摘要：由于目前天然气储运业务的快速发展，天然气管道压缩机组的性能要求也越来越高，一体式压缩机能够解决目前高速直连电驱机组调速范围窄、故障频繁、油气持续排放污染环境等诸多问题。对比国外一体式压缩机的优势与特点，提出了一体式压缩机研制的关键技术问题与难点。借鉴国外一体式压缩机设计理念，提出天然气长输管道一体式压缩机研制思路与最新研制工作，以促进天然气长输管道一体式压缩机的研制与应用，对提升我国油气管道可靠性及关键设备制造与加工技术水平具有重要意义。
关键词：一体式压缩机、磁力轴承、研制难点、研制
长输管线电驱压缩机组由同步变频调速电机、电压源变频系统、离心式压缩机以及机组辅助系统组成，电机及压缩机轴承通过油矿物油润滑和冷却，高速直连电驱压缩机组相对燃驱压缩机组有诸多优势，但仍存在占地面积大、施工安装周期长、机组启动时间长；启动、停机过程中需放空天然气；运行调速范围窄、运行期间干气密封、润滑油油气持续排放造成环境污染、机组无法长时间保压停机；干气密封易受气质、操作运维因素影响故障率较为频繁等诸多问题。一体式压缩机组采用磁力轴承、高速电机通过工艺天然气冷却，无润滑油系统、无干气密封系统，具有结构简单、调速范围广、无油气持续排放、零污染等显著特点。
1 发展现状
1.1国外
表1:国外一体式压缩机组应用现状
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一体式压缩机工程样机研制始于20世纪80年代,1990年第一台一体式压缩机投入商业运行[1]，目前国外多家公司已经研制并应用了一体式压缩机组（表1）。各先进国际油气公司针对不同用户及不同适用场合，均研制了不同功率、压比和流量的系类产品，在储气库、海底天然气输送、管道增压等项目均有大量的成熟应用案例。
GE公司研制的一体式压缩机广泛应用于储气库、燃料气天然气外输、天然气管道输送等领域，西门子公司成功应用在荷兰一座具有天然气集气、处理、回收功能的站场，输送的天然气含有大量的沙子、盐分等杂质。 MAN TURBO公司设计开发的特点是电机设计安装在机组中间，两侧压缩机均可进行增压，该机型适用于压比高流量低的情况，但整机轴系长，整体设计及制造难度较大。
1.2国内
哈尔滨电机厂已经为火力发电站风机、水泵配套过200MW、300MW、600MW的大功率异步电机；上海电器上海电机厂已经研制成功国内最大功率25MW催化裂化装置配套异步电动机；南阳防爆公司已运行最大功率异步电机为23MW。国内多个厂家生产的异步电机功率均能超过18MW，但电机转速低、机壳承压低，暂无使用7MPa-10MPa天然气冷却并采用磁力轴承的异步电机配套经验。
国内石油、石化行业使用斯凯孚 S2M的磁力轴承有50台套的案例，如中海油壳牌公司南海乙烯项目、中石化沈阳腊化项目、浙江三金集团聚丙烯项目、北方工业集团广州的天然气项目、陕西延长石油天气处理项目等。国内自主研制的磁力轴承产品在旋转机械上的应用主要在鼓风机、分子泵等设备，国内最大功率磁力轴承在高温气冷堆工程样机试验装置上进行了试验，机组功率4.5MW，转速4200r/min，目前暂无长输天然气管道压缩机的应用经验。现有国产磁力轴承轴功率低、压力等级低，缺乏长输管道应用经验，功率最高仅为4MW。全球使用斯凯孚 S2M磁力轴承的高速电机161台/套、压缩机220台/套，斯凯孚 S2M的磁力轴承能够配套32MW 6000rpm 的离心压缩机。
2研制内容
结合国内天然气需求快速增长趋势及天然气管道建设的发展规划，国内正在开展天然气管道一体式压缩机的研制，目前正在对以下问题深入研究：
(1)由于一体式压缩机电机、压缩机在一个承压机壳内，电机与压缩机通过联轴器联接，需系统性的考虑工艺气接口布置、电气接口布置、管路布置，整机需要满足高压天然气环境下密封、承压要求；除了压缩机组、变频调速系统、磁力轴承关键系统外，仍需考虑冷却气体过滤器洁净系统、防喘系统的可靠性与响应灵敏度等问题。
(2)磁力轴承在实际工作时，存在磁极耦合、轴向与径向力矩耦合、信号耦合等现象[2]，其动力学特性同传统的滑动轴承也有较大区别，转子临界转速、通过临界转速过程中的状态、动力响应、动平衡等问题均需要研究并解决。
(3) 目前大功率异步高速电机转子主要的结构有叠片转子和实心转子两种，叠片转子结构简单，但由于其硅钢片的强度限制，承载的离心应力较小；实心转子加工的工艺难度大，转子重，对机壳及轴承的设计有较大的影响，电机磁场分布复杂,转子参数计算困难。电机运行时,实心转子中感应出的涡流不但会影响磁场的分布,而且也会使转子阻抗发生变化[3]。机组在额定转速运行期间，转子结构强度是极大的考验，应在高转速下各关键部件进行应力应变进行有限元分析，以保证转子结构稳定可靠[4]，也需要通过实验验证扭转谐波激励的响应及定子和转子之间电磁流量对机械系统动态特性的影响[5]。
(4)高压天然气电机冷却与防腐技术。一体式压缩机体积小，异步电机内部通风散热对电机的技术指标、经济指标及全方位的质量指标均起到至关重要的作用[6],采用7MPa-10MPa的高压天然气对电机进行冷却，需精确计算电机内部的冷却气体速度场、压力场和温度场，研究如何有效降低电机系统阻力系数，合理分配电机内冷却介质的比例，从而最大限度的提高电机冷却系统的冷却能力，满足电机温度控制要求；同时需研究解决天然气含微量硫化氢对电机定子、转子等部件腐蚀损坏的影响、控制措施及方法，保证电机长期安全可靠运行。
(5)电机气隙设计技术。转子与定子间气隙对电机的性能、可靠性、冷却效果影响很大。电磁设计是保证电机各项性能指标的关键,气隙增大电机的有效磁通密度则减小，电机的效率降低；气隙小冷却效果降低、可靠性下降,电机的气隙和冷却结构直接影响电机的效率[7]；另外需要进一步计算、模拟不同气隙情况下流动的电机过热和超热状态对定子和绕组的影响[8]。
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图2:管线压缩机组
(5)电气贯穿件设计技术。电气贯穿件通过其中装备的各类馈通线为安全壳内部的设备提供动力和控制信号，并将相关的检测信号和执行机构反馈信号传送到安全壳外[9],是电机机壳内外部数据传输、防止天然气泄漏的重要电气设施。电气贯穿件必须在正常或事故条件下均能保证高低压线缆及数据的不间断传输且密封性完好，防止天然气泄漏。其关键技术涉及结构、绝缘、密封等方面，设计及制造时需要综合考虑压力边界、密封形式、耐压等级等因素。目前国际上较为成熟的贯穿件有日本住友的环氧烧注型，德国的玻璃密封型，中国的陶瓷密封型，美国和法国的聚砜密封型，电气贯穿件的制造的关键有绝缘导体包覆工艺、密封模块注塑成型工艺、高压导体租金连续均衡挤压成型工艺、组件焊接总成工艺，这些工艺都与整机的密封性密切相关[10]。
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图3: 一体式压缩机
同等功能的常规管线压缩机组和一体式压缩机对比图见图2和图3。
4 结束语
一体式压缩机研制工作任重而道远，若该机型研制成功，“十四五”期间国内新建管道将可采用自主研发成套的更简单、更可靠、更环保的集成式压缩机组作为天然气管道输送的核心动力设备，这不但具有显著的经济效益，还可极大的提升民族加工制造能力、带动国内机械、冶金、装备等相关产业的发展，达到国际先进水平。
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论文作者:庞佳璇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/13
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