螺桿式增壓機(jī)組在天然氣分布式能源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

沈丹丹 陳 鋒楊文杰戴 燦

1．上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司

2．漢斯昆騰（上海）貿(mào)易有限公司

3．中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所

0 概述

天然氣分布式能源是指以清潔能源天然氣為燃料的分布式供能系統(tǒng)。常規(guī)天然氣分布式能源的燃?xì)鈦?lái)源于市政管網(wǎng)，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目，所供燃?xì)鈮毫o(wú)法滿足燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓力，需要采用增壓機(jī)組提高壓力以滿足燃機(jī)進(jìn)氣需求。

據(jù)中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)分布式能源專委會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2018年12月底，天然氣分布式能源項(xiàng)目共計(jì)494個(gè)，新增項(xiàng)目主要為園區(qū)類和工業(yè)類項(xiàng)目。其中園區(qū)類占新增項(xiàng)目個(gè)數(shù)的67%，工業(yè)類占15%，而此類項(xiàng)目多采用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)供能，故增壓機(jī)的需求也隨分布式能源項(xiàng)目的進(jìn)一步發(fā)展而得到增長(zhǎng)。

增壓機(jī)作為分布式能源系統(tǒng)的輔助設(shè)備，正確的選型、配置、設(shè)計(jì)對(duì)今后項(xiàng)目運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性都有著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合某工廠分布式能源項(xiàng)目對(duì)增壓機(jī)組的設(shè)計(jì)運(yùn)用進(jìn)行概述和分析。

1 天然氣增壓機(jī)設(shè)備特點(diǎn)

壓縮機(jī)種類繁多，按工作原理分，有容積型、速度型、熱力型等種類[1]。

容積型含往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種，有活塞式、螺桿式、渦旋式、轉(zhuǎn)子式等；速度型主要有離心式和軸流式；熱力型有噴射式。

分布式能源系統(tǒng)中常采用往復(fù)式、螺桿式和離心式增壓機(jī)。

往復(fù)式增壓機(jī)指通過(guò)氣缸內(nèi)活塞或隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使缸體容積周期變化并實(shí)現(xiàn)氣體的增壓和輸送的一種壓縮機(jī)。螺桿式增壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出的一種壓縮機(jī)。離心式增壓機(jī)屬速度型壓縮機(jī)，在其中有一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉輪（葉片通常在側(cè)面）使氣體加速[2-3]。三種常用增壓機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 增壓機(jī)主要技術(shù)特征[4]

2 工程案例概況

某工廠分布式能源項(xiàng)目，有兩套6．6MW的燃?xì)廨啓C(jī)，市政供氣壓力為0．6MPa，燃機(jī)進(jìn)氣壓力要求為2．5 MPa，本項(xiàng)目擬配置兩套增壓設(shè)備，與燃機(jī)一對(duì)一運(yùn)行。燃?xì)鉁囟葹?℃～30℃，燃機(jī)最大耗氣量為冬季工況下的天然氣消耗量，考慮流量裕量后，每套增壓機(jī)設(shè)計(jì)流量為2 500Nm3/h。正常狀態(tài)允許的壓力變化率要求不大于0．2 bar/s，燃機(jī)進(jìn)氣溫度不低于5℃、不超過(guò)80℃，允許的溫度變化率不大于4K/min。燃料潔凈度要求為固體顆粒：2-10μm過(guò)濾效率大于90%；＞10μm過(guò)濾效率100%；液體顆粒≥10μm過(guò)濾效率99．5%。燃機(jī)進(jìn)氣含油量≤1ppm。

3 增壓機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行研究

以上述工程項(xiàng)目為例，對(duì)增壓機(jī)在分布式能源系統(tǒng)中運(yùn)用的要點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 增壓機(jī)類別

本項(xiàng)目單臺(tái)流量為2 500Nm3/h，流量較小，壓比為4，大流量的離心式機(jī)組暫不予以考慮。分布式能源系統(tǒng)一般作為長(zhǎng)期運(yùn)行的優(yōu)先供能形式或者為重要負(fù)載供能，安全性要求較高，選用活塞式機(jī)組，初期投資成本稍有優(yōu)勢(shì)，但考慮后期運(yùn)維，往復(fù)式機(jī)組故障率高，若采用備用機(jī)組形式，性價(jià)比降低。因此，根據(jù)前文各類增壓機(jī)技術(shù)特征，結(jié)合項(xiàng)目流量壓比等參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)用地緊張的情況，天然氣工質(zhì)較為潔凈、結(jié)合采購(gòu)預(yù)算、運(yùn)行安全等特點(diǎn)，優(yōu)選采用小型緊湊的螺桿式增壓機(jī)。同時(shí)，一般工業(yè)用戶或小型園區(qū)類分布式能源項(xiàng)目，以中小型燃機(jī)為主，單機(jī)功率不超過(guò)30MW，多采用螺桿式增壓機(jī)。

3.2 工藝流程

增壓機(jī)系統(tǒng)通常包含三個(gè)部分：電動(dòng)機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)組成的壓縮系統(tǒng)，油冷冷卻器、油分離器、油過(guò)濾器、油泵等構(gòu)成的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)以及進(jìn)排氣切斷閥、進(jìn)氣過(guò)濾器、止回閥、壓力溫度檢測(cè)等組成的氣路系統(tǒng)。

增壓機(jī)的出口溫度近似計(jì)算公式：

式中T1，T2—增壓機(jī)進(jìn)出口溫度，K；

P1，P2—增壓機(jī)進(jìn)出口壓力，MPa；

K—等熵指數(shù)，天然氣取1．27。

當(dāng)夏季工況時(shí)，壓縮機(jī)入口溫度為303K時(shí)，出口溫度遠(yuǎn)大于80℃，故本項(xiàng)目增壓機(jī)需設(shè)置后冷卻器，降低排氣溫度滿足進(jìn)氣要求。

此外，燃機(jī)對(duì)進(jìn)氣含油率、顆粒度較為敏感，雖然增壓機(jī)系統(tǒng)后有燃?xì)馇爸媚K對(duì)進(jìn)氣精過(guò)濾處理，但增壓系統(tǒng)上仍建議設(shè)置進(jìn)氣過(guò)濾器，保障燃機(jī)進(jìn)氣潔凈度；增壓機(jī)系統(tǒng)出口處設(shè)計(jì)二次油分離，將含油率降至1ppm，以滿足要求。工藝流程如圖1所示。

圖1 增壓機(jī)組一般工藝流程示意圖

天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)機(jī)頭，經(jīng)壓縮后以高溫高壓的氣態(tài)天然氣從排氣口排出，經(jīng)過(guò)油分離器，將天然氣和潤(rùn)滑油分離出來(lái)，分別進(jìn)入工藝氣體系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)。分離后的天然氣進(jìn)入后冷卻器，溫度降至設(shè)計(jì)溫度后，進(jìn)入二次油分離器，降低天然氣含油量，然后將天然氣供氣至下游前置模塊。分離后的潤(rùn)滑油進(jìn)入油冷卻器降溫至設(shè)計(jì)溫度后通過(guò)增壓機(jī)不同部位后起到潤(rùn)滑作用，與吸入的天然氣一起被壓縮，混合氣體進(jìn)行油氣分離，以此循環(huán)。

3.3 冷卻方式

潤(rùn)滑油從油分離器分離后，需進(jìn)入油冷卻器中進(jìn)行冷卻，把壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，降低油溫，經(jīng)冷卻的油經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后經(jīng)油泵增壓進(jìn)入至壓縮腔體、軸承、軸封等處，然后進(jìn)入壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子腔，帶走一部分的壓縮熱達(dá)到潤(rùn)滑、密封、減噪及散熱的作用。

本項(xiàng)目中增壓機(jī)有油冷卻器和后冷卻器，主要有水冷、風(fēng)冷方式。水冷油冷卻器通常采用管殼式結(jié)構(gòu)，不銹鋼材質(zhì)，需外部提供冷卻水；風(fēng)冷一般采用板翅式冷卻器，需要配置風(fēng)機(jī)，工藝上比水冷簡(jiǎn)單，但造價(jià)偏高，易存在噪音問(wèn)題。本案例中，現(xiàn)場(chǎng)有冷卻水系統(tǒng)可以利用，故確認(rèn)為水冷方式。

3.4 占地布置

根據(jù)GB50016《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，燃?xì)庠鰤洪g、調(diào)壓間為甲類廠房，故燃?xì)庠鰤簷C(jī)組與廠內(nèi)外道路、鐵路，及余熱鍋爐、原動(dòng)機(jī)房等丁類廠房間都需要有明確的防火間距要求，增壓機(jī)的設(shè)計(jì)布置應(yīng)充分考慮最小間距。

天然氣增壓機(jī)組可為成撬設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝快速便捷，對(duì)中工作量小，機(jī)組在基礎(chǔ)就位且在水平度確認(rèn)后地腳螺栓澆注。本項(xiàng)目中設(shè)備露天布置，因此機(jī)組上電氣儀表除防爆要求外需滿足戶外防水要求。

3.5 設(shè)備材質(zhì)

壓縮機(jī)的殼體和一對(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子是增壓機(jī)的關(guān)鍵零件，本項(xiàng)目排氣壓力設(shè)計(jì)為2．5MPa，主機(jī)最高設(shè)計(jì)壓力為2．8 MPa，殼體采用球墨鑄鐵材料，轉(zhuǎn)子采用鍛鋼材質(zhì)，在負(fù)載狀態(tài)下比球墨鑄鐵更具耐磨性及抗疲勞性。

3.6 流量調(diào)節(jié)

增壓機(jī)的流量調(diào)節(jié)通常有滑閥+回流，變頻+回流兩種調(diào)節(jié)方式。滑閥調(diào)節(jié)通過(guò)滑閥的左右移動(dòng)，增大或減小有效壓縮容積以調(diào)節(jié)氣量大小，調(diào)節(jié)范圍為100%～10%，可滿足多種工況的流量輸出，同時(shí)大幅降低了生產(chǎn)能耗，也可保證增壓機(jī)的效率，剩下的10%～0%的流量范圍由回流調(diào)節(jié)來(lái)承擔(dān)。變頻流量調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制流量，該方式初投資較大。本項(xiàng)目采用第一種方式，性價(jià)比較高。

3.7 儀表控制

增壓機(jī)常采用PLC可編程控制系統(tǒng)，有遠(yuǎn)程和就地控制方式。進(jìn)排氣壓力、溫度，過(guò)濾器分離器壓差，供油壓力、溫度、液位，冷卻器前后溫度等是主要的控制項(xiàng)目是增壓機(jī)報(bào)警、停機(jī)等主要依據(jù)。另外也可根據(jù)不同用戶需求采集殼體振動(dòng)、滑閥位置、電機(jī)電流等信號(hào)，以便更全面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

本項(xiàng)目分布式能源作為重要保障電源，增壓機(jī)儀控設(shè)計(jì)中涉及到停機(jī)的信號(hào)均采用三取二，保證機(jī)組不會(huì)因誤報(bào)警而停機(jī)，避免給用戶帶來(lái)不必要的損失。

3.8 安全運(yùn)行

增壓機(jī)的安全性在實(shí)際運(yùn)行中至關(guān)重要，不僅需要定期的維護(hù)保養(yǎng)，同時(shí)也需有具體有效的控制風(fēng)險(xiǎn)措施。

螺桿式增壓機(jī)易損件少，維護(hù)保養(yǎng)工作簡(jiǎn)單。保養(yǎng)工作應(yīng)涵蓋壓縮機(jī)的外觀檢查、防銹處理，運(yùn)行工況下的連接部位滲漏檢查，過(guò)濾器的檢查清洗更換、油品水質(zhì)的定期檢查分析。定期維護(hù)則應(yīng)包括每日油溫、油壓差、油位等主要參數(shù)、運(yùn)行的監(jiān)測(cè)，運(yùn)行時(shí)間的確認(rèn)，技術(shù)參數(shù)設(shè)定值的比較調(diào)整等。在長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)期間及重新使用前按具體供應(yīng)商要求進(jìn)行定期巡視處理。

分布式能源系統(tǒng)中增壓機(jī)介質(zhì)為天然氣，增壓機(jī)在運(yùn)行中存在著易燃易爆、腐蝕、超溫超壓、工藝缺陷、噪音安全風(fēng)險(xiǎn)，為此運(yùn)行中應(yīng)有必要的安全防范措施[5-7]。

1)增壓機(jī)組設(shè)置可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警系統(tǒng)；設(shè)計(jì)前期設(shè)備的場(chǎng)地布置盡量選擇敞開(kāi)式，有隔音罩或廠房?jī)?nèi)需滿足通風(fēng)要求；設(shè)備啟動(dòng)前及日常巡檢時(shí)都要確定系統(tǒng)完好，無(wú)油氣泄漏。

2)腐蝕主要是由于工質(zhì)中含硫物造成，因此設(shè)計(jì)前期需要確認(rèn)天然氣中是否含硫，根據(jù)實(shí)際情況增加脫硫處理，采用防腐材料，運(yùn)行中定期巡檢更換部件。

3)機(jī)組潤(rùn)滑不佳而使機(jī)械長(zhǎng)期磨損會(huì)導(dǎo)致超溫現(xiàn)象，因此要根據(jù)天然氣組分選擇品質(zhì)佳的潤(rùn)滑油品，并定期除污，檢查冷卻器、油水分離器等，保證機(jī)組潤(rùn)滑性能。

4)不斷修補(bǔ)機(jī)組工藝漏洞，安裝多種檢測(cè)裝置，完善報(bào)警系統(tǒng)，提高預(yù)警能力。

5)增壓機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的噪音會(huì)對(duì)工作人員和周邊環(huán)境造成一定的影響，必要時(shí)機(jī)組設(shè)置隔音罩，工作人員配備隔音耳罩等。

6)提高增壓機(jī)管理人員的技能素質(zhì)，掌握故障辨識(shí)基礎(chǔ)、增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)等。

4 小結(jié)

增壓機(jī)是大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)分布式能源項(xiàng)目中不可或缺的設(shè)備，從流量壓比、維護(hù)保養(yǎng)、設(shè)備可靠性及連續(xù)性、流量調(diào)節(jié)方式等方面綜合考慮，螺桿式增壓機(jī)具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)充分探究分析項(xiàng)目工程條件、燃機(jī)特性、天然氣組分、采購(gòu)預(yù)算等具體情況，對(duì)增壓機(jī)組進(jìn)行有針對(duì)性的工藝設(shè)計(jì)和配置，并在后續(xù)運(yùn)行中針對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行防范，保障分布式能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。