压缩机机间管道无应力配管探讨

压缩机机间管道无应力配管探讨

张万明

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摘要：然气由于其燃烧的高效和清洁性，逐渐取代了煤炭、石油等传统化石能源。我国天然气供应长期以传统管道气(PNG)为主体，为缓解国内能源供应紧张问题，加快了液化天然气(LNG)进口终端建设，形成了多气源供应格。随着国家管网公司的成立，天然气市场“X+1+X”体系的形成，LNG因其供应输送的灵活性和高热值的特点，在国内的天然气市场中表现出强劲的竞争力。目前，我国下游用户需求气量持续上涨，而部分管网实现了下游LNG的管网反输功能，有效缓解了上游气源供气能力有限的状况，增加了管网供气方案的多样性。因此，在上游气源供气能力小于下游用户需求气量时，管道运营商如何合理选择各气源供应量，确定管道运行方案，提高管道运行效益显得十分迫切和重要。

关键词：压缩机；机间管道；无应力配管

引言

现今，氢能凭借其清洁环保、利用率高、应用领域广等特点被世界各国看作是全球能源架构发展的重要方向。目前氢气输送常用的方式为气态输送、液态输送及固态输送。气态输送方式根据运输工具的不同可分为管道输送和长管拖车输送，其中管道输送是大规模、远距离运输氢气最有效的方式。管道输送纯氢气体具有建设周期长、成本高的特点，相比之下天然气管道掺氢输送既减少了天然气使用过程中的碳排放，也有利于降低管道建设和维护成本，能有效促进氢能行业的发展。

1管道情况

天然气压缩机组的管道大部分为压力管道，设计压力高，工作介质为天然气，属易燃易爆物，对焊接质量要求较高。管道直径为34～407mm，壁厚为5～25mm，材质大部分为低碳钢和低合金钢，如20、L415Q，小部分为奥氏体不锈钢，如304、316L。管道由无缝钢管与法兰、管件（三通、弯头、大小头等）等焊接而成，管道布置走向无规律，形状复杂。管道中直管段长度为0.1～10m，以法兰为界，一条管道长0.2～12m，宽最大可达3m。制造厂内主要采用两种手工焊接方法：氩弧焊（TIG）和焊条电弧焊（SMAW）。TIG一般用来打底，SMAW则用来填充和盖面。

2压缩机厂房设置方案分析

据调研，目前国内规范暂未对厂房内压缩机机组数量进行明确规定，已建成的压气站多数是将所有压缩机组置于同一座厂房内。厂房内安装有可燃气探测系统、火焰探测系统、通风系统，按站场火气报警ESD控制要求，可燃气、火焰探测系统的高高报警均会引起厂房内所有压缩机组紧急停车，而目前火气报警系统产品可靠性不高，实际运行中多次发生因火气系统误报造成的厂房内机组紧急停车事件。另一方面，厂房内通风系统是否正常也直接关系到厂房内防爆分区的变化。在通风系统正常状态下，厂房内设计为2区防爆，因此厂房内的机组电气设备通常按防爆2区进行设计选型和供货，一旦通风系统故障，厂房内防爆分区将变为1区，将存在严重的运行安全隐患。当通风系统故障时，理论上厂房内所有压缩机组不得运行。

3压缩机机间管道无应力配管

3.1立式缓冲罐的结构为了克服卧式缓冲罐存在缺陷，将卧式缓冲罐的安置方向和隔板重新设计，研制出立式缓冲罐。立式缓冲罐按罐体轴线垂直于地面安装，用隔板把罐体分成两个等容积腔室，并用限流管连通，下腔室的排液管道从罐体最下端引出，上腔室的排液管道从隔板最下端引出。立式缓冲罐的罐体用裙座支撑的方式固定在地基上。平隔板型立式缓冲罐的隔板处于水平状态，虽然也能减少占地面积、并改善下腔室控制液位和防气窜能力，但上腔室控制液位和防气窜能力却未获显著改善。倾斜隔板型立式缓冲罐采用倾斜隔板是为了在等容积分隔罐体的同时使上腔室分离出的液体自动汇集在倾斜隔板低端，以增大上腔室垂直液位行程，便于液位控制并减少气窜发生，但倾斜隔板也会增加制造难度和成本。两者适用的区别是:对罐体直径较小的立式缓冲罐可采用平隔板型立式缓冲罐，对罐体直径较大的立式缓冲罐宜采用倾斜隔板型立式缓冲罐。

3.2可燃气体泄漏处置

（1）可燃气体泄漏事故工况当厂房内某一区域两台及以上的可燃气体探测器检测到可燃气体泄漏，可燃气体浓度达到爆炸下限浓度的20%时，联锁启动事故区域内的所有送、排风机，并联锁打开事故区域电动推拉门，同时该区域和控制室内报警，提醒操作人员注意。当厂房内某一区域可燃气体浓度达到爆炸下限浓度的40%时，自动逻辑联锁执行该区域内在运压缩机组ESD停车保护，同时联锁启动事故区域内的所有送、排风机，并联锁打开事故区域电动推拉门。风机箱出口风管设置流量检测仪表，当流量低于设定值报警信号上传至控制室。在压缩机组全量运行状态下，若厂房其中一个区域出现可燃气体泄漏事故，则开启另一区域内备用压缩机组，同时紧急停运事故区域内所有压缩机组，该工况下增压系统需降量运行，最大增压气量下降约20%。

3.3焊接方法

相对较大规模用于管道自动焊的焊接方法大致有3类：TIG焊、埋弧焊（SAW）和熔化极气体保护焊（GMAW）。（1）TIG焊焊接质量好，能较好地实现单面焊双面成形，但焊接效率较低，多用于管道焊缝的打底工作。为了提高效率，还发展出了热丝TIG焊，其原理是填充焊丝在进入熔池前，用专用电源产生电阻热将焊丝加热至预定温度，熔敷速度可大幅提高，焊接效率也就得到了显著提升，并且保持了TIG焊高质量的特点。（2）SAW在压力容器上有较多的应用，其生产效率高，焊接质量好，且弧光不外露，对操作人员友好。但厂内管道的直径与壁厚相对压力容器来说都小得多。在直径较小、壁厚较薄的管道上焊接时，一方面因焊剂难以保持在焊道上而降低保护效果，从而影响焊缝质量，另一方面由于SAW使用电流较大，电弧的电场强度高，也易造成打底层被焊穿的现象[6]，因此考虑采用细丝SAW。SAW焊丝一般是φ3.2～φ6.0mm，细丝SAW焊丝直径一般是φ1.2～φ2.0mm。相对粗丝SAW，细丝SAW可使用相对较小的电流，不仅熔化系数大、可节约电能，而且焊接质量也更。（3）GMAW又可以分为MIG焊、MAG焊和CO2焊等。GMAW焊接效率高，可进行全位置焊接，并且非常适合集成在自动焊和机器人焊接设备上。但是，GMAW能否用在承压设备上，目前还有比较多的争议。一方面是行业内人士普遍担心其力学性能和弯曲性能不稳定，易造成合金元素烧损、焊缝成形欠佳，以及难以实现喷射过渡等问题，另一方面又有很多的成功案例。

结束语

天然气掺氢后，压缩机稳定工作范围会减小。从压缩机三维流场分析可见，当掺氢比提高时，泄漏涡强度会随之增强，流动分离诱发泄漏涡提前、强度增强是引发压缩机喘振裕度减小的主要原因。在相同的掺氢比例下，压缩机进口温度升高时，压缩机的总压比会相应的降低，同时管网输送的能量流量会明显降低。采用定常方法研究天然气掺氢对压缩机性能的影响，但尚未考虑压缩机与管网的共同工作特性曲线；同时管网内流量波动会导致压缩机进出口端面临非定常的工作条件，目前该方向研究尚浅，有待进一步深入研究。

参考文献

[1]汪成文,叶薇,何旭东.离心压缩机回流管线振动分析与解决方法[J].化肥设计,2021,59(06):32-35.

[2]李星星.天然气管道压缩机组润滑油应用技术[J].压缩机技术,2021,No.290(06):36-39+46.

[3]张井鲁,张俊,姜美玉等.浅谈离心式压缩机模块化设计[J].压缩机技术,2021,No.290(06):40-41+7.

[4]尹瞳.BOG增压压缩机故障分析及处理[J].压缩机技术,2021,No.290(06):57-60

[5]王高杰,李慧芳,卢敬田等.压缩机入口管道疲劳断裂分析[J].化工机械,2021,48(06):899-908.