[设计开发] 大型透平压缩机技术发展现状及趋势

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xiaoyue888

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1楼

发表于 2013-1-18 11:54 |只看该作者 |正序浏览

一、前言

　　透平压缩机是天然气输运与液化、石油开采与炼制、煤液化与煤化工等能源工业的核心装备，也是石化、钢铁等领域的重要耗能动力设备。压缩机宽工况、稳定、高效和长周期运行对能源及动力系统的安全、节能有重要意义。近年来，随着经济的高速发展，透平压缩机在内部流动机理、设计及制造技术、运行及控制等方面得到了充分的研究，使我国透平压缩机设计制造技术有了长足的发展。但装置大型化及系统高效节能的发展趋势，对透平压缩机技术发展又提出了新的课题，需要解决透平压缩机的气动设计、系统协调匹配及自动控制等方面的关键技术，开发高效节能、安全可靠的大型压缩机组，提高我国石油化工装置用压缩机的技术水平。

　　二、大型透平压缩机的技术现状

　　我国大型透平压缩机装备的发展历史较短，通过国外先进技术的引进、消化吸收和自主开发，大型压缩机组等关键装备的国产化水平有了很大提高，已初步形成了一些大型压缩机的自主开发能力，可以基本满足1 000万t/a炼油、100万t/a乙烯、8万m3/h空分等的要求。但天然气长输管线压缩机还基本依赖进口，油气深度开采、天然气液化等所需的高参数压缩机尚在研制之中。国产化大型透平压缩机的技术水平与国外相比还有一定差距，表现在装备技术开发跟不上能源需求和工艺流程技术发展的速度，在装备能耗和可靠性等方面还有明显差距。

　　1.大型技术装备配套能力及技术水平的差距随着石油化工等工业装置的不断增大，透平压缩机向高参数、大容量发展，由于基础研究的缺乏，导致透平压缩机基本级系列不全，不能满足很多应用场合要求。如“西气东输”项目的管线压缩机，120万t/a以上乙烯项目的工艺压缩机(裂解气压缩机、乙烯压缩机，丙烯压缩机)，10万m3/h以上的空分设备中的压缩机以及68万t/a合成氨装置中的压缩机等，这些大容量压缩机目前国内还没有生产，仍需要进口。

　　在设计技术方面，由于基本级系列不全，效率偏低，设计计算的准确性较差，导致同规格压缩机比国际先进产品效率低2%～5%；传统方法只重视在设计工况点获得高效率，对压缩机的调节性能研究不够，而实际中大多数压缩机都不是仅在设计点运行而是通过调节在一定工况范围内运行，从而导致很多“高效”产品在使用时是在偏离设计点的区域低效运行，致使许多国内压缩机机组同进口机组相比实际运行效率低5%～20%。

　　2.主辅设备协同能力及关键辅助部件研究的差距国内缺乏压缩机系统与工艺流程匹配特性方面的研究，对工艺系统的理解欠缺，压缩机组的设计往往不到位，造成较大浪费，易出现机组与工艺系统不匹配，或偏离最佳工况运行，自适应调控能力差。

　　而国外公司对各种化工工艺系统的理解深，经验丰富，压缩机的设计总是恰到好处。

　　关键配套部件对主机的作用与影响研究得不够，比如密封与转子失稳的关系，换热器性能与主机性能的关系，管网与机组性能的协同等。气流、高速、高压、高温及结构弹性之间存在着强烈的耦合关系，单一因素变化都会影响其他部件，单一部件动力特性变化会造成其他部件工作状态变化甚至机组整体失稳。

　　3.控制技术差距国内机组都依靠紧急停车系统确保机组安全，经常停车，对大型化过程装置经济损失巨大。

　　由于对机组本身的性能和相关工艺系统的应用研究深度不够，且行业没有形成针对各机组运行工艺的操作规范及机组运行操作过程的标准流程，用户的个性化操作要求较为普遍。导致国产机组的控制系统还达不到标准化控制，距离智能控制也存在差距。国外机组已经采用智能控制系统，针对不同的机组和工艺装置开发相应的专用控制软件包，使机组控制系统监控功能适应不同的机组和相应的工艺装置，使机器的安全运行能够得到保证。

　　总之，我国大型透平压缩机组设计效率偏低，整体落后，使得机组的实际运行效率更低，造成极大的能源浪费。主辅设备缺乏协同性，影响了压缩机组的运行效率和安全可靠性。正如《中石化“十二五”科技进步发展规划纲要》指出：“这几年设备的国产化率提高较快，但是设备的制造质量、自动化程度与国外有差距，动设备的振动、噪声、效率及能耗等有差距，装备使用周期短，事故率高，如乙烯压缩机效率、外观质量等与国外还有较大差距，致使高新技术装备依赖国外的现象依然存在。随着石化装置的大型化、数字化、智能化和炼化一体化，产业集成度越来越高，国产化装备的技术水平与国外相比还有逐步拉大的趋势。”

　　三、大型透平技术发展面临的挑战和发展趋势

　　国际上透平压缩机在向大型、节能、高可靠性发展，技术开发的重点转向了提高产品的可靠性和运行效率，降低能源消耗，改进生产工艺方法等方面。机组的大型化使得透平压缩机在设计技术、主辅设备的协调工作及智能化控制技术几个方面都面临新的挑战，因此，发展设计理论、研究压缩机可靠性及智能控制方法是大型透平压缩机组技术发展的必然趋势。

　　1.压缩机内部流动理论和设计方法的研究

　　针对目前基本级不全和型谱布局不合理的情况，优化基本级系列，合理布局基本级参数范围，设计高效基本级系列，满足各种工艺流程装置高效、节能要求。包含以下几个方面的内容。

　　1）发展基于非定常流动的设计方法，探索非定常流动的损失模型。包括研究动静干涉、级间匹配、流动失稳等问题与设计的联系。

　　2）针对工艺流程变化，发展以多工况为目标的压缩机优化设计方法，研究内部流动及部件的干涉，设计过程中通过对部件的优化匹配使工况变化时也能有较高的运行效率。

　　3）先进测试方法的应用，如LDV、PIV技术，揭示压缩机内部的复杂流动机理。

　　4）研究多组分介质热力过程及变物性流动机理，化工过程中介质组分多种多样，而且过程中还有可能伴随相变发生，多种组分的热力性质和热力过程计算也一直是压缩机设计中要考虑的重要问题，同时开展有相变过程（如有冷凝）的压缩机内部流动机理及设计方法的研究。

　　5）流动失稳和压缩机运行扩稳的研究，提高预测旋转失速及喘振的准确性，研究结构参数及流动参数与失稳的关系，进而改进设计方法，使压缩机适应较宽的运行工况范围。譬如，开式叶轮顶部间隙内的流谱结构，叶顶间隙处机壳的扩稳结构及扩稳机理研究等。

　　2.主辅设备的协调工作及关键部件的可靠性研究

　　现有的关键部件服役性能研究、管网、换热器等辅助设备的设计方法，是从局部入手按照各自的特点和功能进行，认为各部件和主辅设备是相互孤立的，缺乏对多场耦合对关键部件及主辅设备之间相互作用、交叉影响的考虑。因此建立主辅设备交互作用的关联耦合模型，研究主机、设备、管网协调工作的规律，使压缩机运行在高效范围；研究透平压缩机大跨距转子轴系稳定性计算、弯曲和扭曲耦合计算软件开发。通过对压缩机大跨距转子轴系弯曲和扭曲耦合非线性研究，攻克国内压缩机普遍存在的运转稳定性较差和运行周期短的共性难题；研究透平压缩机密封间隙内泄漏流动、间隙内热效应、高压流体、高速转子相互耦合作用的机理，动密封间隙泄漏流动造成的气流激振对转子系统稳定性的影响；研究气膜端面密封动力学特性与转子系统的相互作用机理，探索透平压缩机级间密封和轴端密封失稳的成因，提高透平压缩机转子系统运行的稳定性；研究级间、机组之间换热器的换热特性及其变化规律，揭示换热器中流体状态参数变化对机组运行性能的影响机理，提高压缩机组设计的准确性。

　　3.大型透平压缩机组的故障诊断及自愈化

　　压缩机运行与控制的发展趋势是压缩机运行状态的远程监测、智能控制技术及故障自愈化。研究压缩机系统振动起因、多转子串联轴系振动和齿轮驱动多平行转子轴系弯扭动力耦合行为，流体振动导致的失稳现象，揭示机组多场耦合的失稳机理；建立早期故障的预测机制，探索机组网络化故障早期智能预警与自动诊断方法；发展基于仿生学原理的高端透平机械自愈化理论及自适应内模控制的共振抑制原理；探讨高参数压缩机转子失稳机理，研究多平行轴系压缩机共振抑制方法；在以上研究基础上，发展自愈化理论及控制方法，使系统具有自修复能力，使压缩机机组向高级智能化运行阶段发展。

　　四、结语

　　面对当前的机遇和挑战，研究和发展透平压缩机设计理论、揭示主辅设备关联耦合及和谐运行的规律，建立压缩机智能化运行及故障自愈化控制方法，开发出适应我国国情的大型透平压缩机设计、制造和智能化运行的高端技术，掌握“大型化、低能耗、长周期运行”的核心技术，从源头上提升我国大型透平压缩机组的自主创新设计能力和重大设备的安全运行能力，推动我国装备工业的发展。