天然气与管道节能监测技术

1、 一、开展节能监测的目的和意义 对于长输天然气管道，投产运行后最大的花费就在压缩机组的运行维护上，这其中，压缩机组的运行效率不但能够直观地反映设备是否节能，还能反映出设备的运行状况，对其进行监测对压缩机组的管理与节能具有十分重要的意义。同样，机组效率提高所带来的经济效益也是十分显著的。 据估算：对于燃机型号为PGT25+、压缩机型号为PCL803的机组，效率每提高1个百分点，可节约燃料气300Nm3/h，也即7200Nm3/天。 二、压缩机、燃气轮机概述（一）压缩机1、压缩机的分类： 按工作原理分类按工作原理分类（1）容积式压缩机 直接对一可变容积中的气体进行压缩，使该部分气体容积缩小、压力提

2、高。其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔。（2）透平式压缩机 它首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能；然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减小。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。动力式压缩机也称为速度式压缩机。二、压缩机、燃气轮机概述（一）压缩机1、压缩机的分类：气体压缩机气体压缩机容积式透平式往复式回转式活塞式柱塞式隔膜式罗茨式叶氏式螺杆式滑片式离心式轴流式斜流式复合式二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述2、离心式压缩机工作原理： 气体由吸气室吸入，通过叶轮对气体做功，使气体压力

3、、速度、温度提高。然后流入扩压器，使速度降低，压力提高。弯道和回流器主要起导向作用，使气体流入下一级继续压缩。最后，由末级出来的高压气体经涡室和出气管输出。 由于气体在压缩过程中温度升高，而气体在高温下压缩，消耗功将会增大，为了减少压缩耗功，故对压力较高的离心式压缩机在压缩过程中采用中间冷却器，即由某中间级出口的气体，不直接进入下一级，而是通过蜗室和出气管，引到外面的中间冷却器进行冷却，冷却后的低温气体，再经吸气室进入下级压缩。 离心式压缩机零件很多，这些零件又根据它们的作用组成各种部件。我们把离心式压缩机中可以转动的零部件统称为转子，不能转动的零、部件称为定子。二、压缩机、燃气轮机概述（1）

4、优点 排气量大，排气平稳、均匀。最大可达1217万立方米/小时。工作压力达：1535MPa,最高达70MPa。 转速高、功率大。一般在10000转/分以上，可用汽轮机、燃气轮机直接驱动。 结构紧凑、体积小、重量轻、占地面积少。运转性能好。易损件少，维修方便。可保持23年运行。（2）缺点 单级压力比不高。高压时需要多级串联，大于 70MPa时只能使用活塞式压缩机。 不适应小排量工况。 效率较活塞式压缩机低，噪音大。 操作、管理、维修技术要求高。3、离心式压缩机的优缺点：二、压缩机、燃气轮机概述 离心压缩机的的品种和型号很多，但就其最基本的组成而言，主要有定子和转子两部分组成。 定子部分：（1）气

5、缸：是压缩机的壳体，又称为机壳。由壳体和进排气室组成，内装有隔板、密封体、轴承等零部件。对它的主要要求是：有足够的强度以承受气体的压力，法兰结合面应严密，主要由铸钢组成。4、压缩机结构：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述（2）隔板：隔板是形成固定元件的气体通道，根据隔板在压缩机所处的位置，隔板可分为4种类型：进口隔板、中间隔板、段间隔板、排气隔板。进气隔板和气缸形成进气室，将气体导流到第一级叶轮入口，对于采用可调和欲旋的压缩机，在进气隔板上还可装上可调叶片，以改变气流的方向。中间的隔板用处有2个，一是形成扩压室，使气体流出后具有的动能减少，转变成压强的增高：二是形成弯到流向中心，

6、流到下级叶轮入口。段间隔板的作用是指在段间对排的2MCL、2BCL型压缩机中分隔两段排气口。排气隔板除了与末级叶轮前隔板形成末级扩压式之外，还要形成排气室.二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述（3）密封： 密封有隔板密封、轮盖密封和轴端密封。密封的作用是防止气体在级间倒流及向外泄漏。为了防止通流部分中的气体在级向倒流，在轮盖处设有轮盖密封。在隔板和转子之间设有隔板密封。这两种密封统称为内密封。 为了减少和杜绝机器内部的气体向外泄漏，或外界空气向机器内部窜入，在机器端安置端密封。这种密封称为外密封。 最常用的是迷宫密封，密封片为软金属制成，将它嵌入密封体内。由于密封片较软，当转子发生

7、振动与密封片相碰时，密封片易磨损，而不致使转子损坏。 密封的作用原理：是利用气流经过密封时的阻力来减少泄漏量。 二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述 （4） 扩压器： 气体从叶轮流出时，它具有较高的流动速度，为了充分利用这部分速度能，常常在叶轮后面设置了流通面积逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能，以提高气体的压力。 一般有无叶型、叶片型、直壁型扩压器等多种形式。 （5） 弯道： 在多级离心式压缩机中，气体欲进入下一级就必须拐弯，为此要采用弯道。弯道是由机壳和隔板构成的弯环形通道空间。 二、压缩机、燃气轮机概述 （6） 回流器： 回流器的作用是使气流按所需要的方向均匀地进入下

8、一级。它由隔板和导流叶片组成。通常，隔板和导流叶片整体铸造在一起。隔板借销钉或外缘凸肩与机壳定位。 （7） 蜗室： 蜗室的主要目的是把扩压器后面或叶轮后面的气体汇集起来，把气体引导到压缩机外面去，使它流到气体输送管线或流到冷却器去进行冷却。此外，在汇集气体的过程中，在大多数情况下，由于蜗室外径的逐渐增大和通流截面的渐渐扩大，也对气流起到一定的降速扩压作用。 二、压缩机、燃气轮机概述转子部分：（1）主轴： 压缩机的关键部件，主要起到装配叶轮、平衡盘、推力盘的作用，是转子部分的中心部位。二、压缩机、燃气轮机概述（2）叶轮： 叶轮又称工作轮，是压缩机的最主要的部件。叶轮随主轴高速旋转，对气体做功。气

9、体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，受旋转离心力的作用以及叶轮里的 扩压流动，在流出叶轮时，气体的压强、速度和温度都得到提高。 按结构型式叶轮分为开式、半开式、闭式三种，在大多数情况下，后二种叶轮在压缩机中得到广泛的应用。二、压缩机、燃气轮机概述（3）平衡盘： 平衡盘又名卸荷盘，压缩机的平衡盘一般装载汽缸末级的后面，他的一侧受末级的气体压力，另一侧受常与机器的吸气室相通，平衡盘的外圆上一般都有迷宫密封装置使盘两侧维持压差。（4）推力盘： 推力盘主要承受推力轴承的轴向力，它分为上下两半，由光洁度很高的不锈钢板材经线切割制造而成。其两侧分别为推力轴承的正副止推块。推力盘有的设置在压缩机的高压

10、端有的设置在机组的压缩机的两段之间二、压缩机、燃气轮机概述5、常用名词：（1）级：每一级叶轮和与之相应配合的固定元件（如扩压器等）构成一个基本的单元，叫一个级。（2）段：以中间冷却器隔开级的单元，叫段。这样以冷却器的多少可以将压缩机分成很多段。一段可以包括很多级。也可仅有一个级。（3）标态：0，1标准大气压（1954年第十届国际计量大会(CGPM)协议的标准状态）。（4）进气状态：一般指进口处气体当时的温度、压力。二、压缩机、燃气轮机概述（5）质量流量：单位时间内流过气体的重量。（6）体积流量：单位时间内流过气体的体积。（7）表压（G）：以当地大气为基准所计量的压强。（8）绝压（A）：以完全真

11、空为基准所计量的压强。（9）真空度：与当地大气负差值。（10）压比：出口压力与进口压力的比值。（11）比容：单位质量的物质所占有的容积，符号V表示，数值为密度的倒数。二、压缩机、燃气轮机概述6、离心式压缩机性能参数： 离心压缩机的主要性能参数是流量、排气压力、有效功率、效率、轴功率、转速、压缩比和温度。（1）流量：单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体量，通常以体积流量和质量流量两种方法来表示。 体积流量是指单位时间内流经压缩机流道任一截面的气体体积，其单位为m/h。因气体的体积随温度和压力的变化而变化，当流量以体积流量表示时，须注明温度和压力。 质量流量是指单位时间内流经压缩机流道任一截面的

12、气体质量，其单位为kg/h。二、压缩机、燃气轮机概述（2）排气压力:即指压缩机出口压力。（3）有效功率：有效功率是指在气体的压缩过程中，叶轮对气体所作的功，绝大部分转变为气体的能量，另有一部分能量损失，该损失基本上包括流动损失、轮阻损失和漏气损失三部分，我们将被压缩气体的能量与叶轮对气体所作功的比值称为有效功率。 （4）轴功率：离心式压缩机的转子在为气体升压提供有用功率，以及在气体升压过程中产生的流动损失功率、轮阻损失功率和漏气损失功率外，其本身也产生机械损失，即轴承的摩擦损失，这部分功率消耗约占总功率的2%3%。如果有齿轮传动，则传动功率消耗同样存在，约占总功率的2%3%。以上六个方面的功率

13、消耗，都是在转子对气体作功的过程中产生的，它们的总和即为离心式压缩机的轴功率。轴功率是选择驱动机功率的依据。二、压缩机、燃气轮机概述（5）效率：效率主要用来说明传递给气体的机械能的利用程度。由于气体的压缩有等温压缩、绝热压缩和多变压缩等三种过程，所以，压缩机的效率也有等温效率、绝热效率和多变效率之分。 1）等温效率 是指气体在压缩过程中，等温压缩功和叶轮对气体所作功的比值。 2）绝热效率 是指气体在压缩过程中，绝热压缩功和叶轮对气体所作功的比值。 3）多变效率 是指气体在压缩过程中，多变压缩功和叶轮对气体所作功的比值。二、压缩机、燃气轮机概述（6）转速：转速是指压缩机转子旋转的速度。其单位是r

14、/min。（7）压缩比：出口压力与进口压力的比值。（8）温度：一般用t表示，工程上也用绝对温度T（单位为K）来表示，两者换算关系为T=t+273。二、压缩机、燃气轮机概述7、离心式压缩机性能曲线：（1）工况：性能曲线上的某一点即为压缩机的某一运行工作状态(简称工况) 。（2）最佳工况点：通常将曲线上效率最高点称为最佳工况点，一般应是该机器设计计算的工况点。如图所示，在最佳工况点左右两边的各工况点，其效率均有所降低。（3）稳定工作范围：压缩机性能曲线的左边受到喘振工况的限制，右边受到堵塞工况限制，在这两个工况之间的区域称为压缩机的稳定工作范围。压缩机变工况的稳定工作范围越宽越好。二、压缩机、燃气

15、轮机概述喘喘振振工工况况堵堵塞塞工工况况二、压缩机、燃气轮机概述8、影响效率的因素：（1）压缩机的进气量减小，如进口滤网堵、进气叶轮，扩压器流道堵或有异物。（2）压缩机的进气温度升高，如换热器的换热效果降低。 （3）级间密封泄漏严重。 （4）机械部件产生的摩擦等负面影响。 二、压缩机、燃气轮机概述序号序号项目项目燃驱机组燃驱机组电驱机组电驱机组1能量来源管线内天然气电厂供电2大气温度影响大小3海拔高度影响大小4运行效率低高5速度调节精度一般较高6现场排放大量烟气电磁辐射7噪声大较小8现场仪表多少9维护周期短较长（二）燃气轮机1、驱动方式对比：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、

16、压缩机、燃气轮机概述 压气机从外部吸入空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行燃烧，生成的高温、高压烟气进入透平（涡轮）膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，从而使得转子旋转做功。转子做功的大部分（现时情况下约2/3左右）用于驱动压气机，另约1/3的功被输出用来驱动机械设备，如发电机、泵、压缩机等等。透平出来的烟气温度很高，可再利用（如利用余热锅炉进行余热回收利用）或直接排入大气（如航空发动机）。2、燃气轮机工作原理：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述 燃气轮机是以气体为工质、内燃

17、连续旋转、叶轮式旋转机械。主要有压气机、燃烧室和燃气透平三大主要部件组成，还包括燃料系统、润滑系统、启动系统、调节及保护系统、进气过滤系统、附件齿轮箱等辅助系统。3、结构：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述 压气机负责从周围大气中吸入空气，增压后供给燃烧室。为了生成高压空气，压气机装有多级叶轮，若干叶轮固定在压气机的转轴上构成压气机转子,转子上的叶片称为动叶。 在每两级动叶之间有一组静止的叶片（简称静叶），一组动叶与后面相邻的静叶，称为压气机的一个级。多数燃气轮机的压气机有十几级，高速旋转的动叶把空气从进气口吸入压气机，经过一级又一级的压缩，变成高压空气。

18、由于压气机内气体流动方向与旋转轴平行，称为轴流式压气机。燃气轮机启动时，先把发电机当作电动机带动压气机旋转，把空气压入燃烧区。燃机点火后，则逐渐转变至由透平带动压气机旋转压气。（1）压气机：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述 燃烧室是燃气轮机能量转化的部件，燃料的化学能转变为热能进入透平空间膨胀做功，最终热能转变为机械能带动发电机转子旋转。燃烧室和透平承担着1000以上的高温。机组容量不同，燃烧器的数量也不同。不同的机组燃烧室的结构也不同。基本包括火焰筒、联焰管过渡段、燃料喷嘴。（2）燃烧室：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述 透平是将压气机

19、和燃烧器产生的高温高压燃气热能转变为机械能的设备。透平由转子和气缸组成。透平转子一般是3-5级，容量越大的机组转子的级数越多。气缸分为上气缸和下气缸，气缸的内部圆周上安装静止叶片，气缸上的静叶片组分别和转子的动叶组构成一级。（3）燃气透平：二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述二、压缩机、燃气轮机概述 燃烧室和透平不仅工作温度高，而且还承受燃气轮机在起动和停机时，因温度剧烈变化引起的热冲击，工作条件恶劣，故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。 为确保有足够的寿命，这两大部件中工作条件最差的零件如火焰筒和叶片等，须用镍基和钴基合金等高温材料制造，同时还须用空气冷却来降低工作温度。二、压缩

20、机、燃气轮机概述附件传动系统附件传动系统启动和盘车系统启动和盘车系统润滑油系统润滑油系统液压油系统液压油系统控制油系统控制油系统燃料系统燃料系统危险气体检测系统危险气体检测系统雾化空气系统雾化空气系统冷却和密封系统冷却和密封系统闭式循环水系统闭式循环水系统消防系统消防系统通风照明系统通风照明系统压气机清洗系统压气机清洗系统压气机抽气处理系统压气机抽气处理系统油雾分离及重油处理系统油雾分离及重油处理系统注水系统注水系统（4）辅助系统：辅助系统二、压缩机、燃气轮机概述4、PGT25+型和Titan130型：（1）PGT25+燃气轮机是PGT25的第一种改进型，采用了LM2500+功率增大型燃气轮机

21、的燃气发生器，压气机级数改为17级，增压比有所增加，额定功率增加到30MW级，效率增加到41%，排气流量有所增加，动力涡轮设计转速降低到6100r/min，维护性和适用性进一步提高。PGT25+SAC中SAC指标准环形燃烧室，在使用SAC时，采用气体燃料可使氮氧化合物降低至25ppm，因此这使得PGT25型燃气轮机具有低排放的特点。LM2500燃气轮机由TF-39航空涡轮风扇发动机或CF6-6民用航空发动机改装而成，改装时去掉前风扇，加上前、后框架和进、排气管。 二、压缩机、燃气轮机概述（2）Titan 130是一种双轴工业用燃机，该燃机具有良好的维修性，有60个孔探仪检查口直达整个空气和燃气

22、通道，可对轴流式压气机、燃烧室和其他热端部件进行检查。冷端驱动的Titan 130燃机有3级涡轮，第1、第2级导向器和第1级涡轮工作叶片为气冷，这种方式寿命长、耐久性好。该类型燃机热效率可以达到36%，在功率14.515MW等级工业燃机中热效率最高、污染最低。 二、压缩机、燃气轮机概述5、影响燃气轮机效率的因素：（1）运行负荷的影响。运行负荷越大，不参与燃烧的空气量越少，燃气轮机的温比越大，效率越高。（2）环境温度的影响。环境气温越高，效率越低。环境温度每升高1，燃气轮机的输出功率下降接近1%。（3）环境气压的影响。气压升高时，效率增大。（4）压气机叶片积垢的影响。燃料空气进口过滤器过滤效果下

23、降时，压气机叶轮表面容易积垢，是的流通面积减小阻力增大，效率降低。 三、节能监测依据的标准 执行和参考的标准：SY/T 6637-2012 天然气输送管道系统能耗测试和计算方法SY/T 6837-2011 油气输送管道系统节能监测规范 其中天然气输送管道系统能耗测试和计算方法经与ISO 5389:2005 Turbo compressors - Performance test code 和ASME PTC 10-1997 Performance test code on compressors and exhausters 标准对比，效率计算方法一致。三、节能监测依据的标准1、范围n 本标准

24、规定了天然气输送管道系统（输气管道系统）能耗测试和计算的要求与方法。n 本标准适用于输气管道系统的能耗测试和计算。 三、节能监测依据的标准2、规范性引用文件GB/T 11062 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法GB/T 13609 天然气取样导则GB/T 13610 天然气的组成分析 气相色谱法GB/T 17747 天然气压缩因子的计算GB/T 18605.2 天然气中硫化氢含量的测定 第2部分：醋酸铅反应速率单光路检测法SY/T 7507 天然气中水含量的测定 电解法 三、节能监测依据的标准3、术语和定义n 天然气管道输送系统 natural gas pipeline tra

25、nsport system 由压气站及输气管道组成的输送天然气的系统。 n 压气站能源利用率 energy efficiency of natural gas compress station 压气站有效输出能量与压气站消耗能量的比值，以百分数表示。三、节能监测依据的标准n 输气管道系统压气站平均能源利用率 Average energy efficiency of natural gas compress station for natural gas pipeline transport system 输气管道系统各压气站有效输出能量之和与消耗能量之和的比值，以百分数表示。 n 压缩机机组效

26、率 energy efficiency of natural gas compress unit 燃气驱动或电驱动压缩机有效输出能量与驱动压缩机消耗能量的比值，以百分数表示。 三、节能监测依据的标准4、测试要求n 测试应在输气管道系统运行工况稳定至少15min后进行。 n 测试期间，输气流量波动在5%以内，干线压力波动在5%以内。 n 对于一个单元各种参数测试应在同一时间进行，相同性质点测取数据测试时间间隔应一致，间隔时间为5min15min，连续测试时间不少于1h。 三、节能监测依据的标准5、测试项目n 压气站燃料气消耗量 n 燃气驱动压缩机燃料气消耗量 n 压气站的进站天然气流量、压力、温

27、度 n 压气站的出站天然气流量、压力、温度n 压缩机组第 i 段的进口天然气流量、压力、温度 n 压缩机组第 i 段的出口天然气压力、温度n 天然气组分 n 压气站的大气压力、环境温度 三、节能监测依据的标准6、计算方法（1）计算基准n 基准温度：环境温度 n 基准压力：当地大气压力 n 燃料发热量：燃料收到基低位发热量n 天然气的低位发热量、密度、相对密度按GB/T 11062的规定计算。 n 压缩因子Z的计算应符合GB/T 17747的规定 三、节能监测依据的标准（2）压缩比和多变指数 三、节能监测依据的标准（3）天然气视临界压力 三、节能监测依据的标准（4）天然气进出口视对比压力 三、节

28、能监测依据的标准（5）天然气视临界温度 三、节能监测依据的标准（6）天然气进出口视对比温度 三、节能监测依据的标准（7）理想气体焓值 三、节能监测依据的标准（8）实际气体焓值 三、节能监测依据的标准（9）压缩机第i级/段多变效率 三、节能监测依据的标准（10）压缩机第i级/段有效功率 三、节能监测依据的标准（11）燃气驱动压缩机机组效率 三、节能监测依据的标准（12）压缩机第i级/段轴功率 三、节能监测依据的标准（13）压缩机轴功率 三、节能监测依据的标准（14）压缩机有效输出能量 三、节能监测依据的标准（15）压气站能源利用率 三、节能监测依据的标准（16）输气管道系统压气站平均能源利用率

29、三、节能监测依据的标准（17）燃气驱动压缩机的有效功率折算系数 三、节能监测依据的标准（18）燃料折算系数 三、节能监测依据的标准（19）燃气轮机或燃气发动机的折算效率 三、节能监测依据的标准组分组分项目项目分子式分子式分子量分子量理想气体相对理想气体相对密度密度压缩因子压缩因子（2020，101.325kPa101.325kPa）临界常数临界常数理想气体理想气体低位热值低位热值MJ/mMJ/m3 3(20(20，101.325kPa)101.325kPa)压力压力MPaMPa温度温度甲烷甲烷CH416.0430.55390.99814.456-82.5733.367乙烷乙烷C2H630.07

30、01.03820.99204.72332.2759.39丙烷丙烷C3H844.0971.52250.98344.11396.6784.94异丁烷异丁烷i-C4H1058.1242.00680.9713.530134.94110.09正丁烷正丁烷n-C4H1058.1242.00680.96823.675152.03110.47异戊烷异戊烷i-C5H1272.1512.94110.9533.272187.28135.72正戊烷正戊烷n-C5H1272.1512.94110.9453.261196.50136.01正己烷正己烷n-C6H1486.1782.97530.9192.916234.281

31、61.59正庚烷正庚烷n-C7H16100.2052.45960.8762.648267.11187.13空气空气28.96441.00000.999633.650-140.72二氧化碳二氧化碳CO244.0101.51950.99447.14731.06一氧化碳一氧化碳CO28.0100.96710.99963.383-140.0011.76氮气氮气N228.0130.96720.99973.290-146.89氢气氢气H22.0160.09691.00061.254-239.8910.050硫化氢硫化氢H2S34.0761.17650.9908.715100.3921.53氦气氦气He4.0030.13821.0005氧气氧气O231.9991.10480.99934.917-118.39（20）某些烃及非烃类组分的物理化学常数表 三、节能监测依据的标准（21）某些