【壓縮機網(wǎng)】1 全球范圍內(nèi)，天然氣的發(fā)現(xiàn)和利用，肇始于我中華之三國時期
就全世界而言，天然氣的發(fā)現(xiàn)和利用，發(fā)端于什么年代，又是在什么地方呢？
我國相關(guān)的博物志，明確記載了蜀漢（公元221～263年）丞相諸葛亮曾視察天然氣的史實。
開鑿于1823年的燊海井（燊，shēn，熾盛），位于四川省自貢市，是經(jīng)確認(rèn)的全球第一口超千米深井。該井至今仍以天然氣為燃料，沿襲古法制川鹽，成為川菜用鹽的不二選擇。它是對孔明先生曾視察天然氣這一史實的最好佐證與詮釋。
燊海井的開鑿工藝技法，鑿鉆具材料的選擇和設(shè)計，皆令今人嘆服。
記得，中國海洋石油總公司在北京東城區(qū)的舊址院內(nèi)，就矗立著燊海井井架模型。
2 天然氣及其應(yīng)用與天然氣壓縮機的類別
2.1天然氣
除了以氣態(tài)甲烷為主要組分的狹義的天然氣，廣義的天然氣則覆蓋面寬泛，包括：沼氣、在深海及高寒地帶以固態(tài)存在的可燃冰、煤層氣、頁巖氣等，也包括了人為加工的餐廚垃圾沼氣。
天然氣的應(yīng)用，可謂已是無處不在、無時不在。必須看到全球可燃冰極其宏偉的巨大潛能，其儲量是現(xiàn)知天然氣的數(shù)十倍，但開采難度極大，目前尚無成熟技術(shù)。
2.2天然氣壓縮機的類別
依照應(yīng)用類別，天然氣壓縮機主要分為以下幾大類：
?。?）天然氣長輸管線用增壓壓縮機；
?。?）為天然氣長輸管線干線供氣等用途的集輸用壓縮機；
?。?）天然氣汽車加氣站用壓縮機；
?。?）油氣田上游裝備中的回注用高壓壓縮機；
?。?）天然氣儲氣庫用注氣壓縮機；
?。?）液化天然氣用原料氣壓縮機；
?。?）液化天然氣儲罐系統(tǒng)配套的BOG壓縮機。
2.2.1長輸天然氣管線干線增壓離心式壓縮機，皆為大容積流量、大功率者，技術(shù)難度很高、精密度很高。由于技術(shù)層面原因和管線運營方采納此關(guān)鍵動設(shè)備的信心，國產(chǎn)大型離心式天然氣增壓壓縮機的投運，歷經(jīng)漫長而曲折的過程，直至近年方成現(xiàn)實，且達(dá)臻百臺矣！
圖1即是國產(chǎn)20000kW離心式天然氣增壓壓縮機，服役于陜西高陵站。
2.2.2天然氣集輸用往復(fù)活塞式壓縮機，其引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)的消化吸收和國產(chǎn)化再創(chuàng)造，則較為迅速。這已由原中國石油化工總公司江漢石油管理局第三機械廠實施完成近三十載，且已成為集輸氣機的最主要生產(chǎn)者之一。在此基礎(chǔ)上的再創(chuàng)造，使原江漢三機廠還是天然氣儲氣庫用注氣壓縮機的最主要制造者之一。
圖2所示即國產(chǎn)天然氣集輸用壓縮機族群。
2.2.3天然氣汽車加氣站用CNG壓縮機，為世界各國凈化藍(lán)天工程業(yè)已做出巨大貢獻(xiàn)。
圖3所示之CNG壓縮機，更是經(jīng)典。其機身承受內(nèi)氣壓，并以曲軸的主軸頸處之機械密封，杜絕了機身內(nèi)天然氣處泄漏之可能，而成就為無泄漏CNG壓縮機。
原中石化漢江三機廠自主研發(fā)的2D4—3/3—250型CNG壓縮機（如圖4），在中石化總公司專家會議鑒定通過后，于2000年獲省部級中石化科技進(jìn)步三等獎。該機打破了國外封鎖，填補了國產(chǎn)天然氣汽車常規(guī)加氣站用132kW級全風(fēng)冷CNG壓縮機的空白。2D4型機以甚短之行程（105mm）、適當(dāng)高的轉(zhuǎn)速990r/min，形成不高的活塞平均速度（3.465m/s），創(chuàng)造了氣流速度低和節(jié)約能耗的有利條件。相應(yīng)的，其氣閥組件閥隙流速低、閥片升程低，功率損失小且閥片長壽。2D4型機之主機長度僅2639mm，外形極其緊湊。采用灰鑄鐵、球墨鑄鐵及鍛造中碳鋼等最普通、廉價之材質(zhì)為基，輔以極個別的鍛造合金鋼，大幅降低了制造成本卻不失可靠性。傳動部件摩擦面處的超低比壓值，大大減少了磨損，壽命大為延長?？煽壳矣行岬娜L(fēng)冷系統(tǒng)，使其適于高寒、缺水等全地域、全氣候條件運行。
地處北京石景山區(qū)的衙門口天然氣加氣母站，位于陜京一線之終端，曾是亞洲規(guī)模最大的加氣母站（如圖5），向六里橋等公交加氣子站供氣（圖6）。
圖7～圖9分別是晉煤集團(tuán)胡底煤層氣加氣母站壓縮機、生活垃圾沼氣用壓縮機、有機廢水沼氣用壓縮機。
3 全世界范圍內(nèi)，天然氣壓縮機的發(fā)展趨勢將怎樣？
就此總命題，今拋磚引玉，與業(yè)界同行切磋如下：
3.1在天然氣長輸管線用增壓壓縮機領(lǐng)域，離心式壓縮機仍是絕對主導(dǎo)的主力機型，其單機最大功率與流量，雄踞高位不減。
其實，自二十世紀(jì)七十年代初，自非洲的阿爾及利亞經(jīng)直布羅陀海峽左近的馬格里布，跨越地中海向歐洲供應(yīng)天然氣的長輸管線工程，就配有多臺當(dāng)時美國ELLIOT公司產(chǎn)單主軸多級離心式增壓壓縮機，單機功率已達(dá)20000kW。
在天然氣長輸管線增壓領(lǐng)域，離心式壓縮機優(yōu)勢得以確立的原因，其實非常簡單，這是由天然氣自身的物理特性和離心式壓縮機的固有特點，而共同決定的。
天然氣長輸管線干線用增壓壓縮機，在多座加壓站司接力供氣之責(zé)。其每臺壓縮機的總壓力比不甚高，而流量卻很大。天然氣的密度低這種與生俱來的物理特性，顯然對離心式壓縮機每一級的最佳壓力比值的提升，有所阻礙。然而，自二十世紀(jì)七十年代以來，離心式壓縮機的技術(shù)進(jìn)步不但不可謂不猛烈，甚至是突破性的。高強度葉輪新材質(zhì)時時涌現(xiàn)，其允許的葉輪最大圓周速度不斷提升，二元、三元流動葉輪塑性常更新，鍛造、壓鑄、機械加工等制造工藝也變革，遂又使得離心式壓縮機的最佳壓力比值和機的總壓力比皆提升。當(dāng)相同的機壓力比時，所需級數(shù)減少、制造成本降低，而機的絕熱效率卻得以提高，更顯節(jié)能。
離心式壓縮機主軸處，密封氣體的軸封，在二十世紀(jì)七十年代還普遍用“高位油罐”技術(shù)，可謂巧妙地以不大的勢能壓力差實現(xiàn)了對高壓氣的密封。此后，多種氣封結(jié)構(gòu)頻頻現(xiàn)身，軸封技術(shù)呈跨越式發(fā)展。
筆者不排除在特大流量天然氣長輸管線干線用離心式壓縮機之前端，串接更適合特大流量的軸流式壓縮機為前置機之可能性。也不排除在同一整體機殼內(nèi)構(gòu)成為軸流—離心式壓縮機的已有復(fù)合結(jié)構(gòu)機型，用于特大流量管線干線的可能性。
時下，緊湊的齒輪式多級離心式天然氣增壓壓縮機已廣泛服役于全球長輸天然氣管線領(lǐng)域?？芍^司空見慣是也。
筆者管見以為，適當(dāng)回溯其傳動機構(gòu)發(fā)展沿革，仍不失其現(xiàn)實及前瞻意義。
這要從1958年出版的《DEMAG NEWS》說起。當(dāng)時的德意志聯(lián)邦共和國杜伊斯堡城的DEMAG公司（后并入曼奈斯曼公司，繼而并入現(xiàn)在的西門子公司），在該刊上最先提出了離心式壓縮機串聯(lián)往復(fù)活塞式壓縮機這一具有劃時代意義的復(fù)合壓縮機組概念。驅(qū)動用蒸汽輪機借助于齒輪變速箱，增速輸出軸直聯(lián)離心式壓縮機，減速輸出軸直聯(lián)往復(fù)活塞式壓縮機，用于副產(chǎn)蒸汽的合成氨工廠。同一時期，DEMAG著名的DH型離心式壓縮機，則以電動機軸為齒輪變速箱的動力輸入軸，增速后的兩根動力輸出軸的兩段，分別帶動分屬于離心式壓縮機的不同級的四只葉輪。（日本日立公司等跨國大公司多購其制造權(quán)，甚至轉(zhuǎn)賣給第三國）
DEMAG此種可廣泛用于多種結(jié)構(gòu)類型的壓縮機機體內(nèi)的傳動理念，深刻影響了全球壓縮機大名企至今在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。諸如：
二十世紀(jì)六十年代末，美國INGEROLL-RAND始研發(fā)的CENTAC離心式空氣壓縮機原型機，由電動機驅(qū)動中央大齒輪，大齒輪增速徑向嚙合第1級至第4級葉輪的不同嚙合直徑的4只小齒輪，使各級葉輪均獲其各自的最佳圓周速度，壓縮機的絕熱效率高。該動力用空壓機之排氣壓力為0.7MPa。而今風(fēng)行的排氣壓力0.7MPa，空氣動力用齒輪式3級離心式空壓機，即由此蛻變而來。
DEMAG自身的由同一主動大齒輪增速驅(qū)動多個徑向小齒輪，在同一機體內(nèi)構(gòu)成多級螺桿式壓縮機（或多級離心式壓縮機）的模式，套用者多多。其同屬一國的GHH公司，也曾研發(fā)了在同一機體內(nèi)的離心式串聯(lián)螺桿式空氣壓縮機。
3.2為天然氣長輸管線干線供氣等用途的集輸用天然氣壓縮機族群，仍將以往復(fù)活塞式為絕對主導(dǎo)機型，且將進(jìn)一步有所大型化，而其品種自然是多樣化的。
集輸類天然氣壓縮機，其額定工況甚為寬泛，流量值區(qū)間很大，進(jìn)氣壓力值多異，而排氣壓力值也不盡相同。在集輸用天然氣壓縮機的運行實際中，因地質(zhì)條件變化等多種因素的影響，它的流量、進(jìn)氣壓力都可能有所波動。
集輸用天然氣壓縮機的特定工況，恰恰可以充分發(fā)揮往復(fù)活塞式壓縮機固有的技術(shù)特長，諸如：已制成并投運的多級往復(fù)活塞式壓縮機，能從容適應(yīng)較大變動的機的壓力比，而這一點為其它結(jié)構(gòu)類型的壓縮機難以做到。偏離額定工況的集輸用往復(fù)活塞式天然氣壓縮機，完全能夠安全而經(jīng)濟(jì)合理地服役。
通過大小不同的機型和臺數(shù)匹配，往復(fù)活塞式天然氣壓縮機完全勝任集輸用各種工況之需，且最為節(jié)能。
3.3天然氣汽車加氣站用壓縮機的需求量，勢必逐漸萎縮。而其機型仍以往復(fù)活塞式為主體，多種液壓式為輔。此狀態(tài)，估計尚可維系20年左右。
全球主導(dǎo)工業(yè)國家，多已明確以2035年為限，終止制造和銷售燃油汽車，而由電動汽車全面取代之。
在此強勢背景下，基本無污染的天然氣汽車，顯然也面臨巨大的壓力。在制造與維修成本、售后服務(wù)、燃料費用等諸多因素的綜合作用下，天然氣汽車的逐步收縮已成定局。除了特定天然氣氣源地，尚有加氣站壓縮機極少量運行的可能性，加氣站用壓縮機曾經(jīng)的需求異常光鮮的場景將定格于歷史。毫無疑問的是，天然氣汽車加氣站用壓縮機為全球范圍內(nèi)大氣凈化所做出的卓越貢獻(xiàn)，永遠(yuǎn)彪炳史冊。
3.4油氣田上游裝備中，回注用高壓天然氣壓縮機雖然年需求量不大，但依然不可或缺，并仍由往復(fù)活塞式壓縮機雄踞絕對主導(dǎo)地位，其單機最大功率增幅不大，且全球有能力制造者依舊屈指可數(shù)。出于材料抗疲勞、抗高交變應(yīng)力幅之需，其轉(zhuǎn)速多在1000r/min以下。
油氣田回注用高壓天然氣壓縮機，是用來增大油氣田產(chǎn)能的。其進(jìn)氣壓力高，而排氣壓力更高，達(dá)55～70MPa，并由系統(tǒng)兼獲價昂、多用途的凝析油。
毋需諱言，回注用高壓天然氣壓縮機技術(shù)內(nèi)涵高，設(shè)計、制造、運行均有諸多難點。它又必然是多列的，每列的活塞力值也大，這倒不是難題，最終可用貫穿活塞桿方案解扣。其氣缸承受高應(yīng)力幅的交變應(yīng)力作用，在氣閥孔與氣缸鏡面孔交匯處則更為嚴(yán)苛。其活塞環(huán)中除導(dǎo)向（支撐）環(huán)之處的壓縮（密封）環(huán)，承受巨大的壓力差。而密封活塞桿的填料組件，密封壓力差很大，還要回收泄漏氣，前置填料遂成為必不可少。制造環(huán)節(jié)中，交匯孔倒圓不到位、粗糙度不合要求，皆更易引起應(yīng)力集中，甚至于導(dǎo)致氣缸開裂報廢。
3.5天然氣儲氣庫用注氣壓縮機，必將有大的發(fā)展。儲氣庫座數(shù)及注氣壓縮機臺數(shù)的需求量增幅，均將雙雙提升。而其注氣壓縮機的結(jié)構(gòu)類型，仍持續(xù)由往復(fù)活塞式所壟斷，同時單機最大功率值及列的最大活塞力值會有所增大。
借助于早期的巖石山洞儲存低電價時段生產(chǎn)的壓縮空氣技術(shù)，二十世紀(jì)八十年代初，原德意志聯(lián)邦共和國采用廢棄的巖鹽礦洞穴，作為天然氣儲氣庫成功以來，天然氣儲氣庫建造技術(shù)日臻成熟。其核心是妥善解決了易泄露的天然氣封存問題。
天然氣儲氣庫作為應(yīng)急與調(diào)峰的不二選擇，被日益看好，也提升了其在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的重要性。
天然氣儲氣庫用注氣壓縮機，其最終排氣壓力在25～35MPa之間，無論其進(jìn)氣壓力為若何，往復(fù)活塞式多級壓縮機適應(yīng)機的壓力比范圍大的特長，使其皆能圓滿勝任之，同時比其它結(jié)構(gòu)類型壓縮機更節(jié)能。
往復(fù)活塞式對稱平衡型壓縮機，在全球領(lǐng)域列的最大活塞力已高達(dá)1500kN而保運行無虞。這已由眾多臺數(shù)，國內(nèi)南北方及國外專業(yè)名企制造的超大型氫氣壓縮機所證實。無疑，這是天然氣儲氣庫用注氣壓縮機大型化的技術(shù)保障。誠然，從實際需要角度看，還遠(yuǎn)不至于要1500kN級活塞力的。
3.6液化天然氣之原料氣壓縮機
液化天然氣的工藝流程，早已放棄了高壓原料氣方案。吸納制冷機提供之冷量，原料氣壓縮機輸出的中壓天然氣，相變?yōu)橐夯烊粴?。如此，液化天然氣的成本降低，運行安全性更好。
大型液化天然氣裝置，采用離心式壓縮機或者螺桿（干式）壓縮機。中小型液化天然氣裝置采用螺桿式（干式）或往復(fù)活塞式（氣缸無油潤滑）壓縮機。這樣的模式，綜合經(jīng)濟(jì)性良好，且將保持下去。
3.7液化天然氣儲罐系統(tǒng)配套的BOG天然氣壓縮機
BOG壓縮機的容積流量不很大，從而決定了它只能是往復(fù)活塞式壓縮機。又因為其進(jìn)氣溫度低于負(fù)一百多攝氏度，故而對氣閥、氣缸、活塞組件的材質(zhì)有極嚴(yán)苛要求。在整機設(shè)計方面，BOG壓縮機亦異于其它壓縮機。在往復(fù)活塞式壓縮機中，由迷宮式及氣缸無油潤滑的接觸式，主導(dǎo)BOG壓縮機的現(xiàn)狀，亦將保持。
不難看出，大有作為的各類型天然氣壓縮機中，需求量最大的是集輸用壓縮機。隨著老油田地質(zhì)條件的衰退，其需求更甚。
儲氣庫用注氣壓縮機，而今處于需求陡升期。
輸氣干線用大型離心式天然氣增壓壓縮機，則當(dāng)然是重任在肩，無可替代。
作者簡歷
高其烈，1939.11生人，1961年西安交通大學(xué)壓縮機專業(yè)活塞式專門化畢業(yè)，分配入原第一機械工業(yè)部通用機械研究所五室壓縮機組。壓縮機專業(yè)研究員級高級工程師，西安交大1996—1999兼職教授，中國通用機械工業(yè)協(xié)會壓縮機分會2003—2007秘書長、副理事長，《壓縮機》雜志2007—2018主編。
《國內(nèi)外天然氣壓縮機發(fā)展趨向探討》補遺
1998年時，2D4型CNG壓縮機設(shè)計策劃要點是：
1.確保安全性，嚴(yán)格控制各級排氣溫度和填料工作狀態(tài)；
2.全風(fēng)冷橇裝機組化，全天候運行于各種地域條件；
3.優(yōu)選壓縮機結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理配用天然氣發(fā)動機；
4.無高壓填料，并確?；钊?mdash;活塞桿組件運動的精確直線性，使壓縮機供氣量穩(wěn)定、不衰減，填料、活塞環(huán)長壽；
5.傳動件設(shè)計力學(xué)處理優(yōu)化，并采用反向潤滑系統(tǒng)，確保運行可靠；
6.承載面比壓值極低的傳動件，其材質(zhì)又經(jīng)優(yōu)選，磨損極小，保證長壽工作；
7.優(yōu)選氣閥，氣路系統(tǒng)又為極低流速設(shè)計，確保加氣站運行節(jié)能；
8.實施慣性力精確平衡，相對兩列往復(fù)運動質(zhì)量差控制到10克級，又采取降噪聲、整機起吊、油系統(tǒng)加熱、氣缸極小注油量等人性化設(shè)計，操作者工作條件良好；
9.機組各系統(tǒng)的配置周全、精良，確保壓縮機組性能優(yōu)異，可無備機，智能化自動控制裝備允許無人值守。
注：《壓縮機》雜志2021年1月刊，總第167期，《國內(nèi)外天然氣壓縮機發(fā)展趨向探討》，作者：高其烈。
來源：本站原創(chuàng)
【壓縮機網(wǎng)】1 全球范圍內(nèi)，天然氣的發(fā)現(xiàn)和利用，肇始于我中華之三國時期
就全世界而言，天然氣的發(fā)現(xiàn)和利用，發(fā)端于什么年代，又是在什么地方呢？
我國相關(guān)的博物志，明確記載了蜀漢（公元221～263年）丞相諸葛亮曾視察天然氣的史實。
開鑿于1823年的燊海井（燊，shēn，熾盛），位于四川省自貢市，是經(jīng)確認(rèn)的全球第一口超千米深井。該井至今仍以天然氣為燃料，沿襲古法制川鹽，成為川菜用鹽的不二選擇。它是對孔明先生曾視察天然氣這一史實的最好佐證與詮釋。
燊海井的開鑿工藝技法，鑿鉆具材料的選擇和設(shè)計，皆令今人嘆服。
記得，中國海洋石油總公司在北京東城區(qū)的舊址院內(nèi)，就矗立著燊海井井架模型。
2 天然氣及其應(yīng)用與天然氣壓縮機的類別
2.1天然氣
除了以氣態(tài)甲烷為主要組分的狹義的天然氣，廣義的天然氣則覆蓋面寬泛，包括：沼氣、在深海及高寒地帶以固態(tài)存在的可燃冰、煤層氣、頁巖氣等，也包括了人為加工的餐廚垃圾沼氣。
天然氣的應(yīng)用，可謂已是無處不在、無時不在。必須看到全球可燃冰極其宏偉的巨大潛能，其儲量是現(xiàn)知天然氣的數(shù)十倍，但開采難度極大，目前尚無成熟技術(shù)。
2.2天然氣壓縮機的類別
依照應(yīng)用類別，天然氣壓縮機主要分為以下幾大類：
?。?）天然氣長輸管線用增壓壓縮機；
?。?）為天然氣長輸管線干線供氣等用途的集輸用壓縮機；
?。?）天然氣汽車加氣站用壓縮機；
?。?）油氣田上游裝備中的回注用高壓壓縮機；
?。?）天然氣儲氣庫用注氣壓縮機；
?。?）液化天然氣用原料氣壓縮機；
?。?）液化天然氣儲罐系統(tǒng)配套的BOG壓縮機。
2.2.1長輸天然氣管線干線增壓離心式壓縮機，皆為大容積流量、大功率者，技術(shù)難度很高、精密度很高。由于技術(shù)層面原因和管線運營方采納此關(guān)鍵動設(shè)備的信心，國產(chǎn)大型離心式天然氣增壓壓縮機的投運，歷經(jīng)漫長而曲折的過程，直至近年方成現(xiàn)實，且達(dá)臻百臺矣！
圖1即是國產(chǎn)20000kW離心式天然氣增壓壓縮機，服役于陜西高陵站。
2.2.2天然氣集輸用往復(fù)活塞式壓縮機，其引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)的消化吸收和國產(chǎn)化再創(chuàng)造，則較為迅速。這已由原中國石油化工總公司江漢石油管理局第三機械廠實施完成近三十載，且已成為集輸氣機的最主要生產(chǎn)者之一。在此基礎(chǔ)上的再創(chuàng)造，使原江漢三機廠還是天然氣儲氣庫用注氣壓縮機的最主要制造者之一。
圖2所示即國產(chǎn)天然氣集輸用壓縮機族群。
2.2.3天然氣汽車加氣站用CNG壓縮機，為世界各國凈化藍(lán)天工程業(yè)已做出巨大貢獻(xiàn)。
圖3所示之CNG壓縮機，更是經(jīng)典。其機身承受內(nèi)氣壓，并以曲軸的主軸頸處之機械密封，杜絕了機身內(nèi)天然氣處泄漏之可能，而成就為無泄漏CNG壓縮機。
原中石化漢江三機廠自主研發(fā)的2D4—3/3—250型CNG壓縮機（如圖4），在中石化總公司專家會議鑒定通過后，于2000年獲省部級中石化科技進(jìn)步三等獎。該機打破了國外封鎖，填補了國產(chǎn)天然氣汽車常規(guī)加氣站用132kW級全風(fēng)冷CNG壓縮機的空白。2D4型機以甚短之行程（105mm）、適當(dāng)高的轉(zhuǎn)速990r/min，形成不高的活塞平均速度（3.465m/s），創(chuàng)造了氣流速度低和節(jié)約能耗的有利條件。相應(yīng)的，其氣閥組件閥隙流速低、閥片升程低，功率損失小且閥片長壽。2D4型機之主機長度僅2639mm，外形極其緊湊。采用灰鑄鐵、球墨鑄鐵及鍛造中碳鋼等最普通、廉價之材質(zhì)為基，輔以極個別的鍛造合金鋼，大幅降低了制造成本卻不失可靠性。傳動部件摩擦面處的超低比壓值，大大減少了磨損，壽命大為延長?？煽壳矣行岬娜L(fēng)冷系統(tǒng)，使其適于高寒、缺水等全地域、全氣候條件運行。
地處北京石景山區(qū)的衙門口天然氣加氣母站，位于陜京一線之終端，曾是亞洲規(guī)模最大的加氣母站（如圖5），向六里橋等公交加氣子站供氣（圖6）。
圖7～圖9分別是晉煤集團(tuán)胡底煤層氣加氣母站壓縮機、生活垃圾沼氣用壓縮機、有機廢水沼氣用壓縮機。
3 全世界范圍內(nèi)，天然氣壓縮機的發(fā)展趨勢將怎樣？
就此總命題，今拋磚引玉，與業(yè)界同行切磋如下：
3.1在天然氣長輸管線用增壓壓縮機領(lǐng)域，離心式壓縮機仍是絕對主導(dǎo)的主力機型，其單機最大功率與流量，雄踞高位不減。
其實，自二十世紀(jì)七十年代初，自非洲的阿爾及利亞經(jīng)直布羅陀海峽左近的馬格里布，跨越地中海向歐洲供應(yīng)天然氣的長輸管線工程，就配有多臺當(dāng)時美國ELLIOT公司產(chǎn)單主軸多級離心式增壓壓縮機，單機功率已達(dá)20000kW。
在天然氣長輸管線增壓領(lǐng)域，離心式壓縮機優(yōu)勢得以確立的原因，其實非常簡單，這是由天然氣自身的物理特性和離心式壓縮機的固有特點，而共同決定的。
天然氣長輸管線干線用增壓壓縮機，在多座加壓站司接力供氣之責(zé)。其每臺壓縮機的總壓力比不甚高，而流量卻很大。天然氣的密度低這種與生俱來的物理特性，顯然對離心式壓縮機每一級的最佳壓力比值的提升，有所阻礙。然而，自二十世紀(jì)七十年代以來，離心式壓縮機的技術(shù)進(jìn)步不但不可謂不猛烈，甚至是突破性的。高強度葉輪新材質(zhì)時時涌現(xiàn)，其允許的葉輪最大圓周速度不斷提升，二元、三元流動葉輪塑性常更新，鍛造、壓鑄、機械加工等制造工藝也變革，遂又使得離心式壓縮機的最佳壓力比值和機的總壓力比皆提升。當(dāng)相同的機壓力比時，所需級數(shù)減少、制造成本降低，而機的絕熱效率卻得以提高，更顯節(jié)能。
離心式壓縮機主軸處，密封氣體的軸封，在二十世紀(jì)七十年代還普遍用“高位油罐”技術(shù)，可謂巧妙地以不大的勢能壓力差實現(xiàn)了對高壓氣的密封。此后，多種氣封結(jié)構(gòu)頻頻現(xiàn)身，軸封技術(shù)呈跨越式發(fā)展。
筆者不排除在特大流量天然氣長輸管線干線用離心式壓縮機之前端，串接更適合特大流量的軸流式壓縮機為前置機之可能性。也不排除在同一整體機殼內(nèi)構(gòu)成為軸流—離心式壓縮機的已有復(fù)合結(jié)構(gòu)機型，用于特大流量管線干線的可能性。
時下，緊湊的齒輪式多級離心式天然氣增壓壓縮機已廣泛服役于全球長輸天然氣管線領(lǐng)域?？芍^司空見慣是也。
筆者管見以為，適當(dāng)回溯其傳動機構(gòu)發(fā)展沿革，仍不失其現(xiàn)實及前瞻意義。
這要從1958年出版的《DEMAG NEWS》說起。當(dāng)時的德意志聯(lián)邦共和國杜伊斯堡城的DEMAG公司（后并入曼奈斯曼公司，繼而并入現(xiàn)在的西門子公司），在該刊上最先提出了離心式壓縮機串聯(lián)往復(fù)活塞式壓縮機這一具有劃時代意義的復(fù)合壓縮機組概念。驅(qū)動用蒸汽輪機借助于齒輪變速箱，增速輸出軸直聯(lián)離心式壓縮機，減速輸出軸直聯(lián)往復(fù)活塞式壓縮機，用于副產(chǎn)蒸汽的合成氨工廠。同一時期，DEMAG著名的DH型離心式壓縮機，則以電動機軸為齒輪變速箱的動力輸入軸，增速后的兩根動力輸出軸的兩段，分別帶動分屬于離心式壓縮機的不同級的四只葉輪。（日本日立公司等跨國大公司多購其制造權(quán)，甚至轉(zhuǎn)賣給第三國）
DEMAG此種可廣泛用于多種結(jié)構(gòu)類型的壓縮機機體內(nèi)的傳動理念，深刻影響了全球壓縮機大名企至今在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。諸如：
二十世紀(jì)六十年代末，美國INGEROLL-RAND始研發(fā)的CENTAC離心式空氣壓縮機原型機，由電動機驅(qū)動中央大齒輪，大齒輪增速徑向嚙合第1級至第4級葉輪的不同嚙合直徑的4只小齒輪，使各級葉輪均獲其各自的最佳圓周速度，壓縮機的絕熱效率高。該動力用空壓機之排氣壓力為0.7MPa。而今風(fēng)行的排氣壓力0.7MPa，空氣動力用齒輪式3級離心式空壓機，即由此蛻變而來。
DEMAG自身的由同一主動大齒輪增速驅(qū)動多個徑向小齒輪，在同一機體內(nèi)構(gòu)成多級螺桿式壓縮機（或多級離心式壓縮機）的模式，套用者多多。其同屬一國的GHH公司，也曾研發(fā)了在同一機體內(nèi)的離心式串聯(lián)螺桿式空氣壓縮機。
3.2為天然氣長輸管線干線供氣等用途的集輸用天然氣壓縮機族群，仍將以往復(fù)活塞式為絕對主導(dǎo)機型，且將進(jìn)一步有所大型化，而其品種自然是多樣化的。
集輸類天然氣壓縮機，其額定工況甚為寬泛，流量值區(qū)間很大，進(jìn)氣壓力值多異，而排氣壓力值也不盡相同。在集輸用天然氣壓縮機的運行實際中，因地質(zhì)條件變化等多種因素的影響，它的流量、進(jìn)氣壓力都可能有所波動。
集輸用天然氣壓縮機的特定工況，恰恰可以充分發(fā)揮往復(fù)活塞式壓縮機固有的技術(shù)特長，諸如：已制成并投運的多級往復(fù)活塞式壓縮機，能從容適應(yīng)較大變動的機的壓力比，而這一點為其它結(jié)構(gòu)類型的壓縮機難以做到。偏離額定工況的集輸用往復(fù)活塞式天然氣壓縮機，完全能夠安全而經(jīng)濟(jì)合理地服役。
通過大小不同的機型和臺數(shù)匹配，往復(fù)活塞式天然氣壓縮機完全勝任集輸用各種工況之需，且最為節(jié)能。
3.3天然氣汽車加氣站用壓縮機的需求量，勢必逐漸萎縮。而其機型仍以往復(fù)活塞式為主體，多種液壓式為輔。此狀態(tài)，估計尚可維系20年左右。
全球主導(dǎo)工業(yè)國家，多已明確以2035年為限，終止制造和銷售燃油汽車，而由電動汽車全面取代之。
在此強勢背景下，基本無污染的天然氣汽車，顯然也面臨巨大的壓力。在制造與維修成本、售后服務(wù)、燃料費用等諸多因素的綜合作用下，天然氣汽車的逐步收縮已成定局。除了特定天然氣氣源地，尚有加氣站壓縮機極少量運行的可能性，加氣站用壓縮機曾經(jīng)的需求異常光鮮的場景將定格于歷史。毫無疑問的是，天然氣汽車加氣站用壓縮機為全球范圍內(nèi)大氣凈化所做出的卓越貢獻(xiàn)，永遠(yuǎn)彪炳史冊。
3.4油氣田上游裝備中，回注用高壓天然氣壓縮機雖然年需求量不大，但依然不可或缺，并仍由往復(fù)活塞式壓縮機雄踞絕對主導(dǎo)地位，其單機最大功率增幅不大，且全球有能力制造者依舊屈指可數(shù)。出于材料抗疲勞、抗高交變應(yīng)力幅之需，其轉(zhuǎn)速多在1000r/min以下。
油氣田回注用高壓天然氣壓縮機，是用來增大油氣田產(chǎn)能的。其進(jìn)氣壓力高，而排氣壓力更高，達(dá)55～70MPa，并由系統(tǒng)兼獲價昂、多用途的凝析油。
毋需諱言，回注用高壓天然氣壓縮機技術(shù)內(nèi)涵高，設(shè)計、制造、運行均有諸多難點。它又必然是多列的，每列的活塞力值也大，這倒不是難題，最終可用貫穿活塞桿方案解扣。其氣缸承受高應(yīng)力幅的交變應(yīng)力作用，在氣閥孔與氣缸鏡面孔交匯處則更為嚴(yán)苛。其活塞環(huán)中除導(dǎo)向（支撐）環(huán)之處的壓縮（密封）環(huán)，承受巨大的壓力差。而密封活塞桿的填料組件，密封壓力差很大，還要回收泄漏氣，前置填料遂成為必不可少。制造環(huán)節(jié)中，交匯孔倒圓不到位、粗糙度不合要求，皆更易引起應(yīng)力集中，甚至于導(dǎo)致氣缸開裂報廢。
3.5天然氣儲氣庫用注氣壓縮機，必將有大的發(fā)展。儲氣庫座數(shù)及注氣壓縮機臺數(shù)的需求量增幅，均將雙雙提升。而其注氣壓縮機的結(jié)構(gòu)類型，仍持續(xù)由往復(fù)活塞式所壟斷，同時單機最大功率值及列的最大活塞力值會有所增大。
借助于早期的巖石山洞儲存低電價時段生產(chǎn)的壓縮空氣技術(shù)，二十世紀(jì)八十年代初，原德意志聯(lián)邦共和國采用廢棄的巖鹽礦洞穴，作為天然氣儲氣庫成功以來，天然氣儲氣庫建造技術(shù)日臻成熟。其核心是妥善解決了易泄露的天然氣封存問題。
天然氣儲氣庫作為應(yīng)急與調(diào)峰的不二選擇，被日益看好，也提升了其在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中的重要性。
天然氣儲氣庫用注氣壓縮機，其最終排氣壓力在25～35MPa之間，無論其進(jìn)氣壓力為若何，往復(fù)活塞式多級壓縮機適應(yīng)機的壓力比范圍大的特長，使其皆能圓滿勝任之，同時比其它結(jié)構(gòu)類型壓縮機更節(jié)能。
往復(fù)活塞式對稱平衡型壓縮機，在全球領(lǐng)域列的最大活塞力已高達(dá)1500kN而保運行無虞。這已由眾多臺數(shù)，國內(nèi)南北方及國外專業(yè)名企制造的超大型氫氣壓縮機所證實。無疑，這是天然氣儲氣庫用注氣壓縮機大型化的技術(shù)保障。誠然，從實際需要角度看，還遠(yuǎn)不至于要1500kN級活塞力的。
3.6液化天然氣之原料氣壓縮機
液化天然氣的工藝流程，早已放棄了高壓原料氣方案。吸納制冷機提供之冷量，原料氣壓縮機輸出的中壓天然氣，相變?yōu)橐夯烊粴?。如此，液化天然氣的成本降低，運行安全性更好。
大型液化天然氣裝置，采用離心式壓縮機或者螺桿（干式）壓縮機。中小型液化天然氣裝置采用螺桿式（干式）或往復(fù)活塞式（氣缸無油潤滑）壓縮機。這樣的模式，綜合經(jīng)濟(jì)性良好，且將保持下去。
3.7液化天然氣儲罐系統(tǒng)配套的BOG天然氣壓縮機
BOG壓縮機的容積流量不很大，從而決定了它只能是往復(fù)活塞式壓縮機。又因為其進(jìn)氣溫度低于負(fù)一百多攝氏度，故而對氣閥、氣缸、活塞組件的材質(zhì)有極嚴(yán)苛要求。在整機設(shè)計方面，BOG壓縮機亦異于其它壓縮機。在往復(fù)活塞式壓縮機中，由迷宮式及氣缸無油潤滑的接觸式，主導(dǎo)BOG壓縮機的現(xiàn)狀，亦將保持。
不難看出，大有作為的各類型天然氣壓縮機中，需求量最大的是集輸用壓縮機。隨著老油田地質(zhì)條件的衰退，其需求更甚。
儲氣庫用注氣壓縮機，而今處于需求陡升期。
輸氣干線用大型離心式天然氣增壓壓縮機，則當(dāng)然是重任在肩，無可替代。
作者簡歷
高其烈，1939.11生人，1961年西安交通大學(xué)壓縮機專業(yè)活塞式專門化畢業(yè)，分配入原第一機械工業(yè)部通用機械研究所五室壓縮機組。壓縮機專業(yè)研究員級高級工程師，西安交大1996—1999兼職教授，中國通用機械工業(yè)協(xié)會壓縮機分會2003—2007秘書長、副理事長，《壓縮機》雜志2007—2018主編。
《國內(nèi)外天然氣壓縮機發(fā)展趨向探討》補遺
1998年時，2D4型CNG壓縮機設(shè)計策劃要點是：
1.確保安全性，嚴(yán)格控制各級排氣溫度和填料工作狀態(tài)；
2.全風(fēng)冷橇裝機組化，全天候運行于各種地域條件；
3.優(yōu)選壓縮機結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理配用天然氣發(fā)動機；
4.無高壓填料，并確?；钊?mdash;活塞桿組件運動的精確直線性，使壓縮機供氣量穩(wěn)定、不衰減，填料、活塞環(huán)長壽；
5.傳動件設(shè)計力學(xué)處理優(yōu)化，并采用反向潤滑系統(tǒng)，確保運行可靠；
6.承載面比壓值極低的傳動件，其材質(zhì)又經(jīng)優(yōu)選，磨損極小，保證長壽工作；
7.優(yōu)選氣閥，氣路系統(tǒng)又為極低流速設(shè)計，確保加氣站運行節(jié)能；
8.實施慣性力精確平衡，相對兩列往復(fù)運動質(zhì)量差控制到10克級，又采取降噪聲、整機起吊、油系統(tǒng)加熱、氣缸極小注油量等人性化設(shè)計，操作者工作條件良好；
9.機組各系統(tǒng)的配置周全、精良，確保壓縮機組性能優(yōu)異，可無備機，智能化自動控制裝備允許無人值守。
注：《壓縮機》雜志2021年1月刊，總第167期，《國內(nèi)外天然氣壓縮機發(fā)展趨向探討》，作者：高其烈。
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