长输天然气管道压气站的优化设计

长输天然气管道压气站的优化设计

一、能源结构不断优化,比例正进一步增长天然气管道压气站的功能是通过压缩天然气以维持所需的气流量。主要设备是天然气泵群。近年来,随着天然气需求量不断增加,在我国能源结构中的比例正在迅速增大。据统计,2005~2015年,世界各地计划建造原油、成品油和天然气管道约9.6×104km,其中62%是天然气管道。2002年以来,我国管道压气站建设进入高峰期,相继投运的涩宁兰、西气东输、忠武线、陕京二线、冀宁和兰银等长距离天然气管道设计中均配置有一座或多座压气站。二、长输天然气管道压缩机组使用现状1986年8月我国第一座长输天然气管道压气站在中沧输气管道濮阳站建成投产,首次采用了燃气轮机驱动离心压缩机机组。1996年11月建成投产的鄯乌输气管道鄯善站,是我国首次采用天然气发动机驱动往复式压缩机机组的压气站。2000年11月投产的陕京管道应县压气站,是我国第一个采用变频调速电机通过增速齿轮箱驱动离心压缩机机组的压气站。2007年2月投产的西气东输管道蒲县压气站,是我国第一个投产的采用高速变频调速电机直接驱动离心压缩机机组的压气站。目前,我国已在9条天然气管道上分别建成投产了31座压缩机站,共投运各种类型管道压缩机组72套,并计划于今后陆续建成34座压气站,投运各种类型管道压缩机组79套。我国长输天然气管道压气站分布状况见表1。自20世纪50年代末以来,燃气轮机已成为中等功率到大功率范围天然气管道增压用最广泛的驱动机,较小功率的机组多采用燃气发动机驱动往复式压缩机。随着我国天然气管道的不断延伸和电力电网的发展,一些靠近电力充足地区的压气站开始以大功率电动机驱动离心压缩机作为天然气增压方式,促进了我国天然气输送工业的发展。针对易维护性、远程控制以及环保要求不断提高的现状,在供电能力较高的地区,采用电动机驱动管道压缩机的机组将会越来越多。我国天然气管道使用的压缩机组有燃气发动机驱动往复式压缩机、变频调速电机驱动往复式压缩机、变频调速电机通过增速齿轮箱驱动离心式压缩机、高速变频调速电机直接驱动离心式压缩机和燃气轮机驱动离心式压缩机等类型,但目前我国还没有采用恒速高压电机通过调速行星齿轮驱动离心式压缩机的机组,以及整体式磁悬浮电驱离心压缩机组。表2列出了截至到2007年末我国长输天然气管道压缩机组使用类型的统计结果。我国天然气管道压气站中压缩机组多采用一用一备或多用一备并联运行方式。西气东输管道增输改造后部分采用了隔站备用方式,离心压缩机组(电驱或燃驱)目前全部是进口机组,并将在一个(1加1站)站采用一套合资生产的离心压缩机,由进口燃气轮机驱动,与一套纯进口燃压机组互为备用;在另一个(1加1站)站采用一套电驱离心压缩机组与一套燃驱离心压缩机组,互为备用。三、在管道压力站优化设计中，应考虑以下几点1、确定机组备用及最适要求常用的机组备用方式有机组备用、功率备用、隔站机组备用等方式,确定机组备用方式后还有一用一备和多用一备等方式。目前,我国选择备用方式的主要依据是实用性、可靠性、效率、投资费用等,压气站多采用机组备用,往复机组多用一备较多,而离心机组一用一备较多。2、机械系统设计压缩机组的比选是根据机组安装地的环境依托条件,结合不同机组的优点和缺点进行计算和分析。首先是离心压缩机组与往复压缩机组的比选;二是离心压缩机组中有电机驱动与燃气轮机驱动的比选;三是电机驱动机组中有变频调速电机驱动、恒速高压电机通过调速行星齿轮驱动和整体式磁悬浮电驱离心压缩机组三者的比选。比选的主要依据为可用性、可靠性、效率、经济性(20年费用现值)、性价比、不间断工作时间、无故障工作时间、运行维护保检难度及费用、污染情况和在天然气管道的使用业绩等。此外,压气站优化设计中可能会受到投产日期、制造周期、政治因素、市场因素等条件制约,因此必须进行综合考虑。我国在陕京、靖西、西气东输和涩宁兰管道压气站的设计中均进行了科学合理的优化。3、机组投运后工艺条件确定压缩机组初步设计的第一步是建立设计单位的水力计算模型与压缩机生产厂商机芯设计的一体化计算,根据计算结果确认和改进压缩机的设计性能和运行条件。由于每条管道的工艺条件不同,机组的运行工艺条件均存在一些不确定因素,因此在机组投产后,设计单位应根据实际情况进行参数审查、确认、修正管道水力模拟和压缩机工艺电算结果。设置两个或多个压气站的管道,在实际运行达到设计流量且运行条件稳定以后,应对整个管道压缩系统中的所有压缩机运行实际效能进行全面的重新评估和分析,将得到的整个管道压缩系统的总效率与设计要求相比较,以弥补国内相关设计水平的不足。4、相关技术的应用(1)国外应用现状燃气轮机增加回热联合循环系统后,既能提高燃气轮机的综合热效率,又可减少热污染,在国外已被广泛地应用。例如,阿意输气管道Messina压气站的燃气轮机额定功率与西气东输管道用部分燃气轮机功率相近,由于采用回热联合循环,每台燃机的综合热效率由36.5%上升到47.5%,但在国内天然气管道压缩机组中还尚未应用。(2)等压冷却在干燥炎热地区为燃机进气系统选配蒸发冷却器,能够提高燃机效率、降低综合能耗和延长燃机寿命。目前使用的有湿膜式蒸发冷却器和喷雾式蒸发冷却器等,基本原理是等焓蒸发冷却,通过蒸发冷却器的测量、控制和保护系统严格控制给水的水质,防止燃机叶片结垢;根据燃机的功率、进气温度、湿度和大气压力适时调节喷水量,既能最大限度地提高进气的相对湿度,又能严格控制进入燃机的含水量;在很短的时间内(小于1s)实现水的绝热蒸发,并使进气的相对湿度超过90%。此项技术已日趋成熟,在我国西部地区的燃机上已有应用,并取得了较好的效果,在西气东输西段燃驱机组上有推广应用的空间。(3)润滑机组技术主动磁力悬浮轴承属于“无油”技术,1985年该技术首次应用于天然气压缩机组。该技术的优势是,取消了复杂并占用较大空间的润滑油系统,降低了润滑油的损耗;减少了天然气泄漏和机组维护成本费用,机组使用寿命提高,故障率降低;噪声降低;无废气排放等。该技术目前已应用于燃机、电机和离心压缩机中。(4)标准高压电机驱动系统调速行星齿轮驱动装置的运行是基于功率分配原理,在很宽的速度范围内保持高效率,采用了流体动力学的运行方式,无磨损且可靠性高。它集流体动力学部件和行星齿轮于一个箱体内,由可调转矩变换器、固定行星齿轮和旋转行星齿轮等主要部件构成。通过可调转矩变换器,用液压油将一部分动力分流叠加到旋转行星齿轮,来控制主驱动轴的转速。采用标准高压电机驱动,实现了无污染气体排放,减少了噪声和电磁辐射对人员的伤害。此项技术目前在我国的电驱机组中还没有得到应用。(5)压缩机的性能整体式磁悬浮电驱离心压缩机组可用于管道增压和储气库注气,是一种高速、智能、无油电驱离心压缩机组。该机组电机和压缩机均采用磁悬浮轴承(径向轴承和推力轴承),取消了润滑油系统,大大简化了操作和维护;采用整体密封式技术集压缩机和电机为一体,取消了干气密封,电机用工艺气冷却。由于采用高速变频器和高速变频电机,电机与离心压缩机为直联方式,取消增速齿轮箱,其大功率变频器的应用,使压缩机单台功率达到22000kW。此项技术目前在我国还尚未应用。四、联合行动和维护组的操作和维护1、分析下游用气结构,实现天然气管道联网运行在压气站运行期间,可以利用仿真模拟软件(TGNET、SPS)模拟分析不同输量下压气站的运行方式,优化出各种输量下压气站最优运行方案;在某座或几座压气站发生故障的情况下,可以根据当时各下游用户的计划输量要求,优化出全线机组最佳运行方案。目前,我国输气管道下游用气结构主要为居民用气、商业用气、化肥、甲醇和燃气发电等,其中一些管道下游用气量由于冬季采暖原因随气温下降而猛增,有些管道因此而增建冬季调峰用压气站。目前,我国多条管道都有很大的冬季运行优化空间,应在分析下游用气结构,利用下游用气资源的基础上,结合上游气田资源,合理利用管道自身资源(压气站资源),不断优化冬季用气高峰期运行方案和预案,以减少压气站机组运行时间和启机次数,达到提输、降耗和增效的目的。天然气管道联网是保障向下游供气的重要手段,目前,我国几条长距离大管径天然气管道即将连通,组网运行的优势将逐渐凸显。组网运行的管道在统一调控下可根据不同情况,通过计算进行网内优化运行,在优化运行方案和预案的制订过程中,管网内各压气站机组使用和工作方式将是优化运行的重要内容。2、监测和诊断设备故障(1)主被动事件后处理天然气管道压缩机组远程监测与诊断系统是利用丰富的图谱实时对机组进行“体检”,实现机组的早期故障预警,并通过网络随时掌控机组的实时运行状态,变被动的故障后处理为早期发现潜在故障并及时处理,能使远在千里之外的诊断专家及时得到机组异常变化信息。它的有效利用可以提高机组故障诊断准确率,对机组故障的预测、分析和排除能力、机组定期保养检修和辅助大修能力以及机组现场开车指导能力和机组备品、备件需求预前判断能力具有重要意义,可以保证压缩机组的长期、安全和平稳运行。例如,西气东输管道在机组引进的同时购买了“机组远程在线监测与诊断系统”,国内其它管道压缩机组也有使用且收效显著。(2)润滑的主要成分油液分析是抽取油箱中有代表性的油样,分别采用铁谱分析、发射光谱分析、红外光谱分析以及常规理化指标分析,确定在用润滑油中的磨粒种类、数量和成分、变质产物的种类,含量以及润滑油中典型添加剂的损耗程度,以此作为判断机组关键摩擦部位润滑和磨损状况的主要依据。在国内已进行了针对天然气压缩机组的油液分析、诊断和研究工作,且进行了部分应用。3、离心压缩机的效率燃气轮机离心压缩机组效率计算是通过对机组运行过程中各相关参数进行精确采集,分别计算得出燃气轮机和离心压缩机的效率。定期进行机组效率计算,可以依此运行状况及时对可能存在的问题进行分析评价。通过与燃机历史效率的对比,判断是否需要清洁燃机的进气滤芯或水洗燃机的压气机;通过与离心压缩机历史效率的对比,判断级间迷宫密封是否磨损;找出机组的实际最佳运行区,结合实际运行工况使机组在最佳效率区内运行。五、压气站所处的职业健康问题我国各输气管道所属压气站的运行管理方式各不相同,目前较先进的管道压气站管理方式是以业主管理为核心,以现场运行维护服务承包商和机组保养检修专业化技术服务承包商为主要作业者,以机组生产厂商售后服务为支持的“四为一体”运行管理体系框架。管道压缩机组(燃气轮机、变频调速电机、离心压缩机)结构和控制系统复杂,技术含量高,要求从事运行维护、检修保养和故障诊断的人员应具有较高的专业技术水平和丰富的现场经验。压气站的主要污染源有噪声排放、废气排放、废油废水排放、固体废物、电磁辐射和热污染等。压气站内“地埋式污水处理装置”有效使用效率低,部分压气站所处环境复杂多样,操作人员存在流行病、地方病等隐患。在处理机组故障或机组保检时,长时间连续在高噪声环境工作等产生的职业健康问题,还有待通过制度、标准的建立等方式解决。压气站完整性管理是输气管道完整性管理的重要组成部分,是基于大型数据库技术、内容管理技术、网络应用技术、地理信息技术、项目管理技术等现代技术与生产运行相结合而形成的,使管理可视化、语音化、网络化和数字化,涉及压气站设计、建设、运行维护、保养检修和评价等各个阶段,目的是使机组始终处于完好的、可靠的安全工作状态或受控状态。此外,在压气站建设和投产期间对机组及各附属设施的安装、管路连接与清洁、各主要设备参数的检查调试、性能测试、防喘线测试、72小时带负荷试验和验收等信息通过影音、图片和文本数据等形式进行整理存储,可以为今后管道压缩机组的运行、保养检修和故障处理保留原始的信息和资料。我国管道压气站机组运行维护、保养检修和分析评价的相关标准还不能满足需求,急需编制和修订。压气站运管部门在机组备件管理、机组资料管理、建立机组专家库、机组人员培训、机组长期停用的保养、机组耗材和部件国产化等方面需要做更深入细致的工作。六、组技术服务机构的运行管道压缩机组在累计运行达到一定时间后,要进行常规保养检修或大修,其时间间隔、分级和内容根据机组不同而有差异,主要依据应查阅生产厂商提供的运行维护手册。对于机组的非计划停机和故障停机的问题,在现场无法排除故障时,“机组技术服务机构”要建立24h的联络—反应—决策—行动机制;24h内行动,48h内到达现场。对于机组保养