20WM 级西气东输国产化首台套长输管线压缩机研制

李 亮， 王 宇， 郭 欢， 杨杰霖

（沈阳鼓风机集团股份有限公司， 辽宁 沈阳 110869）

0 引言

西气东输工程是由国务院批准的国家级重大工程[1]。长输管线压缩机是西气东输工程天然气长距离输送的关键设备，是保证我国能源安全的大国重器，长输管线压缩机大多安装在缺水少电人烟稀少的地方，自然环境恶劣，对压缩机稳定运行影响较大如低温、风载、雪载、地震等，机组运转既要安全、可靠、长周期运行（四年），又要集成智能设计，还要便于安装、维护和检修，最终实现一键启停及无人值守[2]。

根据 《国家能源局关于长输管道关键设备国产化工作安排的函》（国能科技〔2009〕243 号）和2009 年11 月北京钓鱼台国宾馆签订的 《天然气长输管道关键设备国产化20MW 级电驱压缩机组研制合同》， 沈鼓集团承担国产化20MW 级高速直联变频电驱压缩机组国产化研制任务，应用于西气东输二线东段工程[3-4]。

20MW 级高速直联变频电驱压缩机组是一项系统复杂、学科交汇、技术前沿的高度集成化智能系统工程[5]。 机组需具备高流量、高效率、高压力、高稳定、高自动、高调节范围，且压气站内多机组并联运行等特点。 首台套长输管线压缩机组试制成功，打破了国外的长期垄断，保证了国家的能源安全。

1 长输管线压缩机组

长输管线压缩机具体技术参数见表1。长输管线压缩机是压缩机外壳垂直剖分结构（筒型外壳），叶轮顺排按流量系数由大到小逐级布置，转子由四级叶轮组成。 天然气首先进入第一级叶轮进行压缩，然后经过扩压器，隔板上的弯道，以及回流器进入第二级，每级前后有梳齿密封密封，保证气体很少泄露，然后依次逐级压缩，一直压缩至压缩机出口法兰处，压缩机段间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， 与机壳垂直布置， 以保证压缩机进气效率以及减少压缩机进出口管道的应力。

表1 长输管线压缩机具体技术参数

长输管线压缩机主要由机壳、内机壳、进口隔板、级间隔板出口隔板、口圈密封、级间密封、干气密封、支撑轴承、推力轴承、左右侧盖、左右端盖等零部件组成。转子由主轴、管线专用叶轮、隔套、平衡盘、轴套、膜盘式半联轴器等组成，见图1。

图1 长输管线压缩机本体

1.1 压缩机专用模型级

长输管线压缩机模型级流量系数范围为φ1=0.090～0.038，无叶扩压器级效率为ηP=0.84～0.88， 级能头系数为τ=0.52～0.54，机组效率达到87.5%，机组流量调节范围45%～160%。

1.2 压缩机转子

管线压缩机的压比较小，因此管线压缩机的叶轮数与其它压缩机相比叶轮较少。 通常采用2 到4 级压缩即可。压缩机选型原则，根据现场参数条件计算各级流量系数。

式中：G—压缩机进口质量流量；Tin—进口温度；R—气体常数；Pin—进口压力；D2—叶轮直径；U2—叶轮周速；K—等熵指数；s—输入功系数；ηP—多变效率；mv—多变过程指数；Z1—压缩性因子。 场站实际的性能需迭代计算，按上诉公式依次计算，当本次计算Pout及上次计算的差别小于预设阈值（如1.0E-4）[6-7]，计算收敛，否则重新计算出口压力。

1.3 压缩机叶轮强度

叶轮最大连续转速为5040rpm，叶轮材料为FV520BS1，材料屈服极限为685MPa。 求解叶轮在跳闸转速下的应力，见图2。

图2 最大连续转速下叶轮应力分布云图和叶轮轴孔变形分布放大云图

1.4 压缩机转子的不平衡响应分析

（1）激励点在内测。激励点在内测的不平衡响应分析，将激励点作用到首级叶轮、三级叶轮以及平衡盘处，见图3。

图3 激励点在转子内侧时转子振幅值

（2）激励点在外侧。 激励点在外测不平衡响应分析，将激励点作用到推力盘、二级叶轮以及联轴器处，见图4。

图4 激励点在转子外侧时转子振幅值

1.5 压缩机的稳定性分析

1.6 压缩机机壳

压缩机进、出气口水平布置方式，进口法兰布置机组中心线上，出口布置在机组中心线下方，该设计方式降低管道及压缩机所受的扭矩载荷，便于压气站整体天然气管路布置。 机壳与底座一体式的管道压缩机单层布置结构，保证压缩机整体刚度和强度，结合进、出气口气体压力对压缩机壳体作用机理、地震反应机理，构建出机壳与支腿焊接的新结构形式，定位采用新型定位销结构， 保证压缩机整体结构在7 级8 度烈度的强地震破坏下仍可安全运行。

1.7 压缩机专用工具

管线压缩机组机芯重量高达20t，结构精度高，装配难度大。 为降低装拆难度，适应压气站场恶劣装拆条件，设计了电动管线压缩机机芯液压辅助拆装机构。 经过车间多次装配验证， 该液压装拆机构实现大型管线压缩机机芯装配过程的自动推进，见图6。

图5 稳定性计算结果

图6 管线压缩机装配过程模拟图

1.8 压缩机性能曲线

根据场站最终参数，绘制压缩机工况的性能曲线。 图7 为8293-S 工况压缩机性能曲线， 图8 为8000-W 工况压缩机性能曲线。

图7 8293-S 工况压缩机性能曲线

2 压缩机72h 性能试验

鉴于机组的重要性质，考虑场站的施工条件，机组需在制造厂进行72h 性能测试以及机组的稳定性测试工作。 72h 性能测试采用代用气体氮气按ASME PTC-10 进行进行闭式循环性能测试试验. 闭式循环试验系统组成主要设备由压缩机、齿轮箱、变频器、管路、试车油站等组成，进口管路圆周方向上布置2 个测流量的流量计，出口管路圆周方向上布置由调节流量的阀门、换热器、放空阀、安全阀等，出口气体经换热器冷却后回到压缩机进口，进口管路与出口管路相连，形成一个闭式循环系统[8]。

2.1 试验条件

试验介质：氮气，当量转速n=3811r/min，进口压力P1=980.7kPa（A），进口温度t1=40℃。

2.2 试验过程及结果

试验用氮气由液氮槽车专门运输并送入液氮储气罐，液氮储气罐中液氮经液氮泵加压打到氮气蒸发器中，经蒸发器蒸发充入氮气高压储气罐中，再由高压储气罐经自动电动补加气调节系统送入闭式循环试验系统中[8]。机组未启动时向封闭式回路充入保证足够充足的氮气，检查各法兰连接处，及管道本身不得有漏气现象[9]。当管路内压力达到试验条件后，开启压缩机缓慢调节机组转速。确认机组正常平稳运行30min 后， 检查机组转子的振动值及各轴承瓦温，正式进入气动性能试验。 整个试验过程通过电动自动补气装置保持进口压力试验条件的压力值，通过调节冷却水水量控制换热器温度使进口氮气温度符合试验条件。在进口压力不变情况下，用出口阀来调节出口压力，工况点包括滞止流量点、设计点和喘振点等五个工况点。 每个工况点待温度稳定后（大约需30min）进行数据采集。 其中最小流量工况为喘振工况，要经过至少三次重复验证.在上述测试中，为确定其喘振线，在保证机组安全稳定运转情况下， 转速调节在70%、90%、100%额定转速情况下，进行喘振线的测试。试验完毕将出口调节阀门打开，并缓慢打开放空阀，压力降至安全压力后即可停车。

2.3 稳定性测试

试验设备包括示波器、差分探头、温枪、转速表等。在高压变频器和电机置于全速全功率（4800rpm，18MW）工况条件下，使其恒负荷连续运行72h，检验其是否有故障发生。在整个试验过程中每隔1～2h 测量系统的电压、电流、转速、温度等。观察变频器运行状态和功率单元显示状态与实际是否相符。 同时通过UCS 系统监测整个压缩机电驱系统运行的状态。 在高压变频器和电机置于全速全功率（4800rpm，18MW）工况条件下，恒负荷连续运行72h 不应发生任何故障， 压缩机组经72h 运转完全符合试验标准，经有关专家鉴定性能达到国际领先水平。

3 重大意义

长输管道压缩机组的研制成功， 改变了中国能源装备长期以来受制于人的被动局面， 提升了压缩机输送领域整体技术水平和国际竞争力，填补了国内空白，带动了钢铁、建材、石油化工、电力等相关行业发展，对促进了我国工业的发展具有重大意义。

从国际能源需求趋势来看，天然气的增长速度将会快于石油。 美国壳牌公司天然气的产值已经超过石油，而且这种趋势还在扩大。 从天然气的勘探情况来看，其储量要多于石油。 西气东输工程目前是1 线、2 线，将来还要陆续上马3 线、4 线。 将天然气从新疆输送到上海、湖南、江西、广东，最后到香港，因此，20WM 级天然气管道压缩机研制成功具有广阔的市场前景，其经济和社会效益巨大。

4 结论

该机组研制成功， 解决了管道压缩机研制过程中的核心技术难题， 提升了我国长输管道压缩机设计制造水平，形成了新的输气压缩机标准，提高了我国企业和相关行业竞争能力，实现了压缩机行业技术跨越和技术进步。经行业相关专家鉴定20MW 级长输管线压缩机性能指标完全符合合同要求，达到国际领先水平。