摘　要：介绍了近几年在天然气长输管道压缩机站工艺设计中采用的新技术：压缩机站等负荷率布站设计技术，是结合站场的实际高程和环境温度，按相同的压缩机组负荷率设置压缩机站；压缩机组备用方案定量评价方法，是采用概率分析的方法，结合压缩机站的布置情况及压缩机组可用率和储气库容积等边界条件，确定压缩机组备用方案；压缩机组适用性分析技术，是利用仿真软件模拟压缩机工作曲线，分析压缩机组和管道特性匹配后的实际工况。在西气东输一线、二线等管道工程中的应用表明，这些技术可以明显降低管道工程投资，提高管道运行的经济性。

关键词：天然气长输管道；压缩机站；设计；新技术

压缩机站是天然气长输管道构成中投资较大、配套系统最复杂、配置方案设计最困难的部分，是长输管道的核心和灵魂。良好的压缩机站设计不仅可以降低管道的投资、更可以降低运行阶段的能耗水平，创造长期的经济效益。伴随着涩宁兰、忠武线、西气东输一线、西气东输二线等管道工程的陆续建设，国内设计咨询单位对天然气管道特性的认识不断加深，并不断总结创新，围绕长输管道压缩机站布站、机组配置、性能模拟等工作形成了一批新的设计技术，对降低管道工程投资，改善管道运行经济性，提高国内天然气长输管道工程设计水平，具有重要的现实意义。

1 等负荷率布站技术

对于有压缩机站的管道，其绝大部分能耗源自压缩机组的驱动消耗，而压缩机站的投资非常高，一个压缩机站动辄投资几亿元。因此，选择优化的布站方案是确保管道在完成任务输量的前提下，实现降低投资、节能降耗、经济运行的关键因素。通过西气东输一线管道、涩宁兰输气管道增压工程的设计实践，国内长输管道设计单位积累了大量国内外压缩机组的性能资料，对常用压缩机组的工作范围、性能及机械特点有了较全面的认识，在等压比布站技术的基础上提出了等负荷率布站技术。

1.1 概念与技术优势

等压比布站是指在压缩机站布站的过程中，各站按基本相同的压比设置压缩机站。西气东输一线即采用了国内外常用的等压比布站方案^[1]，各站压缩机压比保持基本一致，简化了设计过程。而等负荷率布站是指结合站场的实际高程和环境温度，按相同的压缩机组负荷率设置压缩机站，其中：压缩机组负荷率=压缩机轴功率/驱动机在现场条件下的最大输出功率。对于压缩机站数量非常多的输气管道，相对于等压比布站，采用等负荷率方案布站，能够更好与站场所在区域的环境因素相结合，不仅可以节约投资，而且能够最大限度地发挥机组的能力，将压缩机组的功率“吃干榨净”，避免形成输量瓶颈。

1.2 应用实例

西气东输二线管道霍尔果斯－中卫段采用1219mm/12MPa、中卫—广州段采用 1219 mm/10MPa 的工艺方案，年设计输量300×10⁸m³。该管道横贯我国东西，沿线地区地理环境差异明显。由于驱动机组的可输出功率与海拔、环境温度密切相关，同一机组在不同海拔和环境温度下的可用功率差异较大，对于同样是 30 MW等级的燃气轮机，在东段低海拔地区可输出功率达27MW，而在甘肃永昌地区可输出功率不足21 MW，两者相差高达22%。

采用等压比方案布站，干线需要设置26座压缩机站。受制于高海拔地区燃气轮机的功率折减效应，在夏季最高输量条件下，只有永昌站的压缩机组达到最大输出功率，其余各站的压缩机组均有不同程度的功率富裕，因此永昌站压缩机组成为制约提升管道输量的瓶颈，其余各站的功率富裕则成为浪费。

采用等负荷率方案布站，最大程度地使各站压缩机组负荷率都达到平均值，并使夏季最高输量下各站机组负荷率基本都达到100%，从而既避免出现输量瓶颈，又避免各站压缩机组功率的浪费。在全部采用燃驱的情况下，按等负荷率布站，西气东输二线西段精河－古浪间各站压缩机组负荷率虽然相同，但压比存在一定差异（表1），海拔低、温度低的压缩机站压比相对高一些，反之亦然。由于离心式压缩机的机芯工作范围较宽，压比在一定范围内变化基本不会影响机组效率，也无需调整叶轮尺寸。

采用等负荷率布站技术，西气东输二线干线管道设置25座压缩机站，与采用等压比布站方案相比，减少1座压气及 3 台30 MW等级压缩机组，直接工程投资可节约5×10⁸元以上，而且各站机组均能在高效区工作，管道自用气消耗量约减少2000×10⁴m³/a，管道运行费用下降约3500×10⁴元/a。

2 压缩机组备用方式定量评价方法

国内天然气长输管道常用压缩机组最常用的备用方式是机组备用，即每座压缩机站在设置运行必须机组的基础上，再增设1台压缩机组作为备用，当运行机组故障停车或者检修时，投运备用机组，以保证正常输气。长期以来，对是否在每座压缩机站都设置备用机组存在很大争议，运行单位通常坚持设置备用机组，但有观点认为，备用机组投资较高，利用率却很低，设置备用机组得不偿失。由于缺乏定量的说明数据，关于是否设置备用机组，缺少依据。

在西气东输二线管道工程中，提出了压缩机组备用方案经济性分析的定量研究技术路线（图 1）和计算方法。其中单台燃驱、电驱机组的可用率根据管道运行单位的统计数据得出。

式中：p(x)为压缩机站有 x台压缩机不可用的概率；x为不可用机组的数量；n为单座压缩机站的压缩机组数量；p 为不可用率；（1－p）为可用率。

依此式，若压缩机组可用率取95.78%，对于2用0备的压缩机站，其可用率为1－p（1）－p（2）=91.74%；对于 2 用 1 备的压缩机站，其可用率为 1－p（2）－p（3）=99.48%。

对于有多座压缩机站的输气管道，管道系统可用率的计算公式与单座压气站可用率的计算公式相同，但公式中的变量含义不同，其中 p（x）为有 x 座压缩机站不可用的概率，指有 x 座压缩机站出现 1 台运行机组失效的概率；x 为不可用压缩机站的数量；n 为压缩机站的数量；p 为压缩机站的不可用率；（1－p）为压缩机站的可用率。

依此式，对于西气东输二线东段 11 座压缩机站，若均采用2 用0 备的方案，东段有1 座站出现1台不可用机组的天数为139.7d，有2座站同时出现1台不可用机组的天数为 61.4d；若均采用2用1备方案，东段有1座站出现1台不可用机组的天数为19.5 d，有2座站同时出现1台不可用机组的天数为0.5d。很显然，设置备用机组后，管道出现压缩机组停运的可能性大大降低了。

管道出现压缩机不可用的工况时，输量降低，即管道存在输气损失，采用水力模拟软件可计算出管道出现不同数量机组停运情况下的输量损失。根据计算，对于西气东输二线东段 11 座压缩机站，若均采用 2用 0 备方案，全年输量损失为 19.5×10⁸m³；若采用 2 用 1 备方案，全年输量损失仅为 2.7×10⁸m³。压缩机站设置备用机组可以避免 16.8×10⁸m³/a 的输量损失，显然在经济上是合适的。

当然，对于不同的管道，由于压缩机站布置情况不同，单台压缩机组失效后的输量差别较大，因此对于增设备用机组是否经济合适，不能一概而论，需要按上述方法详细计算。另外，压缩机组可用率及储气库容积也是非常关键的边界条件，当机组可用率较高或储气库容积足够大时，压缩机组失效后，管道全年的输量损失会明显降低，可能出现不设置备用机组更为经济的结论。

3 压缩机组适用性分析技术

压缩机组供货商在投标文件中提供的性能曲线一般只包含有限个水力工况点的参数。对于多压缩机站长输管道，由于下游用气市场的数据不断更新，用户在压缩机组招标期间提供给压缩机供货商的水力参数很可能与实际输量有很大差别，某些工作点甚至有可能进入喘振线、最大和最小转速曲线。如果不对压缩机组进行适用性分析，管道设计者就无法确认不同压缩机组供货商提供的压缩机组能否完全覆盖管道全部的工况点，无法判定实际工作点在压缩机性能曲线中的位置，无法确定实际的压缩机组效率、功率和燃气耗量等重要参数，无法确定何时需要更换压缩机转子，更无从优化压缩机站的运行参数以获得最小的能量消耗和最优的运行方案。

压缩机组适用性分析是将压缩机组供货商提供的压缩机和燃气轮机性能参数输入管道仿真模型，通过仿真软件将压缩机组特性参数拟合为曲线图谱，并进行不同工况下的水力计算，得到管路特性曲线和压缩机特性曲线的平衡点，计算不同工况下压缩机组的工作参数（工作点在压缩机曲线中的位置、流量、效率、功率、燃气耗率、转速、扬程等），并可通过喘振、堵塞、转速极限、最大功率等曲线自动约束压缩机组的工作参数，以分析压缩机组和管道特性匹配后的实际工况。

目前国内已经可以利用水力仿真软件SPS模拟压缩机工作曲线，完成压缩机组的适用性分析。从不同输量条件下某站压缩机的工作点和工作特性曲线（图2、图3）明显可见管道的水力工作点、压缩机喘振曲线、堵塞曲线，最高转速曲线、最低转速曲线、效率曲线、不同转速的扬程曲线。

在西气东输一线管道工程的设计中，对 RR、GE、DR 等公司的压缩机组曲线进行了仿真拟合，并对上述厂商压缩机组的适用性进行了模拟；在西气东输一线管道增输工程的设计中，广泛利用了压缩机组适用性分析对管道失效工况进行了模拟；在西气东输二线管道工程的设计中，也广泛采用该项技术，完成了很多以往无法开展的水力工况分析工作，包括：管道极限工况分析、机组失效模拟、压缩机组参与调峰分析、管道启停输分析、压缩机组运行优化、压缩机站合理投运计划分析、压缩机组采办技术支持。

综上所述，压缩机站等负荷率布站设计技术、压缩机组备用方案定量评价方法、压缩机组适用性分析技术是近年在天然气长输管道压缩机站工艺设计实践过程中发展起来的新技术。已经建成的西气东输二线干线管道和正在设计中的西气东输三线管道均采用等负率布站技术完成了压缩机站布置，利用定量评价方法确定了压缩机组备用方案，并采用压缩机组适应性分析技术开展了管道在不同工况下的水力计算分析。

实践证明，上述技术的采用能够有效降低管道的投资和运行成本，优化压缩机组的运行工况，对于进一步提高国内天然气长输管道工程的设计水平，具有显著意义。

参考文献：

[1]姚光镇.输气管道设计与管理[M].东营：石油大学出版社，1991：5-6，30.