天然气长输管道离心式压缩机组能耗对比分析研究

甘 捷，姚孝庭，邱天友，朱志强

(国家管网集团川气东送天然气管道有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

随着我国未来经济的持续发展，对能源需求的总量将会加大，引发的环境问题更加突出[1]。天然气作为清洁能源，它的使用范围越来越广泛。天然气长输管道在输送、增压处理过程中对于离心式压缩机组的依赖性越来越强，压缩机作为重要的动力装置，主要用来输送气体和提高气体介质的压力[2]，是天然气长输管道高耗能设备。目前，国内对于离心式压缩机组的能耗分析偏重于理论计算分析，却对于离心式压缩机组在天然气长输管道上实际应用中产生的能耗分析研究较少。现阶段，离心式压缩机的驱动装置有电动机、汽轮机或燃气轮机，针对天然气长输管道使用的大型离心式压缩机组，电动机是主要的驱动装置，往往采用的是变频调速系统，通过转速调节，达到节能目的。在天然气长输管道实际生产中，由于压缩机运行工况与设计工况之间往往存在一定的差异，很多管道的运行参数仅凭经验确定，从而导致能耗过高[3-5]，同时，在电动机装置选型方面，由于不同厂家的电动机装置在管道运行使用上产生的能耗不同，节能方面还有挖掘空间。针对管道输气工况，在单台机组或双台机组运行方式选取上的不同，产生的能耗也会有所不同，这些都是可以开展压缩机节能降耗的研究方向。对此，从压缩机的驱动装置入手进行实际分析，运用类比法，对各个压缩机性能进行比较，计算和预测压缩机的实际能耗，通过现场实际数据进行验证，以此为提高压缩机的管理水平和实现节能降耗提供参考依据[6-7]。

1 某压气站压缩机组特征

离心式压缩机利用高速回转的叶轮对气体做功，使气体的动能大为增加，同时，气体在离心惯性力和在叶轮气道中降速的共同作用下，其静压能也得到大幅度提高，在叶轮后面的扩张流道中部分气体动能又转变为静压能，而使气体压力进一步提高，经过多级压缩后，被压缩的气体排出，实现对气体的增压、输送的目的。某压气站共有4台离心式压缩机组，压缩机本体都是GE公司生产的PCL503，转子通径为DN500，叶轮3个，其中3台压缩机组的驱动电机是西门子电机，2×4.16 kV/7 200 kW，变频器为西门子变频器GM150，齿轮箱变速比为4.55；1台新建的压缩机组的驱动电机是ABB电机，6.6 kV/7 200 kW，变频器为ABB变频器ACS5000，齿轮箱变速比为3.77。压缩机转子是相同的，额定转速都是6 820 rpm，但驱动电机及配套变频装置不一样，机组运行中产生的能耗肯定也会有所不同，由此，可以对比分析在相同工况运行条件下，不同变频驱动装置的压缩机能耗特点。

从电机的特性曲线进行考虑，将电机的理论计算驱动功率和压缩机带负载运行时的电机输出功率在直角坐标系中以曲线的形式表示出来(图1)，可以得到电机的特性曲线，从曲线图中可以看出，电机在实际带载运行中的输出功率与理论计算驱动功率存在较大差异，这就给压缩机组在实际运行中采取一些方法降低电机的输出功率提供了依据。

图1 电机特性曲线图

2 两种不同驱动电机实际能耗

首先，我们从这新、老机组电机驱动的变频器调速原理进行分析，由于西门子变频器的机组为恒扭矩控制，ABB变频器机组为恒功率控制(也称弱磁调速)，在相同的转速下，输出力矩不一样，输出功率也就不一样。西门子变频器采用在基频以下调速，基频频率FN为50 Hz，采用的调速方式为恒转矩调速，西门子变频器在基频以下调速的时候，能够保证恒定的输出转矩,而ABB变频器采用恒功率控制，也就是弱磁调速，ABB变频器在基频以上调速的时候，也就是如图2所示：F>FN之后，实际上是个弱磁调速状态，由于电压U不变，只有降低磁通量Φm进行调速，对应的电磁转矩Tm有所下降，但是对应的速度和转矩的乘积是不变的，速度和转矩的乘积代表电动机输出功率，因此在基频以上的可以称之为恒功率调速。

图2 变频器弱磁调速控制图

P=(N*T)/9 550

式中T——转矩/N·m;

P——输出功率/kW;

N——电机转速/r·min-1。

可知，当转速N上升，输出功率P恒定，转矩T下降，输出功率一定，转速与转矩成反比。由此可以推出，西门子电机输出力矩大，带载能力强；ABB变频器输出力矩小，带载能力弱。对于满负荷工况运行的情况，从生产需要来看，西门子电机更显优势，带载能力更强。

为了更好地得出两种变频器装置能耗不同，我们将其中1台老机组西门子变频器的机组命名为1#机组，ABB变频器的机组命名为4#机组，将这两种变频器的机组在相同工况同时运行，在相同的转速下，压缩机的进出口压力一致的情况下，我们先从瞬时电量进行分析，根据变电所后台监控的变频器10 kV隔离变运行时的瞬时电流值，计算1#机组变频器和4#机组变频器在相同工况下的瞬时功率

③但是，如果从及物系统过程类的角度讲，[2a]和[2b]是不同过程间的语法隐喻；而就“baby”这个词而言，它在[2a]和[2c]分属不同的参与者成分，也可看作是语法隐喻。

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

在相同运行工况下，从这两台机组的瞬时功率来看，4#机组比1#机组更为节能，但瞬时电流只能作为一个参考，无法准确的计算压缩机组真实消耗的电量，我们将在同一工况条件下，对西门子机组和ABB机组并联运行3天，根据实际耗电量进行计算。

由于机组运行时的能耗跟压缩机的转速与进口流量存在关联，对此，我们在压缩机组进出口压力一致的情况下，分别从机组运行时的转速和流量进行对比分析。

2.1 压缩机转速相同

在10月25日到10月27日，并联同时运行压缩机1#、4#机组，由于是在同一管网并联运行，1#、4#机组的进出口压力一致，将压缩机转速调整为相同，在每日的同一时刻记录1#、4#机组在72 h内运行时的瞬时流量、瞬时功率和当日消耗电量，从记录的数据进行对比分析(表1)。

表1 相同转速下西门子电机与ABB电机运行参数表

在测试中，1#、4#机组的压缩机转速一致，进出口压力相同的情况下，1#机组的进口流量是40.7万Nm3/h，4#机组的进口流量是43万Nm3/h，1#机组的电机运行功率是3 647 kW，4#机组的电机运行功率是3 515 kW，4#机组的进口流量明显比1#机组多2.3万Nm3/h，但电机功率比1#机组低，同一时间段消耗的电量，4#机组比1#机组低。

2.2 进口流量相同

在10月28日到10月30日，对并联同时运行压缩机1#、4#机组的进出口压力保持一致，将压缩机转速进行调整，保持两台机组的进口流量一致，在每日的同一时刻记录1#、4#机组在72 h内运行时的压缩机转速、瞬时功率和当日消耗电量，从记录的数据进行对比分析(表2)。

表2 相同流量下西门子电机与ABB电机运行参数表

1#、4#机组的运行工况基本一致，进口流量基本相同，进出口压力也是一致，1#机组压缩机转速为5 720 rpm，4#机组压缩机转速为5 586 rpm；1#机组的电机功率为4 260 kW，4#机组电机功率为3 840 kW，可以得出，在机组进出口压力、进口流量相同的情况下，4#机组的压缩机转速要求低一些，对应的电机功率也低，消耗的电量也低。

从以上两台机组的流量、转速对比分析，我们可以得出，4#机组相比1#机组运行，消耗的电量低，也就是在同等工况运行条件下，4#机组比1#机组更为节能。因此，对机组的运行工况方式研究是压缩机能耗管理的重要一项内容，深度优化机组的负荷运行控制策略，从而提升机组经济性能并解决机组协调控制问题[8-10]。

3 单台与双台机组实际能耗

为了更好地对比分析单台机组与双台机组运行情况，我们选取驱动电机都为西门子电机进行比较，将其命名为2#、3#机组。

3.1 单台机组运行

当3#机组单独运行时，我们选取3月25日、3月26日、3月27日的同一时刻运行时的参数进行比较(表3)。

表3 单台机组运行参数表

3.2 两台机组同时运行

在2#、3#两台机组同时运行时，我们选取4月11日、4月12日、4月13日的同一时刻运行时的参数进行比较(表4)。

表4 两台机组并联运行参数表

从以上数据对比，我们可以得出，单台机组运行时，3#机组进口平均压力为6.71 MPa，出口平均压力为8.27 MPa；两台机组运行时，3#机组进口平均压力为6.38 MPa，出口平均压力为9.0 MPa。两台机组加载运行时，进口压力由6.72 MPa降低到6.38 MPa，比单台机组运行降低了0.34 MPa左右，降低了5.06%；出口压力由8.22 MPa升高至9.06 MPa，升高了0.84 MPa左右，升高了10.21%；进口流量由单台机组运行的70万Nm3/h增加至两台机组运行的86万Nm3/h，增加了18万Nm3/h左右，增加了26.5%。其中由于管道工况输气量的影响，两台机组在同时运行时，防喘振阀不能全关，处于一定开度打回流的流量合计约18万Nm3/h，根据进口总流量，按防喘振阀开度比例大致计算2#机组回流量约43×32%=13.7万Nm3/h，3#机组的回流量约42×10%=4.2万Nm3/h，合计17.9万Nm3/h。由此可得出，实际上两台压缩机同时运行的输气量与单台机组运行相比较，变化不大，单台机组运行也可以完全满足生产需要。

另外，单台机组加载运行时的机组防喘阀都处于全关位置，不会出现压缩机出口气体回流的情况，而两台机组加载运行时，受管道气量不足影响，两台运行的压缩机进口流量较低，防喘振阀处于一定的开度，通过打回流来增加压缩机进口流量，额外造成压缩机的能耗损失。对此，这样双台机组并联运行模式效率更低，稳定性更差，当两台压缩机并联工作时，总的流量表面上增加了，但每台压缩机本身的实际做功流量要比单独运转时减少了，工况点落入到喘振区的可能性也增加了[ 11]，如果压缩机运行工况点长期在喘振线附近运行，就会存在进口流量波动导致压缩机发生喘振的风险，从而给压缩机组造成了一定的运行隐患。

4 结论

(1)压缩机本体型号一致时，当选取不同型号的驱动电机及变频器时，由于其工作原理的不同，在机组运行中产生的能耗也是不同的，在机组节能方面从设计选型方面入手是最直接的节能方式。

(2)在特定的运行工况下，两台机组加载运行时比单台机组加载运行时的能耗有较高程度的增加，但是压缩机的增压能力未有相应程度的提高，管道输气量几乎没有增加，在管道气量不充足的情况下，建议采纳单台机组加载运行的方式，以达到优化机组运行模式、降低机组运行能耗的效果。

(3)通过对不同工况下的压缩机各个运行参数进行比较，利用实际产生的电量数据得到压缩机在运行中的实际能耗，对压缩机的能耗管理有一定的的参考作用。