一体式压缩机研发现状综述

姚 洁，孙昊强，赵 扬

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869)

一体式压缩机研发现状综述

姚 洁，孙昊强，赵 扬

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳 110869)

一体式压缩机是将电机和压缩机封装在一起，采用电磁轴承支撑的新型电驱压缩机组，其运行范围更宽、免维护、无油润滑、更加环保，在当今天然气市场具有极强的竞争力。本文从结构特点、技术参数、应用领域等方面阐述一体式压缩机的研发应用成果，希望对从事一体式压缩机研发的工程技术人员有借鉴作用。

一体式压缩机；电磁轴承；研发

1 前言

随着天然气市场对压缩机柔性、可靠性、快速响应、免维护等的要求[1]，传统结构的压缩机已经不能满足需求，开发新型一体化压缩机成为了解决方案。

一体式压缩机是全新的电驱压缩机组，将电机与压缩机封装在一个机壳内，采用电磁轴承进行支撑，用流程气冷却。因其采用电磁轴承，可充分利用其转定子无接触，无机械摩擦损失，效率更高，不需使用润滑油系统及其辅助系统等优点，实现了体积小，排放低，且运行范围更宽，可适应天然气市场的快速变化，能够实现远程控制等功能。世界各大压缩机厂商相继开发了基于电磁轴承的

一体式无油润滑压缩机系统。

本文主要从结构特点、技术参数、应用领域等方面阐述一体式压缩机的研发成果。

2 电磁轴承原理及主要生产商

电磁轴承是一体式压缩机的关键部件，由于其不需使用润滑油系统，并可采用流程气进行冷却，使其可封装在压缩机内部，使得一体式压缩机成为可能。

电磁轴承是通过对电磁铁的实时动态控制，使其产生受控的非接触磁场力来实现物体的悬浮[2]。其核心部件包括电磁铁、传感器、控制器和功率放大器，功能原理如图1所示。

经过多年发展，电磁轴承已经成为了一个较为成熟的工业产品。目前，专门从事电磁轴承设计和制造公司主要有法国的S2M，美国Waukesha公司，瑞士MECOS公司等。此外，主流透平机械厂商也为自己的压缩机配套生产电磁轴承。2012年，美国压缩机制造厂家Dresser-Rand公司收购了Synchrony公司，生产径向和轴向电磁轴承。德国MAN Diesel & Turbo公司于2012年收购了与其长期合作的瑞士MECOS公司，为其压缩机、透平膨胀机配套生产电磁轴承。

3 一体式压缩机的研发现状

近些年，国外主流压缩机厂商纷纷研制装备有电磁轴承的一体式压缩机，代表性的企业有德国SIEMENS公司、MAN公司，美国GE公司和Dresser-Rand公司。

3.1 德国SIEMENS公司

自1999年起，为了适应天然气上游非清洁天然气压缩的需求，SIEMENS公司与SHELL公司开始联合开发STC-ECO型一体式压缩机[3]。该机型为电机直接驱动，立式布置，电机与压缩机集成封装在一个机壳内，采用电磁轴承支撑(图2)。根据用户不同要求，可采用电机+多级叶轮形式或悬臂叶轮+电机+悬臂叶轮形式布置。

2006年8月，原型机研制成功并进行现场测试。经20个月的现场测试后，该机型实现了从测试样机向正常生产设备的转变。其技术参数见表1。

表1 STC-ECO技术参数

3.2 德国MAN公司

德国MAN公司于1989年研发成功全球第一款MOPICO型一体式电驱管线压缩机系统[4]。该压缩机是为天然气管线特别设计，采用轴向进气形式。压缩机布置形式为中间是高频感应电机，电机两侧直接连接2个单独的压缩级，根据不同需要可进行串联或并联，提供较宽的运行范围，适用于大流量的应用场合。整个压缩机转子由2个径向电磁轴承和1个电磁推力轴承进行支撑。电机和电磁轴承均采用流程天然气进行冷却，最终循环回吸气系统，冷却气压力约等于管线的进气压力。垂直剖分的外机壳分成3部分，可使机器承压达150 MPa。

1991年，在MOPICO机型的基础上，MAN公司又开发了具有更高压比、应用范围更广泛的HOFIM型一体式压缩机[5]。该型压缩机集合了MOPICO密封性、环保性的电机压缩机系统的优点，但在机组布置形式上与MOPICO不同，它采用电机+多级叶轮形式布置。1997年，MAN公司开发成功了Tandem HOFIM，即在电机两侧分别悬挂多级叶轮的串联式一体压缩机。Tandem HOFIM可以2个缸串联或并联，允许操作者在不停机的情况下在2种模式下切换。

这2种类型一体式压缩机的高频电机功率范围为3～18 MW，最大出口压力可达30.3 MPa。其典型应用领域为石油和天然气的产出和加工、天然气输送、天然气储存和海底领域。

MAN公司研制的一体式压缩机已经有了多个应用案例。其生产的一台Single Hofim用于天然气消耗设备，功率4.7 MW，转速14700 r/min，进气压力4.1 MPa，排气压力9.65 MPa。随后应用户要求对其进行串联式升级改造，将进气压力降为1.31 MPa。波兰安装有用于天然气存储的串联Hofim，功率11.7 MW，转速12000 r/min，进气压力4.5 MPa，排气压力13.8 MPa。美国纽约州安装有用于天然气存储的3台Hofim。可3台串联，或者2台并联，第3台作为高压用途，每台功率7 MW，进气压力5.52 MPa，排气压力最高可达22.06 MPa。

2015年9月，MAN公司为挪威国家石油公司提供的全球首套海底天然气压缩装置正式在挪威海的Asgard油气田投产。

3.3 美国GE公司

GE公司研发的ICL型一体式压缩机(图3)是海上平台以及其他空间受限的工业领域的理想设备[6]。

图3 ICL一体式压缩机

根据不同应用场合，ICL一体式压缩机结构形式可分为2种：

(1)高速电机+单级悬臂叶轮式。叶轮通过齿式联轴器直接安装在电机轴上，压缩机采用轴向进气，切向排气，设计压比1.1～1.4，最高可达1.5，出口压力可达15 MPa。主要应用于管线压缩领域。

(2)高速电机+多级叶轮式。电机轴与压缩机轴通过弹性联轴器连接，叶轮最多可达9个，可全部串联或采取背靠背形式，功率可达13 MW。主要用于天然气储存和其他陆地设备。

GE公司随后开发了专门用于海底压缩领域的Blue-C型海底压缩一体机[7]。该机型技术参数见表2。

表2 Blue-C型压缩机技术及结构参数

该压缩机为垂直布置，包括位于上部的高速电机和位于下部的离心压缩机，两轴通过刚性联轴器连接，集成安装在一个单密封的外壳内，以承受环境压力。该一体机采用了3个封装式的径向电磁轴承以及1个推力电磁轴承，且不需使用干气密封，因此大大减少了维护工作。

3.4 美国Dresser-Rand公司

Dresser-Rand公司开发的DATUM C型集成式压缩机，其结构形式可以为背靠背、复合式、双吸式或直通式，可用于单级悬臂式和多级梁式[8～9]。电机用天然气或氢冷却，其中单级式压缩机采用内嵌管线法兰结构。在停机时压缩机可保持压力，减少启动时间。该型压缩机技术参数见表3。

表3 DATUM C型压缩机技术参数

在此基础上，Dresser-Rand公司又开发了ICS型一体式压缩机，并在机壳内内置了集成的离心气/液分离装置，用以去除可能进入压缩系统的液体，非常适合在海底应用。

4 应用前景

(1)天然气管线：一体式压缩机可以实现远程控制，且维护性低，适用于无人值守的天然气管线领域。

(2)气田升级改造项目：经过多年开采的气田面临着压力下降的问题，需要对设备进行升级。一体式压缩机由于运行范围更广，可以应用于该领域，延长气田寿命。

(3)海底压缩机：与传统的油气平台上游设施或浮式生产储油卸油船相比，海底应用一体式压缩机技术不仅节省了投资成本，同时提高了回收率，降低了石油天然气生产的能源消耗和二氧化碳排放。

5 结语

本文介绍了基于电磁轴承的新型一体式压缩机技术，对其结构、技术参数、应用前景等方面进行了详细介绍，对于从事一体式压缩机研发的工程技术人员具有借鉴作用。

[1] T George Kleynhans，Gary Pfrehm,etc.Hermetically sealed oil-free turbocompressor technology[J]. Proceedings of the Thirty-forth Turbomachinery Symposium,2005.

[2] Gerhard Schweitzer，Eric H. Maslen著，徐旸，张剀等译.磁悬浮轴承-理论、设计及旋转机械应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3] STC-ECO Siemens Turbo Compressor Environmental Product Declaration.[EB/OL].http://www.siemens.com/energy.

[4] Mopico-Compact compression system for gas transport[EB/OL].http://turbomachinery.man.eu/docs/librarlibrariespr4/Turbomachinery_doc/mopimo—gas-pipeline-compression-system.ppd sfvrsn=6,2014,1.28.

[5] HOFIM for Upstream Gas-Compact compression solutions[EB/OL].http://turbomachinery.man.eu/docs/librariesprovider4/Turbomachinery_doc/hofim—for-upstream-gas.pdf sfvrsn=6.

[6] ICL-Integrated Compressor Line[EB/OL].https://www.geoilandgas.com/subsea-offshore/offshore-turbomachinery/icl-integrated-compressor-line.

[7] Blue-CTMSubsea Compressor[EB/OL].https://www.geoilandgas.com/search/site/blue-c.

[8] 蒋庆梅，张小强.氢气与天然气长输管道线路设计ASME标准对比分析[J].压力容器，2015，32(8)：44-49.

[9] DATUM ICS Integrated Compression System[EB/OL].http://www.dresser-rand.com/products-solutions/centrifugal-compressors/integrated-compression-system.

Overview of the Research and Development on Integrated Compressor

YAO Jie,SUN Hao-qiang,ZHAO Yang

(Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869,China)

Integrated compressor is a new kind of motor-drived compressor which put motor and compressor in one casing and supported by magnetic bearings.The outstanding advantages on wide operating rage,free maintenance,no oil lubricant and environmental friendly make the compressor more competitive in nowadays gas market.This paper introduced the research and development achievement of the compressor from structure,technical parameter,application area and so on.Hoped it have reference for those engineers who work in this area.

integrated compressor;magnetic bearings;research and development

1005-0329(2017)02-0043-03

2016-06-14

TH452

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.009

姚洁(1986-)，女，工程师，主要从事新产品研发工作，通讯地址：110869 辽宁沈阳市铁西区开发大路16号甲沈鼓集团研究院，Email: sgltskelly@163.com。

技术综述