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国内外天然气压缩机发展趋向探讨

 国内外天然气压缩机发展趋向探讨
  【压缩机网1 全球范围内,天然气的发现和利用,肇始于我中华之三国时期
  就全世界而言,天然气的发现和利用,发端于什么年代,又是在什么地方呢?
  我国相关的博物志,明确记载了蜀汉(公元221~263年)丞相诸葛亮曾视察天然气的史实。
  开凿于1823年的燊海井(燊,shēn,炽盛),位于四川省自贡市,是经确认的全球第一口超千米深井。该井至今仍以天然气为燃料,沿袭古法制川盐,成为川菜用盐的不二选择。它是对孔明先生曾视察天然气这一史实的最好佐证与诠释。
  燊海井的开凿工艺技法,凿钻具材料的选择和设计,皆令今人叹服。
  记得,中国海洋石油总公司在北京东城区的旧址院内,就矗立着燊海井井架模型。
 
  2 天然气及其应用与天然气压缩机的类别
  2.1天然气
  除了以气态甲烷为主要组分的狭义的天然气,广义的天然气则覆盖面宽泛,包括:沼气、在深海及高寒地带以固态存在的可燃冰、煤层气、页岩气等,也包括了人为加工的餐厨垃圾沼气。
  伴随着人类科技进步的脚步,天然气作为优质清洁能源,在能源构成的比率方面,逐步得到提升,重要性日益显现。
  天然气的应用,可谓已是无处不在、无时不在。必须看到全球可燃冰极其宏伟的巨大潜能,其储量是现知天然气的数十倍,但开采难度极大,目前尚无成熟技术。
  2.2天然气压缩机的类别
  依照应用类别,天然气压缩机主要分为以下几大类:
  (1)天然气长输管线用增压压缩机;
  (2)为天然气长输管线干线供气等用途的集输用压缩机;
  (3)天然气汽车加气站用压缩机;
  (4)油气田上游装备中的回注用高压压缩机;
  (5)天然气储气库用注气压缩机;
  (6)液化天然气用原料气压缩机;
  (7)液化天然气储罐系统配套的BOG压缩机。
  2.2.1长输天然气管线干线增压离心式压缩机,皆为大容积流量、大功率者,技术难度很高、精密度很高。由于技术层面原因和管线运营方采纳此关键动设备的信心,国产大型离心式天然气增压压缩机的投运,历经漫长而曲折的过程,直至近年方成现实,且达臻百台矣!
  图1即是国产20000kW离心式天然气增压压缩机,服役于陕西高陵站。
 
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  2.2.2天然气集输用往复活塞式压缩机,其引进国际先进技术的消化吸收和国产化再创造,则较为迅速。这已由原中国石油化工总公司江汉石油管理局第三机械厂实施完成近三十载,且已成为集输气机的最主要生产者之一。在此基础上的再创造,使原江汉三机厂还是天然气储气库用注气压缩机的最主要制造者之一。
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  图2所示即国产天然气集输用压缩机族群。
  2.2.3天然气汽车加气站用CNG压缩机,为世界各国净化蓝天工程业已做出巨大贡献。
  图3所示之CNG压缩机,更是经典。其机身承受内气压,并以曲轴的主轴颈处之机械密封,杜绝了机身内天然气处泄漏之可能,而成就为无泄漏CNG压缩机。
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  原中石化汉江三机厂自主研发的2D4—3/3—250型CNG压缩机(如图4),在中石化总公司专家会议鉴定通过后,于2000年获省部级中石化科技进步三等奖。该机打破了国外封锁,填补了国产天然气汽车常规加气站用132kW级全风冷CNG压缩机的空白。2D4型机以甚短之行程(105mm)、适当高的转速990r/min,形成不高的活塞平均速度(3.465m/s),创造了气流速度低和节约能耗的有利条件。相应的,其气组件隙流速低、阀片升程低,功率损失小且阀片长寿。2D4型机之主机长度仅2639mm,外形极其紧凑。采用灰铸铁、球墨铸铁及锻造中碳钢等最普通、廉价之材质为基,辅以极个别的锻造合金钢,大幅降低了制造成本却不失可靠性。传动部件摩擦面处的超低比压值,大大减少了磨损,寿命大为延长。可靠且有效散热的全风冷系统,使其适于高寒、缺水等全地域、全气候条件运行。
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  地处北京石景山区的衙门口天然气加气母站,位于陕京一线之终端,曾是亚洲规模最大的加气母站(如图5),向六里桥等公交加气子站供气(图6)。
  图7~图9分别是晋煤集团胡底煤层气加气母站压缩机、生活垃圾沼气用压缩机、有机废水沼气用压缩机。
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  3 全世界范围内,天然气压缩机的发展趋势将怎样?
  就此总命题,今抛砖引玉,与业界同行切磋如下:
  3.1在天然气长输管线用增压压缩机领域,离心式压缩机仍是绝对主导的主力机型,其单机最大功率与流量,雄踞高位不减。
  其实,自二十世纪七十年代初,自非洲的阿尔及利亚经直布罗陀海峡左近的马格里布,跨越地中海向欧洲供应天然气的长输管线工程,就配有多台当时美国ELLIOT公司产单主轴多级离心式增压压缩机,单机功率已达20000kW。
  在天然气长输管线增压领域,离心式压缩机优势得以确立的原因,其实非常简单,这是由天然气自身的物理特性和离心式压缩机的固有特点,而共同决定的。
  天然气长输管线干线用增压压缩机,在多座加压站司接力供气之责。其每台压缩机的总压力比不甚高,而流量却很大。天然气的密度低这种与生俱来的物理特性,显然对离心式压缩机每一级的最佳压力比值的提升,有所阻碍。然而,自二十世纪七十年代以来,离心式压缩机的技术进步不但不可谓不猛烈,甚至是突破性的。高强度叶轮新材质时时涌现,其允许的叶轮最大圆周速度不断提升,二元、三元流动叶轮塑性常更新,锻造、压铸、机械加工等制造工艺也变革,遂又使得离心式压缩机的最佳压力比值和机的总压力比皆提升。当相同的机压力比时,所需级数减少、制造成本降低,而机的绝热效率却得以提高,更显节能。
  离心式压缩机主轴处,密封气体的轴封,在二十世纪七十年代还普遍用“高位油罐”技术,可谓巧妙地以不大的势能压力差实现了对高压气的密封。此后,多种气封结构频频现身,轴封技术呈跨越式发展。
  笔者不排除在特大流量天然气长输管线干线用离心式压缩机之前端,串接更适合特大流量的轴流式压缩机为前置机之可能性。也不排除在同一整体机壳内构成为轴流—离心式压缩机的已有复合结构机型,用于特大流量管线干线的可能性。
  时下,紧凑的齿轮式多级离心式天然气增压压缩机已广泛服役于全球长输天然气管线领域。可谓司空见惯是也。
  笔者管见以为,适当回溯其传动机构发展沿革,仍不失其现实及前瞻意义。
  这要从1958年出版的《DEMAG NEWS》说起。当时的德意志联邦共和国杜伊斯堡城的DEMAG公司(后并入曼奈斯曼公司,继而并入现在的西门子公司),在该刊上最先提出了离心式压缩机串联往复活塞式压缩机这一具有划时代意义的复合压缩机组概念。驱动用蒸汽轮机借助于齿轮变速箱,增速输出轴直联离心式压缩机,减速输出轴直联往复活塞式压缩机,用于副产蒸汽的合成氨工厂。同一时期,DEMAG著名的DH型离心式压缩机,则以电动机轴为齿轮变速箱的动力输入轴,增速后的两根动力输出轴的两段,分别带动分属于离心式压缩机的不同级的四只叶轮。(日本日立公司等跨国大公司多购其制造权,甚至转卖给第三国)
  DEMAG此种可广泛用于多种结构类型的压缩机机体内的传动理念,深刻影响了全球压缩机大名企至今在诸多领域的应用。诸如:
  二十世纪六十年代末,美国INGEROLL-RAND始研发的CENTAC离心式空气压缩机原型机,由电动机驱动中央大齿轮,大齿轮增速径向啮合第1级至第4级叶轮的不同啮合直径的4只小齿轮,使各级叶轮均获其各自的最佳圆周速度,压缩机的绝热效率高。该动力用空压机之排气压力为0.7MPa。而今风行的排气压力0.7MPa,空气动力用齿轮式3级离心式空压机,即由此蜕变而来。
  DEMAG自身的由同一主动大齿轮增速驱动多个径向小齿轮,在同一机体内构成多级螺杆式压缩机(或多级离心式压缩机)的模式,套用者多多。其同属一国的GHH公司,也曾研发了在同一机体内的离心式串联螺杆式空气压缩机。
  3.2为天然气长输管线干线供气等用途的集输用天然气压缩机族群,仍将以往复活塞式为绝对主导机型,且将进一步有所大型化,而其品种自然是多样化的。
  集输类天然气压缩机,其额定工况甚为宽泛,流量值区间很大,进气压力值多异,而排气压力值也不尽相同。在集输用天然气压缩机的运行实际中,因地质条件变化等多种因素的影响,它的流量、进气压力都可能有所波动。
  集输用天然气压缩机的特定工况,恰恰可以充分发挥往复活塞式压缩机固有的技术特长,诸如:已制成并投运的多级往复活塞式压缩机,能从容适应较大变动的机的压力比,而这一点为其它结构类型的压缩机难以做到。偏离额定工况的集输用往复活塞式天然气压缩机,完全能够安全而经济合理地服役。
  通过大小不同的机型和台数匹配,往复活塞式天然气压缩机完全胜任集输用各种工况之需,且最为节能。
  3.3天然气汽车加气站用压缩机的需求量,势必逐渐萎缩。而其机型仍以往复活塞式为主体,多种液压式为辅。此状态,估计尚可维系20年左右。
  全球主导工业国家,多已明确以2035年为限,终止制造和销售燃油汽车,而由电动汽车全面取代之。
  在此强势背景下,基本无污染的天然气汽车,显然也面临巨大的压力。在制造与维修成本、售后服务、燃料费用等诸多因素的综合作用下,天然气汽车的逐步收缩已成定局。除了特定天然气气源地,尚有加气站压缩机极少量运行的可能性,加气站用压缩机曾经的需求异常光鲜的场景将定格于历史。毫无疑问的是,天然气汽车加气站用压缩机为全球范围内大气净化所做出的卓越贡献,永远彪炳史册。
  3.4油气田上游装备中,回注用高压天然气压缩机虽然年需求量不大,但依然不可或缺,并仍由往复活塞式压缩机雄踞绝对主导地位,其单机最大功率增幅不大,且全球有能力制造者依旧屈指可数。出于材料抗疲劳、抗高交变应力幅之需,其转速多在1000r/min以下。
  油气田回注用高压天然气压缩机,是用来增大油气田产能的。其进气压力高,而排气压力更高,达55~70MPa,并由系统兼获价昂、多用途的凝析油。
  毋需讳言,回注用高压天然气压缩机技术内涵高,设计、制造、运行均有诸多难点。它又必然是多列的,每列的活塞力值也大,这倒不是难题,最终可用贯穿活塞杆方案解扣。其气缸承受高应力幅的交变应力作用,在气阀孔与气缸镜面孔交汇处则更为严苛。其活塞环中除导向(支撑)环之处的压缩(密封)环,承受巨大的压力差。而密封活塞杆的填料组件,密封压力差很大,还要回收泄漏气,前置填料遂成为必不可少。制造环节中,交汇孔倒圆不到位、粗糙度不合要求,皆更易引起应力集中,甚至于导致气缸开裂报废。
  由于回注用高压天然气压缩机服役的油气田上游,是动力电及电力设施欠缺之地,故而其驱动机往往是大型天然气发动机,这又要求它能和发动机良好匹配全工况运转。
  3.5天然气储气库用注气压缩机,必将有大的发展。储气库座数及注气压缩机台数的需求量增幅,均将双双提升。而其注气压缩机的结构类型,仍持续由往复活塞式所垄断,同时单机最大功率值及列的最大活塞力值会有所增大。
  借助于早期的岩石山洞储存低电价时段生产的压缩空气技术,二十世纪八十年代初,原德意志联邦共和国采用废弃的岩盐矿洞穴,作为天然气储气库成功以来,天然气储气库建造技术日臻成熟。其核心是妥善解决了易泄露的天然气封存问题。
  天然气储气库作为应急与调峰的不二选择,被日益看好,也提升了其在天然气管网系统中的重要性。
  天然气储气库用注气压缩机,其最终排气压力在25~35MPa之间,无论其进气压力为若何,往复活塞式多级压缩机适应机的压力比范围大的特长,使其皆能圆满胜任之,同时比其它结构类型压缩机更节能。
  往复活塞式对称平衡型压缩机,在全球领域列的最大活塞力已高达1500kN而保运行无虞。这已由众多台数,国内南北方及国外专业名企制造的超大型氢气压缩机所证实。无疑,这是天然气储气库用注气压缩机大型化的技术保障。诚然,从实际需要角度看,还远不至于要1500kN级活塞力的。
  3.6液化天然气之原料气压缩机
  液化天然气的工艺流程,早已放弃了高压原料气方案。吸纳制冷机提供之冷量,原料气压缩机输出的中压天然气,相变为液化天然气。如此,液化天然气的成本降低,运行安全性更好。
  大型液化天然气装置,采用离心式压缩机或者螺杆(干式)压缩机。中小型液化天然气装置采用螺杆式(干式)或往复活塞式(气缸无油润滑)压缩机。这样的模式,综合经济性良好,且将保持下去。
  3.7液化天然气储罐系统配套的BOG天然气压缩机
  BOG压缩机的容积流量不很大,从而决定了它只能是往复活塞式压缩机。又因为其进气温度低于负一百多摄氏度,故而对气阀、气缸、活塞组件的材质有极严苛要求。在整机设计方面,BOG压缩机亦异于其它压缩机。在往复活塞式压缩机中,由迷宫式及气缸无油润滑的接触式,主导BOG压缩机的现状,亦将保持。
  不难看出,大有作为的各类型天然气压缩机中,需求量最大的是集输用压缩机。随着老油田地质条件的衰退,其需求更甚。
  储气库用注气压缩机,而今处于需求陡升期。
  输气干线用大型离心式天然气增压压缩机,则当然是重任在肩,无可替代。
 
  作者简历
  高其烈,1939.11生人,1961年西安交通大学压缩机专业活塞式专门化毕业,分配入原第一机械工业通用机械研究所五室压缩机组。压缩机专业研究员级高级工程师,西安交大1996—1999兼职教授,中国通用机械工业协会压缩机分会2003—2007秘书长、副理事长,《压缩机》杂志2007—2018主编。

来源:本站原创

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