天然氣長輸管道離心式壓縮機組能耗對比分析研究

甘 捷，姚孝庭，邱天友，朱志強

(國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著我國未來經濟的持續發展，對能源需求的總量將會加大，引發的環境問題更加突出[1]。天然氣作為清潔能源，它的使用范圍越來越廣泛。天然氣長輸管道在輸送、增壓處理過程中對于離心式壓縮機組的依賴性越來越強，壓縮機作為重要的動力裝置，主要用來輸送氣體和提高氣體介質的壓力[2]，是天然氣長輸管道高耗能設備。目前，國內對于離心式壓縮機組的能耗分析偏重于理論計算分析，卻對于離心式壓縮機組在天然氣長輸管道上實際應用中產生的能耗分析研究較少。現階段，離心式壓縮機的驅動裝置有電動機、汽輪機或燃氣輪機，針對天然氣長輸管道使用的大型離心式壓縮機組，電動機是主要的驅動裝置，往往采用的是變頻調速系統，通過轉速調節，達到節能目的。在天然氣長輸管道實際生產中，由于壓縮機運行工況與設計工況之間往往存在一定的差異，很多管道的運行參數僅憑經驗確定，從而導致能耗過高[3-5]，同時，在電動機裝置選型方面，由于不同廠家的電動機裝置在管道運行使用上產生的能耗不同，節能方面還有挖掘空間。針對管道輸氣工況，在單臺機組或雙臺機組運行方式選取上的不同，產生的能耗也會有所不同，這些都是可以開展壓縮機節能降耗的研究方向。對此，從壓縮機的驅動裝置入手進行實際分析，運用類比法，對各個壓縮機性能進行比較，計算和預測壓縮機的實際能耗，通過現場實際數據進行驗證，以此為提高壓縮機的管理水平和實現節能降耗提供參考依據[6-7]。

1 某壓氣站壓縮機組特征

離心式壓縮機利用高速回轉的葉輪對氣體做功，使氣體的動能大為增加，同時，氣體在離心慣性力和在葉輪氣道中降速的共同作用下，其靜壓能也得到大幅度提高，在葉輪后面的擴張流道中部分氣體動能又轉變為靜壓能，而使氣體壓力進一步提高，經過多級壓縮后，被壓縮的氣體排出，實現對氣體的增壓、輸送的目的。某壓氣站共有4臺離心式壓縮機組，壓縮機本體都是GE公司生產的PCL503，轉子通徑為DN500，葉輪3個，其中3臺壓縮機組的驅動電機是西門子電機，2×4.16 kV/7 200 kW，變頻器為西門子變頻器GM150，齒輪箱變速比為4.55；1臺新建的壓縮機組的驅動電機是ABB電機，6.6 kV/7 200 kW，變頻器為ABB變頻器ACS5000，齒輪箱變速比為3.77。壓縮機轉子是相同的，額定轉速都是6 820 rpm，但驅動電機及配套變頻裝置不一樣，機組運行中產生的能耗肯定也會有所不同，由此，可以對比分析在相同工況運行條件下，不同變頻驅動裝置的壓縮機能耗特點。

從電機的特性曲線進行考慮，將電機的理論計算驅動功率和壓縮機帶負載運行時的電機輸出功率在直角坐標系中以曲線的形式表示出來(圖1)，可以得到電機的特性曲線，從曲線圖中可以看出，電機在實際帶載運行中的輸出功率與理論計算驅動功率存在較大差異，這就給壓縮機組在實際運行中采取一些方法降低電機的輸出功率提供了依據。

圖1 電機特性曲線圖

2 兩種不同驅動電機實際能耗

首先，我們從這新、老機組電機驅動的變頻器調速原理進行分析，由于西門子變頻器的機組為恒扭矩控制，ABB變頻器機組為恒功率控制(也稱弱磁調速)，在相同的轉速下，輸出力矩不一樣，輸出功率也就不一樣。西門子變頻器采用在基頻以下調速，基頻頻率FN為50 Hz，采用的調速方式為恒轉矩調速，西門子變頻器在基頻以下調速的時候，能夠保證恒定的輸出轉矩,而ABB變頻器采用恒功率控制，也就是弱磁調速，ABB變頻器在基頻以上調速的時候，也就是如圖2所示：F>FN之后，實際上是個弱磁調速狀態，由于電壓U不變，只有降低磁通量Φm進行調速，對應的電磁轉矩Tm有所下降，但是對應的速度和轉矩的乘積是不變的，速度和轉矩的乘積代表電動機輸出功率，因此在基頻以上的可以稱之為恒功率調速。

圖2 變頻器弱磁調速控制圖

P=(N*T)/9 550

式中T——轉矩/N·m;

P——輸出功率/kW;

N——電機轉速/r·min-1。

可知，當轉速N上升，輸出功率P恒定，轉矩T下降，輸出功率一定，轉速與轉矩成反比。由此可以推出，西門子電機輸出力矩大，帶載能力強；ABB變頻器輸出力矩小，帶載能力弱。對于滿負荷工況運行的情況，從生產需要來看，西門子電機更顯優勢，帶載能力更強。

為了更好地得出兩種變頻器裝置能耗不同，我們將其中1臺老機組西門子變頻器的機組命名為1#機組，ABB變頻器的機組命名為4#機組，將這兩種變頻器的機組在相同工況同時運行，在相同的轉速下，壓縮機的進出口壓力一致的情況下，我們先從瞬時電量進行分析，根據變電所后臺監控的變頻器10 kV隔離變運行時的瞬時電流值，計算1#機組變頻器和4#機組變頻器在相同工況下的瞬時功率

③但是，如果從及物系統過程類的角度講，[2a]和[2b]是不同過程間的語法隱喻；而就“baby”這個詞而言，它在[2a]和[2c]分屬不同的參與者成分，也可看作是語法隱喻。

P1-P2=6 207.141 6-5 634.438 48=572.703 12 kW；

在相同運行工況下，從這兩臺機組的瞬時功率來看，4#機組比1#機組更為節能，但瞬時電流只能作為一個參考，無法準確的計算壓縮機組真實消耗的電量，我們將在同一工況條件下，對西門子機組和ABB機組并聯運行3天，根據實際耗電量進行計算。

由于機組運行時的能耗跟壓縮機的轉速與進口流量存在關聯，對此，我們在壓縮機組進出口壓力一致的情況下，分別從機組運行時的轉速和流量進行對比分析。

2.1 壓縮機轉速相同

在10月25日到10月27日，并聯同時運行壓縮機1#、4#機組，由于是在同一管網并聯運行，1#、4#機組的進出口壓力一致，將壓縮機轉速調整為相同，在每日的同一時刻記錄1#、4#機組在72 h內運行時的瞬時流量、瞬時功率和當日消耗電量，從記錄的數據進行對比分析(表1)。

表1 相同轉速下西門子電機與ABB電機運行參數表

在測試中，1#、4#機組的壓縮機轉速一致，進出口壓力相同的情況下，1#機組的進口流量是40.7萬Nm3/h，4#機組的進口流量是43萬Nm3/h，1#機組的電機運行功率是3 647 kW，4#機組的電機運行功率是3 515 kW，4#機組的進口流量明顯比1#機組多2.3萬Nm3/h，但電機功率比1#機組低，同一時間段消耗的電量，4#機組比1#機組低。

2.2 進口流量相同

在10月28日到10月30日，對并聯同時運行壓縮機1#、4#機組的進出口壓力保持一致，將壓縮機轉速進行調整，保持兩臺機組的進口流量一致，在每日的同一時刻記錄1#、4#機組在72 h內運行時的壓縮機轉速、瞬時功率和當日消耗電量，從記錄的數據進行對比分析(表2)。

表2 相同流量下西門子電機與ABB電機運行參數表

1#、4#機組的運行工況基本一致，進口流量基本相同，進出口壓力也是一致，1#機組壓縮機轉速為5 720 rpm，4#機組壓縮機轉速為5 586 rpm；1#機組的電機功率為4 260 kW，4#機組電機功率為3 840 kW，可以得出，在機組進出口壓力、進口流量相同的情況下，4#機組的壓縮機轉速要求低一些，對應的電機功率也低，消耗的電量也低。

從以上兩臺機組的流量、轉速對比分析，我們可以得出，4#機組相比1#機組運行，消耗的電量低，也就是在同等工況運行條件下，4#機組比1#機組更為節能。因此，對機組的運行工況方式研究是壓縮機能耗管理的重要一項內容，深度優化機組的負荷運行控制策略，從而提升機組經濟性能并解決機組協調控制問題[8-10]。

3 單臺與雙臺機組實際能耗

為了更好地對比分析單臺機組與雙臺機組運行情況，我們選取驅動電機都為西門子電機進行比較，將其命名為2#、3#機組。

3.1 單臺機組運行

當3#機組單獨運行時，我們選取3月25日、3月26日、3月27日的同一時刻運行時的參數進行比較(表3)。

表3 單臺機組運行參數表

3.2 兩臺機組同時運行

在2#、3#兩臺機組同時運行時，我們選取4月11日、4月12日、4月13日的同一時刻運行時的參數進行比較(表4)。

表4 兩臺機組并聯運行參數表

從以上數據對比，我們可以得出，單臺機組運行時，3#機組進口平均壓力為6.71 MPa，出口平均壓力為8.27 MPa；兩臺機組運行時，3#機組進口平均壓力為6.38 MPa，出口平均壓力為9.0 MPa。兩臺機組加載運行時，進口壓力由6.72 MPa降低到6.38 MPa，比單臺機組運行降低了0.34 MPa左右，降低了5.06%；出口壓力由8.22 MPa升高至9.06 MPa，升高了0.84 MPa左右，升高了10.21%；進口流量由單臺機組運行的70萬Nm3/h增加至兩臺機組運行的86萬Nm3/h，增加了18萬Nm3/h左右，增加了26.5%。其中由于管道工況輸氣量的影響，兩臺機組在同時運行時，防喘振閥不能全關，處于一定開度打回流的流量合計約18萬Nm3/h，根據進口總流量，按防喘振閥開度比例大致計算2#機組回流量約43×32%=13.7萬Nm3/h，3#機組的回流量約42×10%=4.2萬Nm3/h，合計17.9萬Nm3/h。由此可得出，實際上兩臺壓縮機同時運行的輸氣量與單臺機組運行相比較，變化不大，單臺機組運行也可以完全滿足生產需要。

另外，單臺機組加載運行時的機組防喘閥都處于全關位置，不會出現壓縮機出口氣體回流的情況，而兩臺機組加載運行時，受管道氣量不足影響，兩臺運行的壓縮機進口流量較低，防喘振閥處于一定的開度，通過打回流來增加壓縮機進口流量，額外造成壓縮機的能耗損失。對此，這樣雙臺機組并聯運行模式效率更低，穩定性更差，當兩臺壓縮機并聯工作時，總的流量表面上增加了，但每臺壓縮機本身的實際做功流量要比單獨運轉時減少了，工況點落入到喘振區的可能性也增加了[ 11]，如果壓縮機運行工況點長期在喘振線附近運行，就會存在進口流量波動導致壓縮機發生喘振的風險，從而給壓縮機組造成了一定的運行隱患。

4 結論

(1)壓縮機本體型號一致時，當選取不同型號的驅動電機及變頻器時，由于其工作原理的不同，在機組運行中產生的能耗也是不同的，在機組節能方面從設計選型方面入手是最直接的節能方式。

(2)在特定的運行工況下，兩臺機組加載運行時比單臺機組加載運行時的能耗有較高程度的增加，但是壓縮機的增壓能力未有相應程度的提高，管道輸氣量幾乎沒有增加，在管道氣量不充足的情況下，建議采納單臺機組加載運行的方式，以達到優化機組運行模式、降低機組運行能耗的效果。

(3)通過對不同工況下的壓縮機各個運行參數進行比較，利用實際產生的電量數據得到壓縮機在運行中的實際能耗，對壓縮機的能耗管理有一定的的參考作用。