天然气压缩机组工艺设计计算书

天然气压缩机组工艺设计计算书文件编号：GYJS-2026-001设计阶段：初步设计文件类型：工艺设计计算书项目名称：XX天然气长输管道增压站工程编制：_______________审核：_______________批准：_______________日期：2026年10月

目录1概述 概述1.1设计依据本计算书依据国家现行有关标准、规范及工程设计委托书编制，主要设计依据如下：（1）《输气管道工程设计规范》GB50251-2015；（2）《汽车加油加气加氢站技术标准》GB50156-2021；（3）《压缩天然气供应站设计规范》GB51102-2016；（4）《城镇燃气设计规范》GB50028-2006（2020年版）；（5）《石油及天然气工业往复压缩机》GB/T20322-2023；（6）建设单位提供的设计委托书及工艺条件数据表。1.2设计范围本计算书为天然气压缩机组工艺设计计算，主要包括天然气压缩过程的热力学计算、压比分配、排气温度计算、压缩机轴功率计算、中间冷却系统计算、安全核验及结果分析等内容。计算范围自压缩机进口法兰起，至压缩机出口法兰止，不包含上下游管道及附属设备的工艺设计。1.3设计原则（1）安全可靠：压缩机组的设计必须满足天然气易燃易爆介质的安全要求，排气温度不得超过限值，防止天然气在高温下发生分解或聚合；（2）经济合理：在满足工艺要求的前提下，优化压比分配和级数选择，降低能耗和投资成本；（3）高效节能：选用高效压缩机机组，合理配置中间冷却系统，提高机组整体运行效率；（4）留有余量：驱动机功率和压缩机能力应留有适当裕量，适应工况波动和远期发展需求。2原始数据与设计条件2.1天然气物性参数本设计所处理的天然气为典型管输天然气，其主要物性参数如表2-1所示。表2-1天然气物性参数表参数名称符号数值天然气相对分子质量M16.8g/mol气体绝热指数k1.308气体常数R0.496kJ/(kg·K)进口压缩因子Z₁0.92出口压缩因子Z₂0.88平均压缩因子Zₘ0.90定压比热容cₚ2.25kJ/(kg·K)天然气密度（标况）ρₙ0.75kg/m³设计流量（标况）Qₙ50×10⁴m³/d2.2工艺操作参数压缩机组的主要工艺操作参数如表2-2所示。表2-2工艺操作参数表参数名称符号数值压缩机进口压力（绝压）p₁4.0MPa压缩机出口压力（绝压）p₂10.0MPa压缩机进口温度T₁25℃（298.15K）中间冷却后温度Tᵢ40℃（313.15K）设计流量（质量流量）ω15625kg/h压缩机等熵效率ηᵢₛ0.78机械效率ηₘ0.972.3环境条件站址位于陕北地区，环境条件如下：夏季极端最高气温38.7℃，冬季极端最低气温-23.0℃，年平均气温9.2℃；大气压力89.6kPa；相对湿度平均59%；地震烈度Ⅶ度。3热力学计算3.1总压比计算压缩机组的总压比为压缩机出口绝对压力与进口绝对压力之比，计算公式如下：ε=式中：ε——总压比，无量纲；p₂——压缩机出口绝对压力，MPa；p₁——压缩机进口绝对压力，MPa。代入数据计算：ε=10.0/4.0=2.50本工程压缩机组总压比为2.50，属于中等压比范围。3.2级数确定与各级压比分配根据总压比和排气温度限值要求，确定压缩级数。对于天然气压缩机，通常要求单级压比不超过4.0～4.5，以保证排气温度在允许范围内。本工程总压比为2.50，经综合比较，采用单级压缩即可满足要求，但考虑到节能和排气温度控制，推荐采用两级压缩中间冷却方案。当采用N级等压比压缩时，每级压比计算公式为：ε式中：εᵢ——第i级压比；ε——总压比；N——压缩级数。本工程采用两级压缩（N=2），各级压比为：ε考虑到实际运行中第一级出口经中间冷却后温度降低，为使各级排气温度接近相等，实际压比分配可略作调整。本工程取第一级压比ε₁=1.60，第二级压比ε₂=1.5625。表3-1各级压比分配表级数进口压力(MPa)出口压力(MPa)压比第一级4.006.401.600第二级6.4010.001.563合计4.0010.002.5003.3等熵压缩排气温度计算等熵压缩过程为理想可逆绝热过程，其排气温度计算公式为：T式中：T₂ₛ——等熵排气温度，K；T₁——进口气体温度，K；p₂——出口压力，MPa；p₁——进口压力，MPa；k——气体绝热指数。3.3.1第一级等熵排气温度第一级进口温度T₁=298.15K，压比ε₁=1.600，代入公式：TT3.3.2第二级等熵排气温度第二级进口温度为中间冷却后温度Tᵢ=313.15K，压比ε₂=1.5625，代入公式：T3.4实际排气温度计算实际压缩过程为不可逆过程，存在能量损失，实际排气温度高于等熵排气温度。实际排气温度计算公式为：T式中：T₂——实际排气温度，K；ηᵢₛ——压缩机等熵效率。3.4.1第一级实际排气温度TT3.4.2第二级实际排气温度TT3.5多变排气温度计算对于离心式压缩机，常采用多变效率法进行热力计算。多变过程指数与多变效率的关系为：n-1式中：n——多变指数；ηₚ——多变效率，取ηₚ=0.77。代入数据计算多变指数：n-1多变排气温度计算公式为：T第一级多变排气温度：T第二级多变排气温度：T两种方法计算结果基本一致，误差在工程允许范围内，验证了计算的正确性。4压缩机功率计算4.1等熵压缩功根据《输气管道工程设计规范》GB50251-2015附录G，离心式压缩机等熵压缩功计算公式为：W式中：Wᵢₛ——单位质量等熵压缩功，kJ/kg；Z——气体平均压缩因子；R——气体常数，kJ/(kg·K)；T₁——进口温度，K；ε——压比；k——绝热指数；ηᵢₛ——等熵效率。4.2轴功率计算压缩机轴功率计算公式为：N=式中：N——压缩机轴功率，kW；ω——质量流量，kg/h；Wᵢₛ——单位质量等熵压缩功，kJ/kg。4.2.1第一级轴功率第一级等熵压缩功：WWN4.2.2第二级轴功率第二级等熵压缩功：WN4.2.3总轴功率N=考虑机械效率ηₘ=0.97后，压缩机输入功率为：N4.3驱动机功率选型驱动机功率应考虑一定的裕量，通常取1.10～1.15倍的压缩机轴功率。本工程取裕量系数1.15：N选用额定功率为1000kW的三相异步电动机作为驱动机，满足工艺要求并留有足够裕量。5中间冷却与冷却系统计算5.1中间冷却负荷第一级压缩后天然气经中间冷却器冷却至40℃，冷却负荷计算公式为：Q=式中：Q——冷却负荷，kW；cₚ——定压比热容，kJ/(kg·K)；T₂ₐ₁——第一级排气温度，K；Tᵢ——中间冷却后温度，K。Q=5.2冷却水消耗量冷却水进出口温差取10℃（进口25℃，出口35℃），水的比热容cw=4.187kJ/(kg·K)，则冷却水用量为：GG6安全核验6.1排气温度限值核验根据GB50156-2021《汽车加油加气加氢站技术标准》及相关压缩机规范要求，天然气压缩机排气温度不得超过150℃（对于无油润滑压缩机）或180℃（对于有油润滑压缩机）。本工程计算结果如下：表6-1排气温度核验表项目计算值(℃)限值(℃)是否合格第一级排气温度72.2150合格第二级排气温度87.6150合格最高排气温度87.6150合格核验结论：各级排气温度均远低于规范限值，留有充分安全裕量，满足安全运行要求。6.2压比分配合理性核验本工程采用两级压缩，各级压比分别为1.60和1.56，均在单级压比推荐范围（≤4.0）内。两级压比接近相等，各级排气温度基本一致，压比分配合理。6.3功率裕量核验驱动机额定功率1000kW，压缩机计算输入功率804.6kW，功率裕量为：裕量率功率裕量24.3%，大于规范要求的10%～15%，满足驱动设备选型要求。6.4其他安全措施说明（1）压缩机组应设置出入口压力、温度、振动、轴位移等监测保护系统；（2）压缩机出口应设置安全阀，安全阀整定压力不大于出口设计压力的1.05倍；（3）机组应设置紧急停车系统（ESD），在异常工况下自动停机；（4）天然气管道及设备应设置可燃气体检测报警装置。7结果分析与工程指导意义7.1计算结果汇总表7-1压缩机组工艺计算结果汇总表计算项目计算结果总压比2.50压缩级数2级（中间冷却）第一级压比1.600第二级压比1.563第一级排气温度72.2℃第二级排气温度87.6℃第一级轴功率389.4kW第二级轴功率391.1kW压缩机总轴功率780.5kW中间冷却负荷313.1kW冷却水用量27m³/h7.2结果分析（1）压比与级数匹配性分析：本工程总压比2.50，采用两级压缩中间冷却方案，既避免了单级压比过高导致排气温度超限，又不会因级数过多而增加设备投资和系统复杂性，压比与级数匹配合理。（2）排气温度分析：第二级排气温度87.6℃，远低于150℃的安全限值，说明机组在设计工况下运行安全裕度充足。同时，两级排气温度较为接近，表明压比分配较为均衡，有利于机组稳定运行。（3）功率配置分析：压缩机总轴功率780.5kW，选用1000kW驱动机，功率裕量24.3%，既能满足额定工况运行需求，又能适应一定范围的工况波动和远期扩能需求。（4）冷却系统分析：中间冷却负荷313.1kW，冷却水用量约27m³/h，冷却系统规模适中，运行费用合理。7.3工程指导意义（1）本计算结果可作为压缩机组设备招标采购的技术参数依据，明确压缩机的进出口压力、温度、流量、功率等关键性能参数；（2）中间冷却系统的计算结果可为冷却器选型、冷却水管道设计和循环水系统配置提供依据；（3）驱动机功率选型结果可为电气专业的电动机选型、供电系统设计和配电容量配置提供输入条件；（4）安全核验结果为机组保护系统设计、安全联锁逻辑设定和操作规程编制提供了技术依据；（5）本计算书的计算方法和结果可作为类似规模天然气增压站压缩机组工艺设计的参考和对比基准。

免责声明1.本计算书仅供工程设计参考使用，不构成任何形式的工程保证或承诺。实际工程设计应以具有相应资质的设计单位出具的正式设计文件为准。2.本计算书中所采用的天然气物性参数、工艺操作参数及环境条件均为设计条件下的假定值或典型值，实际工程中应根据现场实测数据和设计输入条件