系统安全可靠的运行很大程度有赖于压缩机组的性能。同时，压气站的投资一般能占输气管总投资的20%25%，经营费