【壓縮機網】1 項目概況

　　1.1 項目研究目標與難點

　　打破國外技術壁壘，掌握一批具有自主知識產權、達到國際同等水平的壓縮機設計、制造技術，實現25MPa高壓儲氣庫壓縮機的國產化，實現“零”的突破，提升儲氣庫壓縮機設計研發能力，為我國儲氣庫工程建設提供質優價廉、安全可靠的國產壓縮機，為我國儲氣庫工程建設提供大型、關鍵的國產化裝備保障，為國民經濟發展作出貢獻。

　　項目研發面臨四大難題：

　　儲氣庫壓縮機寬工況設計；高壓氣缸設計及密封問題；高壓氣缸套磨損控制；長薄壁缸套制造問題。

　　1.2 項目合同規定的任務

　　1）高壓大缸徑氣缸開發

　　（a）結構形式研究；（b）安全性研究；（c）耐磨性研究；（d）冷卻方式研究；（e）切削加工性研究。

　　2）高壓填料、活塞環設計研究

　　（a）填料耐磨性研究；（b）填料長壽命研究；（c）填料密封性研究；（d）活塞環、支撐環結構形式研究；（e）支撐環壓應力研究。

　　3）高壓冷卻器設計研究

　　（a）結構形式研究；（b）減振性研究；（c）抗疲勞研究；（d）降噪研究。

　　4）高壓容器研究

　　（a）高壓動載荷設計研究；（b）疲勞強度研究；（c）末級高精度過濾器研究。

　　5）壓縮機組振動控制研究

　　（a）脈動及振動的成因研究；（b）壓縮機組扭振分析；（c）整機脈動分析研究。
 

　　1.3 項目考核指標

　　（1）主要技術指標（見表1）

　　（2）主要經濟指標

　　通過成功進行天然氣儲氣庫壓縮機國產化研制，單機采購成本比同類型進口機組降低30%左右。

　　（3）專有技術及論文

　　● 2項專有技術：高壓氣缸結構設計

　　氣缸缸套熱處理工藝

　　● 2項制造技術：高壓氣缸結構設計

　　氣缸缸套熱處理

　　● 發表論文1篇

　　2 項目實施情況

　　2.1 項目目標、任務總體完成情況

　　本項目完成合同規定的5項任務，研制出1臺儲氣庫壓縮機組，建立了1套技術規范，形成專利1項、專有技術2項、制造技術2項，發表論文2篇，培養技術骨干10人，全面完成各項考核任務。

　　（1）全面完成合同要求的各項研究內容（見表2）：

　　（2）全面完成合同任務指標

　　1）預期成果完成情況

　　全面完成合同預期成果（見表3）。

　　2）技術考核指標完成情況

　　項目的17項技術指標全部完成，達到考核要求（表4）

　　3）主要經濟指標

　　通過成功進行天然氣儲氣庫壓縮機國產化研制，單機采購成本比同類型進口機組降低50%左右（表5）。

　　4）完成廠內主要試驗（表6）

　　2.2 主要成果情況

　　通過本項目的開展與實施，形成4大核心成果（表7）。

　　2.2.1 形成了儲氣庫壓縮機寬工況設計技術

　　通過熱力學專用軟件計算分析，研究壓縮機動力特性及振動控制分析，形成儲氣庫壓縮機主機配置及機組總體設計方案。

　　（1）儲氣庫壓縮機總體方案

　　通過方案設計，提出二種主機配置方案進行對比分析，一種方案為四缸二級壓縮，一級氣缸兩個，二級氣缸兩個；另一種方案為二缸二級壓縮，一級氣缸一個，二級氣缸一個，二種方案的一級氣缸均配有可調余隙。

　　對兩種方案進行計算，通過分析可知：

　　1）四列機組比二列機組行程短，活塞線速度低；

　　2）四列機組比二列機組綜合桿載更小，提高了機組的安全性 ；

　　3）二列機組的氣體力較大，且反向角很小，為保證機組有一定的反向角，二級氣缸需要設置尾桿（貫穿活塞桿）。四列機組不存在反向角小的問題。

　　4）四列機組比二列機組的不平衡力矩要小，因此四列機組的振動要小（圖1）。

　　（2）壓縮機負載柔性控制技術

　　1）壓縮機負載啟動柔性控制技術

　　研究壓縮過程負荷特性，采用遞階控制結構，創建壓縮機負載柔性控制方法，協調控制先導閥組與進氣閥門，適應高壓進氣變化，降低機組啟動負載。

　　2）壓縮機加/卸負載柔性控制技術

　　研究機組加\卸負載特性，采用模糊控制技術，創建負荷柔性調節方法，實現加載平穩漸進、卸載回流控制。避免加載對電網干擾、卸載高壓對罐體容器和安全閥沖擊。根據實時檢測排氣壓力變化值調整加載閥門關閉速度，使機組負載在一個合理的變化規律內緩慢增加，減小對電機軸承損害和對電網的干擾；根據實時檢測進、排壓力變化值調整閥門開啟速度，減小高壓氣回流對進氣洗滌罐內濾網的沖擊力，同時可保證卸載時機組進氣管線內壓力不超過安全閥工作設定值。

　　（3）壓縮機振動控制技術

　　采用API618規定的第三種方法進行氣流脈動分析，優化管線、支撐布置和緩沖罐結構，減小氣流脈動力，降低管線振動。

　　a） 壓縮機和管路系統的固有頻率分析

　　b） 壓縮機力學模型的受力機械響應分析

　　c） 管路系統受力機械響應（圖2）

　　1）壓縮機振動控制技術軸系共振控制

　　針對壓縮機軸系進行了動力學分析。在往復式壓縮機軸系中施加活塞、連桿、十字頭以及驅動電機轉子等慣性質量的基本方法，建立考慮各種慣性質量的軸系動力學分析模型，選取了集總參數法，對軸系進行了簡化，將模型繼續簡化成有限個自由度的模型。在構成集總參數模型時，對軸系的總節點數N由一定的要求（圖3）

　　對軸系進行了簡化：分布質量離散化，集總到許多節點上，簡化成有限個自由度的分析模型（END～MBR為壓縮機軸，CP1～CP2為聯軸器，MN1～AUX為電機軸）。

　　（公式中Zi為轉子第i個截面的受力和變形狀態的狀態矢量，Xi為截面的徑向位移，ai繞角，Mi為彎矩，Qi為剪力，l為軸段長度；E為材料的彈性模量；I為軸段的截面矩；V則為考慮截面上剪切影響的系數：          其中G為材料的切變模量；Ar為截面積，Kt為截面系數。）

　　研究壓縮機動力特性，采用轉子動力學分析，建立了集總參數模型后，采用傳遞矩陣法（如圖4），建立這些構件兩端狀態矢量之間的傳遞關系，利用連續條件，得到整個軸系兩端截面的狀態矢量之間的關系式，再根據軸系的邊界條件就可導出頻率方程式，求解頻率方程式，得到軸系的各階固有頻率和振型，形成扭轉振動分析方法，掌握了扭振控制技術，避免軸系共振計算軸系臨界轉速和瞬態響應（圖5）。

　　因整個軸系中，z*薄弱、z*有可能發生破壞的部件為聯軸器，分析得到軸系的響應幅值小于聯軸器許用扭矩值，確認軸系安全。

　　2）壓縮機振動控制技術-氣流脈動力控制

　　根據壓縮機氣流脈動聲學特性及聲阻抗網絡分析模型技術，建立壓縮機管系和元件結構的三維分析模型，提供管系和元件的振動分析數學模型。考慮環境因素（管系與外界的熱交換、環境噪聲等）的情況下，建立更加完善的數學模型和特征型方程組，分析儲氣庫工況要求，算了模型固有頻率及響應，形成脈動分析方法，掌握脈動控制技術，優化工藝氣管路設計（圖6,7,8）。

　　圖8左為排氣緩沖罐改進前不平衡力曲線圖，圖8右為排氣緩沖罐改進后的不平衡力曲線，紅色曲線為API618標準規定值。通過氣流脈動分析后，發現有些頻率段脈動不平衡力很大，通過改進設計后，降不平衡力降低到標準值以下。

　　3）壓縮機振動控制技術-機械振動控制

　　采用有限元分析理論，建立了彈性體物理方程矩陣（如圖9）和機組有限元模型（如圖10），找到其固有頻率及頻響特性，提出解決方案（如圖11），掌握機械振動分析方法，優化機組結構設計。

　　其中  為正應力， 為剪應力， 為彈性體沿X軸正方向的位移， 為Y軸正方向的位移， 為Z軸正方向的位移，G為剪切模量。

　　通過機械振動分析后，需要提高洗滌罐支撐座固有頻率，避免與機組發生共振。

　　（3）高壓高精度氣液分離技術

　　1）論證了不同分離結構的過濾效果，形成高壓大排量高精度過濾分離方案，控制天然氣出口含液量低于1ppm。

　　2）分析液體的聚結特性，優選了“層壓法”處理過濾濾芯， 該濾芯不但可以滿足技術要求，并且極大延長了濾芯使用壽命，濾芯的z*大更換周期在18個月。采用“層壓法”聚結濾芯可將工藝氣流中的液體污染物去除至0.01ppmw以下，同時對天然氣中少量固體顆粒物的去除率為99.98%（0.3um以上）。該聚結濾芯在生產工藝中采用了疏油處理技術，可以將聚結液體在只占整個濾芯25-30%的底部排除，從而避免液沫夾帶現象，防止聚結液體潤濕介質，加速液體在介質纖維上的排出。

　　3）末級高壓分離器，因工作壓力變化范圍較大，氣流脈動影響較大，承受各種靜、動載荷或交變載荷，還有附加的機械或溫度載荷，情況很復雜。因此在設計時，選擇厚壁管補強，運用等面積補強法對末級分離器進口接管開孔進行補強設計，進行疲勞分析，評定結構承受疲勞載荷的能力，保證承受交變載荷的容器不致在其壽命期限內發生疲勞破壞。z*終設計出開式分段高壓高精度過濾器結構和專用液壓工具，解決了高壓大壁厚大通徑制造難題（圖12,13）。

 

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來源：中石化石油機械股份有限公司壓縮機分公司