离心式压缩机组经济运行与设计选型探究

１页岩气外输干线概况１.１压气站概况页岩气外输干线线路总长度１１８.１ｋｍ，设计压力６.３ＭＰａ，管径ＤＮ８００，设计集输气能力１２００×１０4ｍ3／ｄ。Ａ输气站为该外输干线末端站点，主要接收该外输干线上游来气，其中一部分通过低输进入川渝管网沿线供用户使用，其余部分进入Ｂ压气站，经过分离、过滤，增压后再输往国家管网，如图１所示。Ｂ压气站主要对上游输气站来气经过分离、过滤，增压后再通过上游输气站输往川渝管网，设计压力６.３ＭＰａ，设置２台３.６ＭＷ变频电驱离心式压缩机组；２０１９年９月投运后，该外输干线每日最大输气能力提升为１７００万ｍ3。Ｃ压气站主要接收某公司和油田集输的页岩气，经场站分离除尘、过滤，进入压缩机增压后输往输气处Ａ输气站，设计压力６３ＭＰａ，设置１台８.８ＭＷ国产电驱离心式压缩机组；２０２０年９月投运后，页岩气外输干线日输气能力达２１５０万ｍ3，进一步疏通了某区块页岩气外输的管网瓶颈。１.２页岩气外输干线３台机组概况１.２.１Ｂ压气站机组概况Ｂ压气站机组设计压力６.３ＭＰａ，设计输量９５４～１１８８×１０４ｍ３／ｄ，站内低压分输３４～１１５×１０４ｍ３／ｄ；进站压力３.８３～４.３ＭＰａ、增压后出站５.３～５.８７ＭＰａ，低压分输２.５～３.４ＭＰａ；操作温度１０～５４.７４℃。场站安装有ＰＣＬ４０２变频电驱离心式压缩机２套，阿特拉斯螺杆空压机２套，油站润滑系统２套，旋风式分离器３台，卧式分离器３台，汇气管１台，如图２所示。Ｂ压气站自２０１９年１０月２７日起压缩机组启机正式加载试运行，截至２０２１年４月３０日，１号机组累计运行１０９３５.６７ｈ，处理气量２３.７６×１０８ｍ3，２号机组累计运行１０５１５.８９ｈ，处理气量２２.９７×１０８ｍ3。Ｂ压气站主要耗电设备为：压缩机三相异步电动机、空压泵电机、油站电机、油空冷电机、空冷器电机、消防泵电机等。２０１９年１０月２７日投产至２０２１年４月３０日，总耗电量为５２９９.２万ｋＷ·ｈ，平均电费率为０.６４（元／ｋＷ·ｈ）。１.２.２Ｃ压气站机组概况Ｃ压气站压缩机组设计压６.３ＭＰａ，设计输量１７１７～２００６×１０４ｍ3／ｄ，最大增输能力２１０２×１０４ｍ３／ｄ；最高转速９３７４ｒ／ｍｉｎ，额定转速８９２７ｒ／ｍｉｎ，进站压力４.１３～４.４６ＭＰａ，增压后出站压力５.４～６.０５ＭＰａ；分输低压用户压力≤３.０ＭＰａ；进站温度１２.１６～２０℃；增压后出站温度３１.０７～４３.４℃。场站安装有ＰＣＬ－５０２变频电驱离心式压缩机组１套，压缩机空气撬２套，油站系统１套，卧式分离器４台，汇管１台，放空点火装置１台。Ｃ压气站自２０２０年９月１６日起压缩机组启机正式加载试运行，截至２０２１年４月３０日，机组累计运行４９０７.５４ｈ，处理气量３３.３２×１０８ｍ３，其中机组日均处理气量最多为１６９８.３２×１０４ｍ３，进气压力４.１２～４.５６ＭＰａ，排气压力４.７１～５.１３ＭＰａ，压缩机转速保持在８２００ｒ／ｍｉｎ左右，加载负荷为８０％。Ｃ压气站（图３）主要耗电设备为：压缩机三相异步电动机、空压泵电机、油站电机、油空冷电机、空冷器电机、消防泵电机等。２０２０年９月１６日投产至２０２１年４月３０日，总耗电量为２３２４.５３万ｋＷ·ｈ，平均电费率为０.７０６９（元／ｋＷ·ｈ）。２目前３台机组运行工况自２０２０年９月Ｃ压气站投用至今，某集输干线日输气量由１８００万方降低至１３５０万方，偏离Ｃ压气站的设计工况。Ｄ脱水站出站压力由５.３ＭＰａ降至４.４ＭＰａ；Ａ输气站低输气量由３００万方／日提升至７００万方／日；偏离纳溪压气站的设计工况。据页岩气外输干线输气量、Ｄ脱水站出站压力，结合Ａ输气站高低输气量，蜀南气矿先后摸索了三种运行模式，即３台机组同时运行、Ｃ压气站单独运行、Ｂ压气站单独运行，下面就每种模式分别选择一种典型工况进行分析。由于实际运行工况多数偏离了设计工况，无法得到机组对气体做功过程的多变指数，只能以绝热指数（取１.３４）来计算（由于热阻的存在，绝热效率高于多变效率），用绝热效率定性反映损失的大小，比较各工况下压缩机组性能优劣：２.１３台机组同时运行２０２１年１月２日０８：００页岩气外输干线压缩机运行情况：Ｃ压气站生产时间２４ｈ，压缩机进气压力４２８ＭＰａ，排气压５.１３ＭＰａ，电机电流６４２Ａ，转速７２７８ｒ／ｍｉｎ，瞬时１６３５万方／日；Ｂ压气站：生产时间２４ｈ，压缩机进气压力４３８ＭＰａ，排气压力５.１７ＭＰａ，电机电流１７７Ａ，转速９６２０ｒ／ｍｉｎ，处理气量１３５０万方／日，低输２５０万方／日，页岩气外输干线总量１６００万方／日。２.１.１Ｃ压气站压缩机工况分析基准状态下机组转速为转速７２７８ｒ／ｍｉｎ时流量为１６３５万方／日，换算成进口状态下流量１５５００ｍ３／ｈ；根据相似理论，结合ＰＣＬ５０２性能曲线可知该工况下机组效率为８０％；把机组两级做功过程近似为无冷却的多变压缩；计算得出Ｃ压气站机组功率为４２６４ｋＷ。绝热压缩功率为３４７５ｋＷ，绝热效率为８１.４９％，如图４。２.１.２Ｂ压气站压缩机工况分析此工况下Ｂ压气站２台离心式压缩机组同时运行，单台机组处理气量６３０万方／日以上；超出设计工况，效率低能耗高，无法通过多变效率计算多变功率和总耗功率。根据离心式压缩机组电机输出电压和电流，按照功率因子０.９计算，离心式压缩机总耗功率为２３２７.４ｋＷ。绝热指数取进排气条件的平均值为１.３４，得出绝热压缩功率为１３１２ｋＷ，绝热效率为５６.３７％，如图５。２.２Ｃ压气站单独运行２０２１年４月２４日０８：００页岩气外输干线压缩机运行情况：Ｃ压气站生产时间２４ｈ，压缩机进气压力４.１２ＭＰａ，排气压力５.５８ＭＰａ，电机电流７９３Ａ，转速８８１０ｒ／ｍｉｎ，瞬时流量１４８０万方／日；Ｄ脱水站中心站出站压力４４４ＭＰａ；纳溪压气站１＃、２＃压缩机停机，页岩气外输干线气量１３９８万方／日。基准状态下机组流量为１４８０万方／日，换算成进口状态下流量１４５８４ｍ3／ｈ；利用相似理论，结合ＰＣＬ５０２性能曲线得出该工况下机组多变效率为８５％。把机组两级做功过程近似为无冷却的多变压缩，计算得出Ｃ压气站压缩机总耗功率为５８９７ｋＷ；绝热压缩功率为５３５５ｋＷ，绝热效率为９１.４３％，如图６。２.３Ｂ压气站单机运行２０２１年５月１５日０８：００页岩气外输干线压缩机运行情况：Ｃ压气站生产时间０小时；纳溪压气站１＃压缩机运行２４ｈ，２＃压缩机运行０ｈ，１＃机进气压力３.６５ＭＰａ，排气压力４.８４ＭＰａ，转速１２２６６ｒ／ｍｉｎ，电流２２９Ａ，处理瞬量６６１万方／日，低输瞬量６８８万方／日，页岩气外输干线瞬量１３４９万方／日，Ｄ脱水站出站压力４.４８ＭＰａ。此时Ｂ压气站超出机组设计工况，效率较低。根据电机输出电压、电流、功率因子，计算得出该工况下总耗功率３５７０ｋＷ，绝热压缩功率为２２１２ｋＷ，绝热压缩效率６１.９７％，如图７。３能耗分析及下一步运行调整３.１３种运行模式能耗对比根据前面３种运行模式典型工况分析结果：（１）３台机组同时运行时，机组总能耗最高，但Ｂ压气站２台离心式压缩机组偏离设计较远，属于大流量工况，叶轮叶片进口气流为负冲角，冲击损失增大，绝热效率最低（仅为５６％）；（２）Ｃ压气站压缩机单独运行时，机组总耗功率居中，绝热效率最高（约为９１％）；（３）Ｂ压气站单机运行时，机组总耗功率最少，但机组仍处于大流量工况，进口气流形成负冲角，绝热效率偏低（约为６２％）。随着某页岩气产量逐渐降低，Ａ输气站低输气量维持在６００～８００万方／日，未来３台机组同时运行不符合分公司高质量发展要求。为进一步降低机组运行成本，在不影响产量的前提下，需要重新摸索机组运行模式。３.２摸索机组运行模式结合目前页岩气外输干线运行情况，以２０２０年５月１９日为例，Ｄ脱水站出站压力４.５３ＭＰａ；Ｂ压气站进气压力３.６７ＭＰａ、出站压力４.８３ＭＰａ；Ａ输气站高输６８４万方／日，低输６８６万方／日。前面已经分析了Ｂ压气站单机运行模式，因偏离压缩机设计工况较远效率较低。下面我们探索两台机组同时运行的情况，此时单机处理量３４２万方／日，结合ＰＣＬ４０２性能曲线，此时转速为９８４４ｒ／ｍｉｎ，平均分子量为１６.２７６，假设Ｂ压气站进出站压力不发生变化，进气温度为１５.６℃（设计值），绝热系数为１.３４，多变效率取８２％。压缩过程近似为无冷却多变压缩，计算得出该工况下压缩机功率为１４００ｋＷ，综合合性能曲线进行验证，双机共消耗功率２８００ｋＷ，比单独运行一台机组的能耗（３.５ＭＷ）还要低，如图８，９。３.３根据历史运行数据进行验证表２分析了Ｂ压气站自投运以来实际月度消耗电量情况；根据每月实际消耗电量和两台机组累计运行时间，可知Ｂ压气站平均消耗功率在１４３８～３６２５ｋＷ之间波动（包含场站空压机及生活用电），机组实际平均功率１４００～３６００ｋＷ之间。其中２０２０年１月２台机组累计运行１３５４.７５ｈ，累计处理气量２３６０２万方，每台机组处理气量为３８０万方／日，Ｂ压气站累计消耗电量１９４９０１ｋＷ·ｈ，机组平均功率在１４００ｋＷ左右。由于Ｃ压气站此时并未投产，Ｂ压气站双机运行，和目前工况正好相似，佐证了我们理论分析的合理性。４压缩机组设计选型探讨随着某页岩气产量逐渐降低，Ａ输气站低输气量维持在６００～８００万方／日，３台机组均已偏离最初设计，结合前面分析可知Ｃ压气站压缩机流量富余过多，Ｂ压气站单台机组流量偏于保守，下面我们根据现有工况对离心式压缩机组选型进行探讨。４.１使用模化法对Ｂ压气站进行选型４.１.１确定设计工况根据目前页岩气外输干线运行情况（Ｄ脱水站出站压力４.５３ＭＰａ；Ｂ压气站进气压力３.６７ＭＰａ、出站压力４.８３ＭＰａ；Ａ输气站高输６８４万方／日，低输６８６万方／日），利用离心式压缩机相似理论，重新选择１台离心式压缩机；同时一台机组可以降低压气站占地面积，减少公司用地成本。４.１.２机组重新选型选取ＰＣＬ４０２为模型机；因为进口容积流量是原来单台机组２倍，进口状态与原设计相等，模化比为０７０７１，主机选择陕鼓ＥＢＺ５６－２型（沈鼓ＰＣＬ５６２型）离心式压缩机；额定转速为８７００ｒ／ｍｉｎ，额定功率为７.２ＭＷ，多变效率与ＰＣＬ４０２相等。离心式压缩机为一缸两级，叶轮直径５１０／４９５ｍｍ，并采用叶轮对排结构，平衡轴向推力；叶片使用交大赛尔全可控涡结构以提高多变效率，叶片数２６／２６片；轮盘和轮盖采用天元智造激光粉材熔覆技术降低表面粗糙度，减小摩擦损失和轮阻损失；其他通流部分尺寸变为ＰＣＬ４０２机组的１.４倍。吸气室采用径向进气管；扩压器使用工况范围宽、效率曲线平坦的无叶结构；同时减小弯道前半部分通道的扩压度并加大出口内侧的转弯半径，降低弯道内的分离损失。轴承采用抑振性能良好的可倾瓦结构，并适当提高转子刚度，扩大稳定工作区，避免发生油膜振荡。离心式压缩机组配备合适的故障诊断检测系统，根据机组参数的波形图和轴心轨迹图，确定适时的停机和局部维修时间，以节约维修费用，增加持续生产时间。４.１.３新机性能曲线根据相似理论，在同样进气条件下，新机压比不变，多变效率与ＰＣＬ４０２相同，转速变为ＰＣＬ４０２的７０.７１％，能量头、功率、流量是ＰＣＬ４０２的２倍。当离心式压缩机进气压力为３６５ＭＰａ，排气压力４.８５ＭＰａ，转速为６９６０ｒ／ｍｉｎ时，多变效率为８４％，计算得出机组总耗功率为２８６６ｋＷ，如图１０。４.２使用效率法对Ｃ压气站进行选型４.２.１压缩机的设计参数Ｃ压气站目前工况：进口绝对压力４.４９ＭＰａ，进口体积流量１９５ｍ３／ｍｉｎ，进口温度２９３Ｋ，出口绝对压力５.４１ＭＰａ，气体摩尔质量为１６.２７６，绝热指数Ｋ＝１.３４。４.２.２设计参数的整理与计算计算压力：整机压比ε＝１.２１１；压缩机排气绝对压力：ｐｏｕｔ＝５.４３７６ＭＰａ；计算流量：进口质量流量Ｑｍ＝１００.４２４ｋｇ／ｓ。４.２.３压缩机的方案设计（１）叶轮主要参数和级数的确定：叶轮叶片出口安装角β２Ａ＝４５°；叶轮叶片入口安装角β１Ａ＝３０°；选取流量系数φ２ｒ＝０.２５；选取叶轮叶片数量ｚ＝１６片；计算周速系数φ２ｕ＝０.６１１２；选取轮阻与漏气损失系数βＬ＋βｄｆ＝０.０３；计算流动效率ηｂ＝０.８４４６；初步选择叶轮出口圆周速度ｕ２＝２４０ｍ／ｓ；计算多变压缩能量头Ｗｐｏｌ＝２９５１８.８３Ｊ／ｋｇ；计算级数：０.９９２８级（取整为１级）；通过级数优化圆周速度ｕ２＝２３９.１３ｍ／ｓ。（２）确定转速：选取叶轮出口相对宽度ｂ２／ｄ２＝０.１２；选取叶轮出口阻塞系数：０.９４９１；选取压缩机进口气流速度ｃｉｎ＝３０ｍ／ｓ；计算多变指数系数ｋＶ２＝３.２３２；计算叶轮出口绝对速度在半径方向分量ｃ２ｒ＝５９.７８ｍ／ｓ；计算叶轮出口绝对气流方向角α２＝２２.２４°；根据三角函数计算叶轮出口绝对速度ｃ２＝１５７.９ｍ／ｓ；计算机组进出口温差ΔＴ＝１１.７０Ｋ；根据理论公式计算转速Ｎ＝１２２３７ｒ／ｍｉｎ。（３）核算叶轮出口相对宽度：转速取整优化ｎ＝１２２００ｒ／ｍｉｎ；根据理论公式核算ｂ２／ｄ２＝０.１１９３；选取叶轮叶片出口厚度：４ｍｍ；计算Ｄ２＝３７４.２５ｍｍ；校核叶轮出口叶轮阻塞系数０.９２３０；选取并校核轮毂直径ｄ＝１３０.５ｍｍ（采用刚性轴），如表３。（４）计算整机内功率：压缩机总耗功率Ｐｔｏｔ＝３６１５ｋＷ（５）固定元件设计：（ａ）吸气室选择轴向收敛性进气管，为叶轮提供轴向均匀进气条件。（ｂ）使用叶片扩压器，具体参数如下：扩压器进口直径Ｄ３＝１.１Ｄ２＝４１１.６７ｍｍ；扩压器出口直径Ｄ４＝１.６Ｄ２＝５９８.８０ｍｍ；扩压器叶片入口宽度ｂ３＝１.３ｂ２＝５８.１６ｍｍ；选取扩压器叶片出口宽度ｂ４＝ｂ３＝５８.１６ｍｍ；计算扩压器叶片入口安装角β３Ａ＝１７.４６°；计算扩压器叶片出口安装角β４Ａ＝２９．４６°；扩压器叶片数ｚ＝１４片。（ｃ）蜗壳结构设计：选用圆形截面蜗壳宽度ρ为圆形通流截面的半径，Ｒｃ为圆形截面的圆心半径。４.２.４压缩机逐级详细计算以方案设计为基础，根据叶轮、通流部分的流道结构和几何尺寸，计算主要通流截面上的热力学参数，保证压缩机流道具有合适的通流能力、合理的流道结构和良好的流动性能，保证压缩机效率高且工况范围宽。４.２.５辅助系统设计其它辅助系统设计和Ｂ压气站压缩机设计相同，此处不再重复。５下步工作建议为了实现页岩气外输干线３台离心式压缩机组经济运行，首先