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

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

壓縮機站是天然氣長輸管道構(gòu)成中投資較大、配套系統(tǒng)最復雜、配置方案設(shè)計最困難的部分，是長輸管道的核心和靈魂。良好的壓縮機站設(shè)計不僅可以降低管道的投資、更可以降低運行階段的能耗水平，創(chuàng)造長期的經(jīng)濟效益。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)計咨詢單位對天然氣管道特性的認識不斷加深，并不斷總結(jié)創(chuàng)新，圍繞長輸管道壓縮機站布站、機組配置、性能模擬等工作形成了一批新的設(shè)計技術(shù)，對降低管道工程投資，改善管道運行經(jīng)濟性，提高國內(nèi)天然氣長輸管道工程設(shè)計水平，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 等負荷率布站技術(shù)

對于有壓縮機站的管道，其絕大部分能耗源自壓縮機組的驅(qū)動消耗，而壓縮機站的投資非常高，一個壓縮機站動輒投資幾億元。因此，選擇優(yōu)化的布站方案是確保管道在完成任務輸量的前提下，實現(xiàn)降低投資、節(jié)能降耗、經(jīng)濟運行的關(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)計實踐，國內(nèi)長輸管道設(shè)計單位積累了大量國內(nèi)外壓縮機組的性能資料，對常用壓縮機組的工作范圍、性能及機械特點有了較全面的認識，在等壓比布站技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了等負荷率布站技術(shù)。

1.1 概念與技術(shù)優(yōu)勢

等壓比布站是指在壓縮機站布站的過程中，各站按基本相同的壓比設(shè)置壓縮機站。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]，各站壓縮機壓比保持基本一致，簡化了設(shè)計過程。而等負荷率布站是指結(jié)合站場的實際高程和環(huán)境溫度，按相同的壓縮機組負荷率設(shè)置壓縮機站，其中：壓縮機組負荷率=壓縮機軸功率/驅(qū)動機在現(xiàn)場條件下的最大輸出功率。對于壓縮機站數(shù)量非常多的輸氣管道，相對于等壓比布站，采用等負荷率方案布站，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)揮機組的能力，將壓縮機組的功率“吃干榨凈”，避免形成輸量瓶頸。

1.2 應用實例

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)動機組的可輸出功率與海拔、環(huán)境溫度密切相關(guān)，同一機組在不同海拔和環(huán)境溫度下的可用功率差異較大，對于同樣是 30 MW等級的燃氣輪機，在東段低海拔地區(qū)可輸出功率達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22%。

采用等壓比方案布站，干線需要設(shè)置26座壓縮機站。受制于高海拔地區(qū)燃氣輪機的功率折減效應，在夏季最高輸量條件下，只有永昌站的壓縮機組達到最大輸出功率，其余各站的壓縮機組均有不同程度的功率富裕，因此永昌站壓縮機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。

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

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

2 壓縮機組備用方式定量評價方法

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

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

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

依此式，若壓縮機組可用率取95.78%，對于2用0備的壓縮機站，其可用率為1－p（1）－p（2）=91.74%；對于 2 用 1 備的壓縮機站，其可用率為 1－p（2）－p（3）=99.48%。

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

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

管道出現(xiàn)壓縮機不可用的工況時，輸量降低，即管道存在輸氣損失，采用水力模擬軟件可計算出管道出現(xiàn)不同數(shù)量機組停運情況下的輸量損失。根據(jù)計算，對于西氣東輸二線東段 11 座壓縮機站，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。壓縮機站設(shè)置備用機組可以避免 16.8×10⁸m³/a 的輸量損失，顯然在經(jīng)濟上是合適的。

當然，對于不同的管道，由于壓縮機站布置情況不同，單臺壓縮機組失效后的輸量差別較大，因此對于增設(shè)備用機組是否經(jīng)濟合適，不能一概而論，需要按上述方法詳細計算。另外，壓縮機組可用率及儲氣庫容積也是非常關(guān)鍵的邊界條件，當機組可用率較高或儲氣庫容積足夠大時，壓縮機組失效后，管道全年的輸量損失會明顯降低，可能出現(xiàn)不設(shè)置備用機組更為經(jīng)濟的結(jié)論。

3 壓縮機組適用性分析技術(shù)

壓縮機組供貨商在投標文件中提供的性能曲線一般只包含有限個水力工況點的參數(shù)。對于多壓縮機站長輸管道，由于下游用氣市場的數(shù)據(jù)不斷更新，用戶在壓縮機組招標期間提供給壓縮機供貨商的水力參數(shù)很可能與實際輸量有很大差別，某些工作點甚至有可能進入喘振線、最大和最小轉(zhuǎn)速曲線。如果不對壓縮機組進行適用性分析，管道設(shè)計者就無法確認不同壓縮機組供貨商提供的壓縮機組能否完全覆蓋管道全部的工況點，無法判定實際工作點在壓縮機性能曲線中的位置，無法確定實際的壓縮機組效率、功率和燃氣耗量等重要參數(shù)，無法確定何時需要更換壓縮機轉(zhuǎn)子，更無從優(yōu)化壓縮機站的運行參數(shù)以獲得最小的能量消耗和最優(yōu)的運行方案。

壓縮機組適用性分析是將壓縮機組供貨商提供的壓縮機和燃氣輪機性能參數(shù)輸入管道仿真模型，通過仿真軟件將壓縮機組特性參數(shù)擬合為曲線圖譜，并進行不同工況下的水力計算，得到管路特性曲線和壓縮機特性曲線的平衡點，計算不同工況下壓縮機組的工作參數(shù)（工作點在壓縮機曲線中的位置、流量、效率、功率、燃氣耗率、轉(zhuǎn)速、揚程等），并可通過喘振、堵塞、轉(zhuǎn)速極限、最大功率等曲線自動約束壓縮機組的工作參數(shù)，以分析壓縮機組和管道特性匹配后的實際工況。

目前國內(nèi)已經(jīng)可以利用水力仿真軟件SPS模擬壓縮機工作曲線，完成壓縮機組的適用性分析。從不同輸量條件下某站壓縮機的工作點和工作特性曲線（圖2、圖3）明顯可見管道的水力工作點、壓縮機喘振曲線、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)速的揚程曲線。

在西氣東輸一線管道工程的設(shè)計中，對 RR、GE、DR 等公司的壓縮機組曲線進行了仿真擬合，并對上述廠商壓縮機組的適用性進行了模擬；在西氣東輸一線管道增輸工程的設(shè)計中，廣泛利用了壓縮機組適用性分析對管道失效工況進行了模擬；在西氣東輸二線管道工程的設(shè)計中，也廣泛采用該項技術(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、機組失效模擬、壓縮機組參與調(diào)峰分析、管道啟停輸分析、壓縮機組運行優(yōu)化、壓縮機站合理投運計劃分析、壓縮機組采辦技術(shù)支持。

綜上所述，壓縮機站等負荷率布站設(shè)計技術(shù)、壓縮機組備用方案定量評價方法、壓縮機組適用性分析技術(shù)是近年在天然氣長輸管道壓縮機站工藝設(shè)計實踐過程中發(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)計中的西氣東輸三線管道均采用等負率布站技術(shù)完成了壓縮機站布置，利用定量評價方法確定了壓縮機組備用方案，并采用壓縮機組適應性分析技術(shù)開展了管道在不同工況下的水力計算分析。

實踐證明，上述技術(shù)的采用能夠有效降低管道的投資和運行成本，優(yōu)化壓縮機組的運行工況，對于進一步提高國內(nèi)天然氣長輸管道工程的設(shè)計水平，具有顯著意義。

參考文獻：

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