摘　要：介紹了近幾年在天然氣長輸管道壓縮機(jī)站工藝設(shè)計(jì)中采用的新技術(shù)：壓縮機(jī)站等負(fù)荷率布站設(shè)計(jì)技術(shù)，是結(jié)合站場的實(shí)際高程和環(huán)境溫度，按相同的壓縮機(jī)組負(fù)荷率設(shè)置壓縮機(jī)站；壓縮機(jī)組備用方案定量評(píng)價(jià)方法，是采用概率分析的方法，結(jié)合壓縮機(jī)站的布置情況及壓縮機(jī)組可用率和儲(chǔ)氣庫容積等邊界條件，確定壓縮機(jī)組備用方案；壓縮機(jī)組適用性分析技術(shù)，是利用仿真軟件模擬壓縮機(jī)工作曲線，分析壓縮機(jī)組和管道特性匹配后的實(shí)際工況。在西氣東輸一線、二線等管道工程中的應(yīng)用表明，這些技術(shù)可以明顯降低管道工程投資，提高管道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：天然氣長輸管道；壓縮機(jī)站；設(shè)計(jì)；新技術(shù)

壓縮機(jī)站是天然氣長輸管道構(gòu)成中投資較大、配套系統(tǒng)最復(fù)雜、配置方案設(shè)計(jì)最困難的部分，是長輸管道的核心和靈魂。良好的壓縮機(jī)站設(shè)計(jì)不僅可以降低管道的投資、更可以降低運(yùn)行階段的能耗水平，創(chuàng)造長期的經(jīng)濟(jì)效益。伴隨著澀寧蘭、忠武線、西氣東輸一線、西氣東輸二線等管道工程的陸續(xù)建設(shè)，國內(nèi)設(shè)計(jì)咨詢單位對(duì)天然氣管道特性的認(rèn)識(shí)不斷加深，并不斷總結(jié)創(chuàng)新，圍繞長輸管道壓縮機(jī)站布站、機(jī)組配置、性能模擬等工作形成了一批新的設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)降低管道工程投資，改善管道運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提高國內(nèi)天然氣長輸管道工程設(shè)計(jì)水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 等負(fù)荷率布站技術(shù)

對(duì)于有壓縮機(jī)站的管道，其絕大部分能耗源自壓縮機(jī)組的驅(qū)動(dòng)消耗，而壓縮機(jī)站的投資非常高，一個(gè)壓縮機(jī)站動(dòng)輒投資幾億元。因此，選擇優(yōu)化的布站方案是確保管道在完成任務(wù)輸量的前提下，實(shí)現(xiàn)降低投資、節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵因素。通過西氣東輸一線管道、澀寧蘭輸氣管道增壓工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，國內(nèi)長輸管道設(shè)計(jì)單位積累了大量國內(nèi)外壓縮機(jī)組的性能資料，對(duì)常用壓縮機(jī)組的工作范圍、性能及機(jī)械特點(diǎn)有了較全面的認(rèn)識(shí)，在等壓比布站技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了等負(fù)荷率布站技術(shù)。

1.1 概念與技術(shù)優(yōu)勢

等壓比布站是指在壓縮機(jī)站布站的過程中，各站按基本相同的壓比設(shè)置壓縮機(jī)站。西氣東輸一線即采用了國內(nèi)外常用的等壓比布站方案^[1]，各站壓縮機(jī)壓比保持基本一致，簡化了設(shè)計(jì)過程。而等負(fù)荷率布站是指結(jié)合站場的實(shí)際高程和環(huán)境溫度，按相同的壓縮機(jī)組負(fù)荷率設(shè)置壓縮機(jī)站，其中：壓縮機(jī)組負(fù)荷率=壓縮機(jī)軸功率/驅(qū)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)場條件下的最大輸出功率。對(duì)于壓縮機(jī)站數(shù)量非常多的輸氣管道，相對(duì)于等壓比布站，采用等負(fù)荷率方案布站，能夠更好與站場所在區(qū)域的環(huán)境因素相結(jié)合，不僅可以節(jié)約投資，而且能夠最大限度地發(fā)揮機(jī)組的能力，將壓縮機(jī)組的功率“吃干榨凈”，避免形成輸量瓶頸。

1.2 應(yīng)用實(shí)例

西氣東輸二線管道霍爾果斯－中衛(wèi)段采用1219mm/12MPa、中衛(wèi)—廣州段采用 1219 mm/10MPa 的工藝方案，年設(shè)計(jì)輸量300×10⁸m³。該管道橫貫我國東西，沿線地區(qū)地理環(huán)境差異明顯。由于驅(qū)動(dòng)機(jī)組的可輸出功率與海拔、環(huán)境溫度密切相關(guān)，同一機(jī)組在不同海拔和環(huán)境溫度下的可用功率差異較大，對(duì)于同樣是 30 MW等級(jí)的燃?xì)廨啓C(jī)，在東段低海拔地區(qū)可輸出功率達(dá)27MW，而在甘肅永昌地區(qū)可輸出功率不足21 MW，兩者相差高達(dá)22%。

采用等壓比方案布站，干線需要設(shè)置26座壓縮機(jī)站。受制于高海拔地區(qū)燃?xì)廨啓C(jī)的功率折減效應(yīng)，在夏季最高輸量條件下，只有永昌站的壓縮機(jī)組達(dá)到最大輸出功率，其余各站的壓縮機(jī)組均有不同程度的功率富裕，因此永昌站壓縮機(jī)組成為制約提升管道輸量的瓶頸，其余各站的功率富裕則成為浪費(fèi)。

采用等負(fù)荷率方案布站，最大程度地使各站壓縮機(jī)組負(fù)荷率都達(dá)到平均值，并使夏季最高輸量下各站機(jī)組負(fù)荷率基本都達(dá)到100%，從而既避免出現(xiàn)輸量瓶頸，又避免各站壓縮機(jī)組功率的浪費(fèi)。在全部采用燃驅(qū)的情況下，按等負(fù)荷率布站，西氣東輸二線西段精河－古浪間各站壓縮機(jī)組負(fù)荷率雖然相同，但壓比存在一定差異（表1），海拔低、溫度低的壓縮機(jī)站壓比相對(duì)高一些，反之亦然。由于離心式壓縮機(jī)的機(jī)芯工作范圍較寬，壓比在一定范圍內(nèi)變化基本不會(huì)影響機(jī)組效率，也無需調(diào)整葉輪尺寸。

采用等負(fù)荷率布站技術(shù)，西氣東輸二線干線管道設(shè)置25座壓縮機(jī)站，與采用等壓比布站方案相比，減少1座壓氣及 3 臺(tái)30 MW等級(jí)壓縮機(jī)組，直接工程投資可節(jié)約5×10⁸元以上，而且各站機(jī)組均能在高效區(qū)工作，管道自用氣消耗量約減少2000×10⁴m³/a，管道運(yùn)行費(fèi)用下降約3500×10⁴元/a。

2 壓縮機(jī)組備用方式定量評(píng)價(jià)方法

國內(nèi)天然氣長輸管道常用壓縮機(jī)組最常用的備用方式是機(jī)組備用，即每座壓縮機(jī)站在設(shè)置運(yùn)行必須機(jī)組的基礎(chǔ)上，再增設(shè)1臺(tái)壓縮機(jī)組作為備用，當(dāng)運(yùn)行機(jī)組故障停車或者檢修時(shí)，投運(yùn)備用機(jī)組，以保證正常輸氣。長期以來，對(duì)是否在每座壓縮機(jī)站都設(shè)置備用機(jī)組存在很大爭議，運(yùn)行單位通常堅(jiān)持設(shè)置備用機(jī)組，但有觀點(diǎn)認(rèn)為，備用機(jī)組投資較高，利用率卻很低，設(shè)置備用機(jī)組得不償失。由于缺乏定量的說明數(shù)據(jù)，關(guān)于是否設(shè)置備用機(jī)組，缺少依據(jù)。

在西氣東輸二線管道工程中，提出了壓縮機(jī)組備用方案經(jīng)濟(jì)性分析的定量研究技術(shù)路線（圖 1）和計(jì)算方法。其中單臺(tái)燃驅(qū)、電驅(qū)機(jī)組的可用率根據(jù)管道運(yùn)行單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出。

式中：p(x)為壓縮機(jī)站有 x臺(tái)壓縮機(jī)不可用的概率；x為不可用機(jī)組的數(shù)量；n為單座壓縮機(jī)站的壓縮機(jī)組數(shù)量；p 為不可用率；（1－p）為可用率。

依此式，若壓縮機(jī)組可用率取95.78%，對(duì)于2用0備的壓縮機(jī)站，其可用率為1－p（1）－p（2）=91.74%；對(duì)于 2 用 1 備的壓縮機(jī)站，其可用率為 1－p（2）－p（3）=99.48%。

對(duì)于有多座壓縮機(jī)站的輸氣管道，管道系統(tǒng)可用率的計(jì)算公式與單座壓氣站可用率的計(jì)算公式相同，但公式中的變量含義不同，其中 p（x）為有 x 座壓縮機(jī)站不可用的概率，指有 x 座壓縮機(jī)站出現(xiàn) 1 臺(tái)運(yùn)行機(jī)組失效的概率；x 為不可用壓縮機(jī)站的數(shù)量；n 為壓縮機(jī)站的數(shù)量；p 為壓縮機(jī)站的不可用率；（1－p）為壓縮機(jī)站的可用率。

依此式，對(duì)于西氣東輸二線東段 11 座壓縮機(jī)站，若均采用2 用0 備的方案，東段有1 座站出現(xiàn)1臺(tái)不可用機(jī)組的天數(shù)為139.7d，有2座站同時(shí)出現(xiàn)1臺(tái)不可用機(jī)組的天數(shù)為 61.4d；若均采用2用1備方案，東段有1座站出現(xiàn)1臺(tái)不可用機(jī)組的天數(shù)為19.5 d，有2座站同時(shí)出現(xiàn)1臺(tái)不可用機(jī)組的天數(shù)為0.5d。很顯然，設(shè)置備用機(jī)組后，管道出現(xiàn)壓縮機(jī)組停運(yùn)的可能性大大降低了。

管道出現(xiàn)壓縮機(jī)不可用的工況時(shí)，輸量降低，即管道存在輸氣損失，采用水力模擬軟件可計(jì)算出管道出現(xiàn)不同數(shù)量機(jī)組停運(yùn)情況下的輸量損失。根據(jù)計(jì)算，對(duì)于西氣東輸二線東段 11 座壓縮機(jī)站，若均采用 2用 0 備方案，全年輸量損失為 19.5×10⁸m³；若采用 2 用 1 備方案，全年輸量損失僅為 2.7×10⁸m³。壓縮機(jī)站設(shè)置備用機(jī)組可以避免 16.8×10⁸m³/a 的輸量損失，顯然在經(jīng)濟(jì)上是合適的。

當(dāng)然，對(duì)于不同的管道，由于壓縮機(jī)站布置情況不同，單臺(tái)壓縮機(jī)組失效后的輸量差別較大，因此對(duì)于增設(shè)備用機(jī)組是否經(jīng)濟(jì)合適，不能一概而論，需要按上述方法詳細(xì)計(jì)算。另外，壓縮機(jī)組可用率及儲(chǔ)氣庫容積也是非常關(guān)鍵的邊界條件，當(dāng)機(jī)組可用率較高或儲(chǔ)氣庫容積足夠大時(shí)，壓縮機(jī)組失效后，管道全年的輸量損失會(huì)明顯降低，可能出現(xiàn)不設(shè)置備用機(jī)組更為經(jīng)濟(jì)的結(jié)論。

3 壓縮機(jī)組適用性分析技術(shù)

壓縮機(jī)組供貨商在投標(biāo)文件中提供的性能曲線一般只包含有限個(gè)水力工況點(diǎn)的參數(shù)。對(duì)于多壓縮機(jī)站長輸管道，由于下游用氣市場的數(shù)據(jù)不斷更新，用戶在壓縮機(jī)組招標(biāo)期間提供給壓縮機(jī)供貨商的水力參數(shù)很可能與實(shí)際輸量有很大差別，某些工作點(diǎn)甚至有可能進(jìn)入喘振線、最大和最小轉(zhuǎn)速曲線。如果不對(duì)壓縮機(jī)組進(jìn)行適用性分析，管道設(shè)計(jì)者就無法確認(rèn)不同壓縮機(jī)組供貨商提供的壓縮機(jī)組能否完全覆蓋管道全部的工況點(diǎn)，無法判定實(shí)際工作點(diǎn)在壓縮機(jī)性能曲線中的位置，無法確定實(shí)際的壓縮機(jī)組效率、功率和燃?xì)夂牧康戎匾獏?shù)，無法確定何時(shí)需要更換壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子，更無從優(yōu)化壓縮機(jī)站的運(yùn)行參數(shù)以獲得最小的能量消耗和最優(yōu)的運(yùn)行方案。

壓縮機(jī)組適用性分析是將壓縮機(jī)組供貨商提供的壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)輸入管道仿真模型，通過仿真軟件將壓縮機(jī)組特性參數(shù)擬合為曲線圖譜，并進(jìn)行不同工況下的水力計(jì)算，得到管路特性曲線和壓縮機(jī)特性曲線的平衡點(diǎn)，計(jì)算不同工況下壓縮機(jī)組的工作參數(shù)（工作點(diǎn)在壓縮機(jī)曲線中的位置、流量、效率、功率、燃?xì)夂穆?、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程等），并可通過喘振、堵塞、轉(zhuǎn)速極限、最大功率等曲線自動(dòng)約束壓縮機(jī)組的工作參數(shù)，以分析壓縮機(jī)組和管道特性匹配后的實(shí)際工況。

目前國內(nèi)已經(jīng)可以利用水力仿真軟件SPS模擬壓縮機(jī)工作曲線，完成壓縮機(jī)組的適用性分析。從不同輸量條件下某站壓縮機(jī)的工作點(diǎn)和工作特性曲線（圖2、圖3）明顯可見管道的水力工作點(diǎn)、壓縮機(jī)喘振曲線、堵塞曲線，最高轉(zhuǎn)速曲線、最低轉(zhuǎn)速曲線、效率曲線、不同轉(zhuǎn)速的揚(yáng)程曲線。

在西氣東輸一線管道工程的設(shè)計(jì)中，對(duì) RR、GE、DR 等公司的壓縮機(jī)組曲線進(jìn)行了仿真擬合，并對(duì)上述廠商壓縮機(jī)組的適用性進(jìn)行了模擬；在西氣東輸一線管道增輸工程的設(shè)計(jì)中，廣泛利用了壓縮機(jī)組適用性分析對(duì)管道失效工況進(jìn)行了模擬；在西氣東輸二線管道工程的設(shè)計(jì)中，也廣泛采用該項(xiàng)技術(shù)，完成了很多以往無法開展的水力工況分析工作，包括：管道極限工況分析、機(jī)組失效模擬、壓縮機(jī)組參與調(diào)峰分析、管道啟停輸分析、壓縮機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化、壓縮機(jī)站合理投運(yùn)計(jì)劃分析、壓縮機(jī)組采辦技術(shù)支持。

綜上所述，壓縮機(jī)站等負(fù)荷率布站設(shè)計(jì)技術(shù)、壓縮機(jī)組備用方案定量評(píng)價(jià)方法、壓縮機(jī)組適用性分析技術(shù)是近年在天然氣長輸管道壓縮機(jī)站工藝設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中發(fā)展起來的新技術(shù)。已經(jīng)建成的西氣東輸二線干線管道和正在設(shè)計(jì)中的西氣東輸三線管道均采用等負(fù)率布站技術(shù)完成了壓縮機(jī)站布置，利用定量評(píng)價(jià)方法確定了壓縮機(jī)組備用方案，并采用壓縮機(jī)組適應(yīng)性分析技術(shù)開展了管道在不同工況下的水力計(jì)算分析。

實(shí)踐證明，上述技術(shù)的采用能夠有效降低管道的投資和運(yùn)行成本，優(yōu)化壓縮機(jī)組的運(yùn)行工況，對(duì)于進(jìn)一步提高國內(nèi)天然氣長輸管道工程的設(shè)計(jì)水平，具有顯著意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚光鎮(zhèn).輸氣管道設(shè)計(jì)與管理[M].東營：石油大學(xué)出版社，1991：5-6，30.