随着天然气开发规模和使用规模的不断增大，建设长距离输气管道成为最主要的选择，天然气输气管线作为连接气源和城市配气系统的纽带，具有输送距离长、管道管径大、输气量大、输送压力高、管线系统投资高等特点。天然气压气站作为天然气输气管线系统上的“动力心脏”有着重要的核心地位。其中, 压气机投资占据很大一部分，压气站压缩机所消耗的天然气占管道所输气体的3%~5%，耗能较大[1]。国外T. F. Edgar等人以压缩机能耗最小为目标对天然气输气管线系统进行了最优化设计研究，M. Pappas对输气管线系统的直径和压缩机功率进行了优化[2-3]。
对于单个天然气压气站而言，从细节处进行优化设计和运行研究是很有必要的。保证每一个天然气压气站的优化运营和安全运行，对于稳定输气管道系统、提高整个天然气管线系统的经济效益具有重要意义。为此，本文通过对实际压气站项目的工艺流程设计、设备选型和实际运行的数据分析，对天然气压气站设计中可能出现的一些问题作了初步探讨，可供相关压气站设计作参考。
天然气是由互不发生化学反应的多种单一组分气体组成的混合气体，它们在管道及其他系统中的流动特性不仅仅取决于气体中每一组分的密度和黏度，还取决于它们的界面张力、分散状态和相对数量。为了对天然气流动时所表现出的宏观特性进行定量描述，根据问题的需要，分析天然气相对分子质量、密度及相对密度等参数。
工程上将标准状态下，1 kmol天然气的质量定义为天然气的平均分子质量，简称分子质量，其计算公式为[4]：
(1) 天然气的密度[4]。混合气体密度指单位体积混合气体的质量，天然气的密度不仅取决于天然气的组成，还取决于所处的压力和温度状态。在标准状态下，天然气的密度可由式(2)确定：
(2) 天然气的相对密度[4]。在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为相对密度。对于混合气体：
输气管道稳态工况的模拟计算有较大的局限性[5]，在探讨输气管的流量与压力之间的关系时，假设：
(1) 气体在管道中的流动过程为等温过程，即温度不变，t=常数；
(2) 气体在管道中作稳定流动，即气体的质量流量在管道的任一截面上为一常数，气体的质量流量既不随时间也不随距离而改变；
(3) 输气管道是水平的，即管道高程差假设为0。
工程设计中计算水平输气管道的流量基本公式，常使用潘汉德尔B式[6-7]：
压缩机是天然气压气站的关键设备，大型的压气站常选用离心式压缩机，其轴功率按式(5)计算[8]：
中亚中乌天然气管道工程天然气压气站的上游天然气设计流量为(60~100)×108 m3/a，压气站天然气输入压力为6.83~6.93 MPa，压气站天然气输入温度为43.56~47.45 ℃，压气站天然气排出压力为8.85~9.48 MPa，压气站天然气排出温度为50 ℃，生产工艺流程见图 1。上游来的天然气经过旋风分离器和过滤分离器分离，进入压缩机增压后，再经过空冷器冷却后送往下游。
ASPEN HYSYS，Stoner Pipeline Simulato(SPS)两个软件对天然气管道输送模拟在国际上得到了广泛的应用[9]。本文依据进站天然气的流量、压力、温度，使用ASPEN HYSYS对压气站的工艺流程做了模拟，年输气量一期60×108 m3和二期100×108 m3工艺计算模拟结果见表 1和表 2。
放空系统是压气站保证安全运行的重要辅助系统，对压缩机出口的高压紧急放空尤为重要。一些压气站项目设计过去多是在几台压缩机紧急放空时公用一个放空管系统。由此，当出现停电等紧急放空情况时，就会造成压力不均，甚至导致某台压缩机不能及时泄放压力的安全隐患。本项目对于每一台压缩机设置了独立的放空系统，互不干扰，消除了紧急放空时不能及时泄放压力的安全隐患。
项目所选压缩机组为燃气轮机驱动的离心式压缩机组, 可以通过调节转速来控制输出压力, 机组自带压力报警和超压紧急停车系统, 每台压缩机组排气端设有紧急放空阀，ESD停车时自动打开。保证压缩机的最大出口压力均不超过管道系统的设计压力，多重保障了压缩机出口管道系统的安全。
压气站出站紧急截断阀前设压力报警和压力开关，压气站出口设紧急截断阀, 在压缩机出口至出站截断阀之间设自动放空阀，与出站ESD紧急截断阀联锁。当出站压力达到设定值时，站控系统自动报警或紧急停车，并紧急放空，全方位保证了压气站的安全运营。
上游来气经过旋风除尘10 μm及以上的固体颗粒，再经过滤分离5 μm及以下固体颗粒和液滴，使干净的天然气进入下游压缩机，以保证下游压缩机正常运转。本项目的旋风除尘和过滤分离参数见表 3。
由工艺计算模拟结果可知，有两种工况:一是在输送量为60×108 m3/a时，要求压气站压缩机将天然气压力从6.72 MPa提升到9.00 MPa；二是在输送量为100×108 m3/a时，要求压气站压缩机将天然气压力从6.62 MPa提升到9.61 MPa。按式(2)计算得，工况一的轴功率为8 080 kW，工况二的轴功率为14 599 kW。以往的压缩机选型追求设计点的高效率，能耗最小，天然气管道压缩机能适应较宽的流量范围和压力波动范围[10-11]。对该项目的压缩机而言，需要适应全年输气量的较大变化，还要应对不同的输气工况，如果坚持以高效率、能耗最小为设备选型的原则，为应付不同的工况，就需要不同型号的压缩机或更换压缩机的内件，这无疑给项目增加很大的投资。经过与供应商的沟通交流，开发出能适应宽广操作范围、且保持在高效区运行的离心压缩机组，从而大大降低了压缩机设备投资。该压缩机的模拟计算结果见表 4。
压气站压缩机动力来源可来自燃气轮机驱动和电机驱动，本文所选压缩机组为燃气轮机驱动或变频调速电机驱动，都可以通过调节转速来控制输出压力。
图 2是天然气管道测压点的压力设计值与运行值的对比图。从图 2可以看出，天然气压力沿着输送管道压力逐渐降低，经过压缩机压缩后，二者曲线相互吻合，保证了出口压力，从而保证了天然气向下游输送的稳定性。
图 3是天然气压缩机工作点示意图。供货厂家给出的压缩机工作范围为5 700~8 856 r/min，现场实际运行过程中，天然气输送量约为60×108 m3/a，现场实测压缩机转速约为6 200 r/min，出口压力约为9.0 MPa。从图 3可以看出，该工况点落在工作区内，表明在该工况下，压缩机运行稳定。
通过对单个天然气压气站的设计分析和运行研究，对于提高整个天然气管线系统的经济效益，保证管线系统的安全运行有着重要意义。其结论如下：
(1) 通过对进站天然气的稳态流程模拟，为压气站的工艺设计提供了重要的参考依据；通过ASPEN HYSISI软件模拟，能直观清楚地了解压气站工艺设计流程，且比较接近压气站的实际运行过程。
(2) 对每一台压缩机设置了独立的放空系统，消除了紧急放空时可能存在相互干扰而不能及时泄放压力的安全隐患。
(3) 加强压力检测与监控设计，增加站控系统自动报警或紧急停车，并紧急放空，全方位保证了压气站的安全运行。
(4) 选择适应性能较宽的天然气操作范围的压缩机，大大降低了压缩机设备投资，提高了经济效益，在实际运行中，压缩机运行良好。
2016, Vol. 45 Issue (5): 35-38, 42
2016, Vol. 45 Issue (5): 35-38, 42