摘要：长输管线压缩机是实现天然气远距离输送的核心设备，同一般的天然气压缩机运行环境相比，长输管线压缩机大多安装在野外缺水少电的地方，现场很难提供合适的水源和电力条件，而且设备要求自动化程度高，所以对整个机组有着很高的要求。文章对长输管线压缩机产品进行了概述。
关键词：长输管线压缩机；结构开发；控制系统；天然气输送；天然气压缩机 文献标识码：A
1 研制历程
2009年，国家能源局启动了天然气长输管道压缩机国产化研制项目，并将设备总成套任务交给了沈阳鼓风机集团股份有限公司。由于天然气输气管线压缩机组的研制具有征服高难度、打破国际垄断的特殊性，国家有关领导高度重视，在国家能源局、中国机械工业联合会、中国石油天然气集团公司的正确领导下，经过产学研联合攻关，和所有参研单位的共同努力，成功完成了国内首台长输管线压缩机组的研制任务。
2 产品概述
沈阳鼓风机集团股份有限公司为西气东输工程提供的首台套国产化长输管线离心压缩机组型号为PCL804。这种压缩机是专门为在管道中输送气体设计。工艺气体依次进入各级叶轮进行压缩，一直压缩至出口状态，没有中间气体冷却器；压缩机入口及出口法兰分布在机器两侧，与现场操作地面平行。长输管线压缩机组主要由离心压缩机、干气密封系统、润滑油系统、UMD不间断电源系统、机组控制系统、变频驱动系统等部分组成。压缩机旋转方向：从变频电机端看压缩机，机组旋转方向为逆时针。压缩机进出气口方向：从变频电机端看压缩机，左侧为进气口，右侧为出气口。如图1所示：
图1 压缩机总布置图
离心压缩机主要由定子（机壳、隔板、密封、平衡盘密封、端盖）、转子（轴、叶轮、隔套、平衡盘、轴套、半联轴器等）及支撑轴承、推力轴承、轴端密封等组成。如图2所示：
图2 压缩机本体结构图
在长输管线压缩机研制过程中，沈鼓先后突破了诸多世界前沿的技术关键，取得了一系列国家重大科研成果，主要内容如下：
2.1 压缩机专用模型级系列研发设计
长输管线压缩机是实现长输设备国产化的最大难点。目前世界压缩机研发制造正在向大型化、系列化、运行高效化、结构小型化、低噪声化方向发展，而这些均取决于压缩机制造技术的核心――模型级技术。我国此前没有掌握模型级技术，导致压缩机体积大、耗能高、材料消耗多，功能达不到要求。高效率是管线压缩机组设计追求的重要参数之一，也是国际上同行业设计水平和市场竞争力的充分体现。为了实现这一目标，沈鼓集团采用准相似切割计算、性能分析、反复修正等技术措施，优化模型级系列化设计方案，完成了大量性能试验，获得了大量可靠数据，采用离心压缩机模型级设计软件Concepts/NREC、全三维黏性流场分析软件NUMECA软件多模型级子午流道设计、叶片造型设计及分析、并在自主研制的轻介质试验台上进行了7个典型模型级的试验验证、最终自主成功研发11个管线压缩机专用模型级，形成管线压缩机系列模型级的性能型谱，保证了机组效率达到88%，保证了机组运行区域宽、流量调节范围广、模型级效率高、性能曲线平坦。沈鼓机组流量调节范围为45%～150%，国外GE机组流量调节范围为65%～135%。
经过国家能源局组织的国家级专家鉴定，模型级效率达到国际领先水平。
2.2 压缩机结构开发设计
2.3 三元闭式叶轮整体铣制和两件焊叶轮加工技术，提高了加工效率
闭式叶轮整体铣制的工艺方法，即在整块毛坯上铣制出三元流道，其加工编程和刀具设计均有极大的难度。我们通过修改机床各坐标轴的限位，满足了叶片的扭曲范围。通过精确的计算，避免了加工时主轴与工作台的干涉，同时由于叶轮材料较黏，易黏刀，易磨损，我们选用了刀刃锋利、材料韧性较好的刀片，减小了刀具震动，保证了加工质量。
2.4 管线压缩机组润滑油系统的专有设计，满足了天然气场站环境的特殊要求
润滑油系统首次设计采用空气冷却器进行冷却，满足了天然气场站安装环境的特殊条件，针对最低环境温度的，为了保证正常使用，采用热风循环的方式，并根据具体的最低环境要求，润滑油系统进行伴热及保温设计。由于现场条件限制，无法设置通常配置高位油箱来保证事故状态，尤其是电源事故状态下的安全停机，采用了UMD补电源供电系统经过了计算和试验验证保证了事故状态下的安全停机。管线压缩机与流程压缩机比较基本属于现场无人值守操作，所以对整套系统的自动化程度及远程操作都提出了特殊要求。自动调压排烟风机系统的研制，保证了在油箱真空度过高或过低时的自动调节功能，尤其解决了排烟风机故障情况下的油箱烟气排放问题。对润滑油空冷器和调节阀门进行了远程自动调节控制，保证供油系统的最大程度的自动化。 2.5 机组群控制系统的开发设计
天然气长输管线电驱压缩机组群控制系统是多种国产化设备的集成，主要包括成套装置长输管线压缩机、变频驱动系统、机组控制系统、干气密封系统、润滑油系统及其他辅机系统等。根据天然气长输管线增压站场的应用特点，重点实现极限调节、限制保护、故障停机保护、多机组性能调节、轴系仪表检测系统、ESD保护系统通过网络互联，达到一体化集成控制和远程监控等功能。
天然气长输管线电驱压缩机组群控制系统开发设计优点如下：通过自动调节变频电机转速来维持各站出口压力，以满足管线输送气量要求。自动将压缩机控制在制造厂限定的安全和经济运行区域内。通过优化控制算法最小化压缩机和管线系统的安全限制裕度，从而优化机组运行最大化运行区域。通过优化的性能控制、喘振控制和速度控制回路之间的实时解藕算法，稳定机组运行。通过先进的负荷分配控制系统，使并联运行机组网络能量效率最大化在管线系统状态发生变化时，能够自动调节机组负荷，并提供自动启动、停车、和机体气体置换书顺序控制程序，使得操作员干预最小化。紧急连锁保护、机组自身机械联锁保护，机组自动启停车顺序控制。实现远程调控中心监控功能。研制结果：天然气长输管线机组群控制系统整体功能性能达到了国外先进产品的技术水平。
2.6 管线压缩机组干气密封控制系统开发设计
针对天然气场站野外环境条件的特殊性，干气密封控制系统开发设计具有完备的自动监测、调节控制和自保联锁等功能，并配有特殊的增压、加热除液和过滤装置等全面控制功能，保证了机组正常安全开车，防止了冷凝液体出现损坏干气密封影响长输管线压缩机运行。
2.7 大型筒型机壳配重加工技术，解决了大型筒型机壳加工制造难点
管线压缩机机壳尺寸、重量大，且一侧偏重，在加工过程中会导致工作台旋转不平稳，影响工件加工精度。我们经过充分分析设备能力的基础上，采用在工作台上配重，每次精加工前从1500kg开始试配、试加工，直到试加工测量合格后方进行精加工，解决了大型筒型机壳加工制造难点。
2.8 大型机壳的焊接技术
筒体和进出风口厚度大、刚性强，在拘束应力的作用下焊缝极易产生缺陷、给焊接带来极大的困难。选用耐低温、高韧性J507RH焊条及H09MnNiDR焊丝，按ASME要求进行焊接工艺评定，确定焊接工艺规程。焊后进行无损探伤检验保证了焊接质量。
3 重大意义
长输管线压缩机组国产化意义重大，该项目受到国家发改委、能源局的高度重视，是关系到国计民生的重大项目，也是国家能源局确定的重大科研专项之一，其试制成果将为国家大型装备制造业提供快速成长和发展的机会，提高综合竞争实力，打破垄断、降低成本，其在政治、经济、社会等多方面均将产生深远影响，具有极其重要的意义，因此，沈鼓集团作为该项目的总成套方，着眼于产品设计、制造过程中的每一个环节，工作落实到位，与各个参研单位、配套厂家及时沟通，厂内相关部门密切配合、通力协作，确保机组按研制合同要求顺利完成，打造沈鼓集团在长输管线压缩机领域的国际品牌。20MW级电驱压缩机组首台套的研制成功对于整个天然气输气管线压缩机组的国产化进程来说，还仅仅只是一个开始。中国石油将陆续建设西三线、西四线、西五线等长输天然气管道，仅西三线的规划，就将使用燃驱机组23套、电驱机组54套，未来的道路很宽广，沈鼓集团在未来的压缩机市场必然动力十足，为祖国天然气的运输提供最强大的“心脏”。
参考文献