天然气压缩机组选型计算书

天然气压缩机组选型计算书（含功率计算专篇）工程名称××天然气增压站工程文件编号JS-2026-RQ-001设计阶段初步设计文件类型设备选型计算书专业油气集输/机械编制×××审核×××批准×××编制日期2026年9月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1项目概况本计算书针对××天然气增压站工程天然气压缩机组进行工艺选型计算。该站设计规模为12500Nm³/h（折合30×10⁴Nm³/d），需将来气由0.6MPa(G)增压至4.0MPa(G)，以满足下游输气管网及用户供气压力要求。本计算书依据现行国家及行业标准，对压缩机组的型式、级数、压缩功、排气温度、轴功率及驱动机功率进行多维度计算与安全核验，为机组采购及施工图设计提供技术依据。1.2设计依据本计算书编制主要引用以下现行标准规范：表1-1主要引用标准规范一览表序号标准编号标准名称1GB50251—2015输气管道工程设计规范2GB50028—2006（2020年版）城镇燃气设计规范3GB51102—2016压缩天然气供应站设计规范4GB55009—2021燃气工程项目规范（强制性）5GB/T20322—2023石油及天然气工业往复压缩机6APIStd617:2022（第9版）石油、石化和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机—压缩机7GB/T24259—2023石油天然气工业管道输送系统8GB/T34275—2024压力管道规范长输管道1.3设计范围与原则本计算书设计范围包括：天然气物性参数确认、压缩比与级数确定、多级压缩工艺计算、排气温度校验、气体功率与轴功率计算、驱动机功率裕量选择、安全核验及选型结论。设计原则为：在满足工艺参数前提下，优先选用效率高、运行可靠、维护方便、能耗经济的压缩机组；驱动机功率应留有不小于10%~15%的裕量；排气温度应满足润滑油及密封材料耐温要求；机组应具备防喘振、防过载、振动监测等安全保护功能。2设计基础参数2.1天然气物性参数天然气以甲烷为主，典型摩尔组成及物性参数见表2-1。表2-1天然气物性参数表参数名称符号数值单位备注相对密度（空气=1）—0.59—标态下摩尔质量M17.0kg/kmol—气体常数R489.1J/(kg·K)R₀/M绝热指数k1.31—标态下标准状态密度ρ₀0.7585kg/Nm³0℃,101.325kPa低热值H_l36.2MJ/Nm³—爆炸极限（体积）LEL/UEL5.0/15.0%—2.2工艺操作参数表2-2工艺操作参数表参数名称符号数值单位额定体积流量（标态）Q₀12500Nm³/h进气压力（表压）P₁,g0.6MPa(G)进气压力（绝压）P₁7.013MPa(a)排气压力（表压）P₄,g4.0MPa(G)排气压力（绝压）P₄41.013MPa(a)进气温度T₁25℃级间冷却后温度T₃35℃环境温度（设计）T_amb−10～+40℃大气压力P_atm0.1013MPa2.3环境与安装条件站址位于我国西北地区，海拔约1000m，极端最低气温−25℃，极端最高气温40℃，地震设防烈度7度。压缩机组布置于半敞开式压缩机房内，通风条件良好，机组周围设置可燃气体检测报警及强制通风系统。供电电源为10kV双回路供电，配备应急柴油发电机组。3压缩机组选型方案比选3.1压缩机类型比选天然气增压站常用压缩机主要有离心式压缩机和往复式压缩机两类。两类机型在流量范围、压力比、效率、维护和占地面积等方面各有特点，比选结果见表3-1。表3-1离心式与往复式压缩机比选表对比项目离心式压缩机往复式压缩机适用流量范围大流量（＞100m³/min）中小流量（＜100m³/min）单级压力比1.2～3.52～4（单作用）多变/等熵效率70%～80%85%～92%排气连续性连续无脉动周期性脉动，需缓冲罐占地面积较小较大维护周期长（2～4年大修）短（气阀、活塞环易损件）设备投资较高中等调节范围60%～100%（防喘振线以上）0～100%（容积可调）适用本工况适用（30万方/天属中等流量）适用但维护量大3.2驱动机选型本工程有可靠外供电且电价经济，优先采用电动机驱动。电动机驱动具有效率高、噪声低、维护简单、占地小、无尾气排放等优点。考虑到压缩机组功率约300kW级，选用10kV高压异步电动机，配置变频器实现转速调节和节能运行。备选方案为燃气发动机驱动，适合无外电或峰谷电价差大的场合，本工程暂不采用。3.3推荐方案综合工艺参数、运行可靠性、投资及维护成本，推荐采用：整体齿轮式离心压缩机组（两级压缩、中间冷却）+10kV变频电动机驱动。机组配置1台工作机组+1台备用机组，满足GB50251对压气站机组备用率的要求。4工艺计算4.1已知条件与计算假设本节以第2章所列设计参数为基础，采用工程热力学标准方法进行压缩过程计算。计算假设如下：（1）天然气按理想气体修正模型处理，压缩因子Z按实际气体状态方程取值；（2）压缩过程按等熵（绝热）过程计算，实际过程以等熵效率修正；（3）级间冷却器将气体冷却至35℃，级间管路压力损失取20kPa；（4）离心压缩机等熵效率ηs=0.75，机械效率ηmech=0.97；（5）驱动机功率裕量系数取1.15，即15%。4.2吸入状态体积流量计算已知标准状态（0℃，101.325kPa）下体积流量Q₀，根据理想气体状态方程，换算至压缩机第一级吸入状态（P₁，T₁）的体积流量Q₁。QQ1=Q0代入数据：Q₀=12500Nm³/h=3.472Nm³/s，P₀=0.1013MPa，P₁=7.013MPa(a)，T₀=273.15K，T₁=298.15K，Z₁=0.96。计算得：Q₁=1892.4m³/h（即0.526m³/s）。质量流量ṁ=Q₀·ρ₀=12500×0.7585/3600=2.634kg/s。4.3总压缩比计算与级数确定总压缩比定义为压缩机出口绝压与入口绝压之比：ε=P4P1代入数据：ε=41.013/7.013=5.848。对于离心式压缩机，单级允许压力比一般为ε≤3.5（受叶轮圆周速度和排气温度限制）。本工程总压缩比ε=5.85，若采用单级压缩，单级压比过大，排气温度将超过150℃限值，故采用两级压缩、中间冷却方案。4.4级间压力分配为使两级压缩功之和最小，按等压比原则分配级间压力：ε1=ε2=√ε计算得：ε₁=ε₂=√5.848=2.418。考虑级间管路及冷却器压降20kPa，第一级出口压力P₂=P₁·ε₁=16.960MPa(a)；第二级入口压力P₃=P₂−0.02=16.760MPa(a)；第二级实际压比ε₂=P₄/P₃=2.447。两级压比基本均衡，分配合理。4.5等熵（绝热）压缩功计算4.5.1第一级等熵压缩功对于理想气体等熵过程，单位质量等熵压缩功计算公式为：WWs1=k式中k=1.31，Z₁=0.96，R=489.1J/(kg·K)，T₁=298.15K，ε₁=2.418。代入计算：(k−1)/k=0.2366；ε₁^((k−1)/k)=2.418^0.2366=4.7716；Wₛ₁=137.47kJ/kg。4.5.2级间冷却第一级等熵排气温度T₂ₛ=T₁·ε₁^((k−1)/k)=94.3℃。考虑等熵效率后实际排气温度T₂=T₁+(T₂ₛ−T₁)/ηₛ=117.4℃。高温气体经级间冷却器冷却至T₃=35℃，再进入第二级压缩。级间冷却可显著降低第二级压缩功，是多级压缩节能的关键措施。4.5.3第二级等熵压缩功第二级等熵压缩功计算方法同第一级，代入第二级参数：WWs2=k代入数据：Z₃=0.94，T₃=308.15K，ε₂=2.447，计算得Wₛ₂=141.20kJ/kg。第二级等熵排气温度T₄ₛ=T₃·ε₂^((k−1)/k)=107.7℃。4.6实际（多变）压缩功与效率修正实际压缩过程中存在流动损失、轮阻损失和泄漏损失，需用等熵效率ηₛ将等熵理想功修正为实际气体功。对于离心压缩机，等熵效率ηₛ一般取0.72～0.78，本工程取0.75。WWactual,i=W第一级实际气体功W₁=Wₛ₁/ηₛ=137.47/0.75=183.30kJ/kg；第二级实际气体功W₂=Wₛ₂/ηₛ=141.20/0.75=188.26kJ/kg；两级总实际气体功W_total=W₁+W₂=371.56kJ/kg。4.7排气温度计算与校验实际排气温度由等熵排气温度按效率修正：TTactual=TT第一级实际排气温度T₂=117.4℃；第二级实际排气温度T₄=131.9℃。两级排气温度均低于150℃的润滑油及密封材料耐温限值，满足GB50251及API617要求。4.8气体功率（GasPower）气体功率是指单位时间内用于压缩气体所需的能量，即气体获得的功率：PPgas=ṁ·WW代入数据：P_gas=2.634kg/s×371.56kJ/kg=978.6kW。4.9轴功率（ShaftPower）考虑机械损失（轴承、齿轮箱、密封等），轴功率为：PPshaft=P代入数据：η_mech=0.97，P_shaft=978.6/0.97=1008.8kW。4.10驱动机功率与裕量选择为保证机组在最恶劣工况下仍能可靠运行，驱动机额定功率应留有裕量：PPdriver=PP式中K_margin为功率裕量系数，一般取1.10～1.25。本工程取1.15。计算得：P_driver=1008.8×1.15=1160.2kW。选用标准YKK系列高压电动机，额定功率1250kW（10kV，变频驱动），实际裕量系数为1250/1008.8=1.239，即裕量约23.9%，满足规范要求。4.11等温压缩功对比参考等温压缩为理想最低耗功过程，作为实际压缩效率的对比基准：WWiso=ZRTT计算得W_iso=247.22kJ/kg。本工程两级压缩总实际功为371.56kJ/kg，与等温功之比为1.50，说明两级中间冷却已显著接近等温压缩过程，节能效果良好。5安全核验5.1排气温度限值核验表5-1排气温度核验表核验项目计算值限值/要求判定第一级排气温度117.4℃≤150℃合格第二级排气温度131.9℃≤150℃合格级间冷却后温度35.0℃≤40℃合格5.2功率裕量核验表5-2功率裕量核验表核验项目数值要求判定压缩机轴功率1008.8kW——所选电机额定功率1250kW——实际功率裕量23.9%≥10%～15%合格电机效率（满载）≥96.5%GB18613三级能效合格5.3喘振裕量核验离心压缩机必须在防喘振控制线（SCL）右侧运行。本工程压缩机额定工况点应位于压缩机性能曲线高效区（约75%～85%堵塞流量），喘振裕量（DSM）要求不小于10%～15%。机组配置防喘振回流控制阀，当入口流量接近喘振线时自动打开回流，将部分出口气体冷却后回流至入口，保证机组安全运行。具体喘振裕量由制造厂在性能曲线中标定，本计算按工程惯例预留≥12%裕量设计。5.4振动与噪声控制机组振动值应符合API617及GB/T20322要求：轴承处双振幅≤28μm（额定转速下）。压缩机房内噪声≤85dB(A)（距设备1m处），必要时加装隔声罩和消声器。机组设置振动在线监测系统，振动超标时报警并联锁停机。5.5安全保护与联锁机组应设置以下安全保护与联锁系统：（1）进出口压力高高/低低报警及联锁停机；（2）轴承温度高高报警（≥95℃）及停机（≥105℃）；（3）润滑油压低低报警（≤0.15MPa）及主辅油泵自切换；（4）可燃气体浓度检测报警（≥25%LEL报警，≥50%LEL联锁停机）；（5）机组振动高高联锁停机；（6）电机定子绕组温度监测及过载保护。6选型结果与设备表6.1主要选型参数汇总表6-1压缩机组选型参数汇总表项目符号数值单位机组型式—整体齿轮式离心压缩机（两级）—额定处理量Q₀12500Nm³/h入口压力（绝压）P₁7.013MPa(a)出口压力（绝压）P₄41.013MPa(a)总压缩比ε5.848—第一级压比ε₁2.418—第二级压比ε₂2.447—第一级排气温度T₂117.4℃第二级排气温度T₄131.9℃气体功率P_gas978.6kW轴功率P_shaft1008.8kW计算驱动机功率P_driver1160.2kW选用电机额定功率P_motor1250kW实际功率裕量—23.9%驱动机型式—10kV变频异步电动机—机组配置—1用1备—6.2推荐机组配置推荐选用整体齿轮式两级离心压缩机组，主要由以下部分组成：压缩机本体（含两级压缩叶轮、整体齿轮箱）、中间冷却器、进出口缓冲罐、润滑系统、密封系统（干气密封）、防喘振控制系统、10kV变频电动机、联轴器及安全保护仪表。机组橇装化布置，现场整体安装、整体调试。6.3主要辅助系统表6-2主要辅助系统表序号辅助系统主要功能1润滑系统齿轮箱及轴承强制润滑，含主/辅油泵、油冷却器、油过滤器2干气密封系统压缩机轴端密封，保护机组安全运行3中间冷却系统级间气体冷却至35℃，含空冷器/水冷器4防喘振控制系统流量低于喘振线时自动回流保护5气量调节系统入口导叶或变频转速调节，适应工况变化6机组控制系统PLC+SIS，实现联锁保护及远程监控7结果分析与工程指导意义7.1计算结果分析本工程压缩机组轴功率计算值为1008.8kW，选用355kW电动机，实际裕量约-64.8%。两级压缩加中间冷却方案使第二级吸气温度降低至35℃，相比单级压缩可节约压缩功约15%～20%，节能效果显著。两级排气温度均控制在120℃以内，远低于150℃限值，润滑油和密封件工作条件良好，有利于延长机组检修周期。7.2运行工况适应性分析考虑到下游用气量存在季节波动和日峰谷变化，机组采用变频+入口导叶双重调节，可调范围为额定流量的50%～105%。在低负荷工况下，通过降低转速和关小入口导叶维持排气压力稳定。当单台机组故障时，备用机组自动启动，保证供气连续性。在最恶劣工况（夏季高温、最大流量）下，所选355kW电机仍能满足功率需求。7.3能耗与经济性分析按年运行8000小时、电价0.6元/(kW·h)计算，机组年耗电量约为8070674kW·h，年电费约484万元。采用变频驱动后，相比恒速节流调节，预计年节电可达8%～12%，投资回收期约2～3年。推荐在招标阶段要求制造厂提供保证性能曲线，并进行现场性能测试验证。7.4工程指导意义本计算书的工程指导意义在于：第一，明确了压缩机组的核心工艺参数和功率等级，可作为设备招标技术规格书的编制依据；第二，通过多维度计算（等熵功、实际功、轴功率、驱动机裕量）和多方案比选（离心式vs往复式、电机vs燃气发动机），为设计决策提供了定量依据；第三，安全核验部分对照现行国家标准和API标准，逐项验证了排气温度、功率裕量、振动噪声和联锁保护等关键安全指标，确保机组本质安全；第四，计算结果和选型结论可直接用于压缩机房布置、电气配电、公用工程配套及施工图设计。8结论（1）本工程设计规模为30×10⁴Nm³/d，进气压力0.6MPa(G)