一體式壓縮機研發現狀綜述

姚 潔，孫昊強，趙 揚

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110869)

一體式壓縮機研發現狀綜述

姚 潔，孫昊強，趙 揚

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽 110869)

一體式壓縮機是將電機和壓縮機封裝在一起，采用電磁軸承支撐的新型電驅壓縮機組，其運行范圍更寬、免維護、無油潤滑、更加環保，在當今天然氣市場具有極強的競爭力。本文從結構特點、技術參數、應用領域等方面闡述一體式壓縮機的研發應用成果，希望對從事一體式壓縮機研發的工程技術人員有借鑒作用。

一體式壓縮機；電磁軸承；研發

1 前言

隨著天然氣市場對壓縮機柔性、可靠性、快速響應、免維護等的要求[1]，傳統結構的壓縮機已經不能滿足需求，開發新型一體化壓縮機成為了解決方案。

一體式壓縮機是全新的電驅壓縮機組，將電機與壓縮機封裝在一個機殼內，采用電磁軸承進行支撐，用流程氣冷卻。因其采用電磁軸承，可充分利用其轉定子無接觸，無機械摩擦損失，效率更高，不需使用潤滑油系統及其輔助系統等優點，實現了體積小，排放低，且運行范圍更寬，可適應天然氣市場的快速變化，能夠實現遠程控制等功能。世界各大壓縮機廠商相繼開發了基于電磁軸承的

一體式無油潤滑壓縮機系統。

本文主要從結構特點、技術參數、應用領域等方面闡述一體式壓縮機的研發成果。

2 電磁軸承原理及主要生產商

電磁軸承是一體式壓縮機的關鍵部件，由于其不需使用潤滑油系統，并可采用流程氣進行冷卻，使其可封裝在壓縮機內部，使得一體式壓縮機成為可能。

電磁軸承是通過對電磁鐵的實時動態控制，使其產生受控的非接觸磁場力來實現物體的懸浮[2]。其核心部件包括電磁鐵、傳感器、控制器和功率放大器，功能原理如圖1所示。

經過多年發展，電磁軸承已經成為了一個較為成熟的工業產品。目前，專門從事電磁軸承設計和制造公司主要有法國的S2M，美國Waukesha公司，瑞士MECOS公司等。此外，主流透平機械廠商也為自己的壓縮機配套生產電磁軸承。2012年，美國壓縮機制造廠家Dresser-Rand公司收購了Synchrony公司，生產徑向和軸向電磁軸承。德國MAN Diesel & Turbo公司于2012年收購了與其長期合作的瑞士MECOS公司，為其壓縮機、透平膨脹機配套生產電磁軸承。

3 一體式壓縮機的研發現狀

近些年，國外主流壓縮機廠商紛紛研制裝備有電磁軸承的一體式壓縮機，代表性的企業有德國SIEMENS公司、MAN公司，美國GE公司和Dresser-Rand公司。

3.1 德國SIEMENS公司

自1999年起，為了適應天然氣上游非清潔天然氣壓縮的需求，SIEMENS公司與SHELL公司開始聯合開發STC-ECO型一體式壓縮機[3]。該機型為電機直接驅動，立式布置，電機與壓縮機集成封裝在一個機殼內，采用電磁軸承支撐(圖2)。根據用戶不同要求，可采用電機+多級葉輪形式或懸臂葉輪+電機+懸臂葉輪形式布置。

2006年8月，原型機研制成功并進行現場測試。經20個月的現場測試后，該機型實現了從測試樣機向正常生產設備的轉變。其技術參數見表1。

表1 STC-ECO技術參數

3.2 德國MAN公司

德國MAN公司于1989年研發成功全球第一款MOPICO型一體式電驅管線壓縮機系統[4]。該壓縮機是為天然氣管線特別設計，采用軸向進氣形式。壓縮機布置形式為中間是高頻感應電機，電機兩側直接連接2個單獨的壓縮級，根據不同需要可進行串聯或并聯，提供較寬的運行范圍，適用于大流量的應用場合。整個壓縮機轉子由2個徑向電磁軸承和1個電磁推力軸承進行支撐。電機和電磁軸承均采用流程天然氣進行冷卻，最終循環回吸氣系統，冷卻氣壓力約等于管線的進氣壓力。垂直剖分的外機殼分成3部分，可使機器承壓達150 MPa。

1991年，在MOPICO機型的基礎上，MAN公司又開發了具有更高壓比、應用范圍更廣泛的HOFIM型一體式壓縮機[5]。該型壓縮機集合了MOPICO密封性、環保性的電機壓縮機系統的優點，但在機組布置形式上與MOPICO不同，它采用電機+多級葉輪形式布置。1997年，MAN公司開發成功了Tandem HOFIM，即在電機兩側分別懸掛多級葉輪的串聯式一體壓縮機。Tandem HOFIM可以2個缸串聯或并聯，允許操作者在不停機的情況下在2種模式下切換。

這2種類型一體式壓縮機的高頻電機功率范圍為3～18 MW，最大出口壓力可達30.3 MPa。其典型應用領域為石油和天然氣的產出和加工、天然氣輸送、天然氣儲存和海底領域。

MAN公司研制的一體式壓縮機已經有了多個應用案例。其生產的一臺Single Hofim用于天然氣消耗設備，功率4.7 MW，轉速14700 r/min，進氣壓力4.1 MPa，排氣壓力9.65 MPa。隨后應用戶要求對其進行串聯式升級改造，將進氣壓力降為1.31 MPa。波蘭安裝有用于天然氣存儲的串聯Hofim，功率11.7 MW，轉速12000 r/min，進氣壓力4.5 MPa，排氣壓力13.8 MPa。美國紐約州安裝有用于天然氣存儲的3臺Hofim?？?臺串聯，或者2臺并聯，第3臺作為高壓用途，每臺功率7 MW，進氣壓力5.52 MPa，排氣壓力最高可達22.06 MPa。

2015年9月，MAN公司為挪威國家石油公司提供的全球首套海底天然氣壓縮裝置正式在挪威海的Asgard油氣田投產。

3.3 美國GE公司

GE公司研發的ICL型一體式壓縮機(圖3)是海上平臺以及其他空間受限的工業領域的理想設備[6]。

圖3 ICL一體式壓縮機

根據不同應用場合，ICL一體式壓縮機結構形式可分為2種：

(1)高速電機+單級懸臂葉輪式。葉輪通過齒式聯軸器直接安裝在電機軸上，壓縮機采用軸向進氣，切向排氣，設計壓比1.1～1.4，最高可達1.5，出口壓力可達15 MPa。主要應用于管線壓縮領域。

(2)高速電機+多級葉輪式。電機軸與壓縮機軸通過彈性聯軸器連接，葉輪最多可達9個，可全部串聯或采取背靠背形式，功率可達13 MW。主要用于天然氣儲存和其他陸地設備。

GE公司隨后開發了專門用于海底壓縮領域的Blue-C型海底壓縮一體機[7]。該機型技術參數見表2。

表2 Blue-C型壓縮機技術及結構參數

該壓縮機為垂直布置，包括位于上部的高速電機和位于下部的離心壓縮機，兩軸通過剛性聯軸器連接，集成安裝在一個單密封的外殼內，以承受環境壓力。該一體機采用了3個封裝式的徑向電磁軸承以及1個推力電磁軸承，且不需使用干氣密封，因此大大減少了維護工作。

3.4 美國Dresser-Rand公司

Dresser-Rand公司開發的DATUM C型集成式壓縮機，其結構形式可以為背靠背、復合式、雙吸式或直通式，可用于單級懸臂式和多級梁式[8～9]。電機用天然氣或氫冷卻，其中單級式壓縮機采用內嵌管線法蘭結構。在停機時壓縮機可保持壓力，減少啟動時間。該型壓縮機技術參數見表3。

表3 DATUM C型壓縮機技術參數

在此基礎上，Dresser-Rand公司又開發了ICS型一體式壓縮機，并在機殼內內置了集成的離心氣/液分離裝置，用以去除可能進入壓縮系統的液體，非常適合在海底應用。

4 應用前景

(1)天然氣管線：一體式壓縮機可以實現遠程控制，且維護性低，適用于無人值守的天然氣管線領域。

(2)氣田升級改造項目：經過多年開采的氣田面臨著壓力下降的問題，需要對設備進行升級。一體式壓縮機由于運行范圍更廣，可以應用于該領域，延長氣田壽命。

(3)海底壓縮機：與傳統的油氣平臺上游設施或浮式生產儲油卸油船相比，海底應用一體式壓縮機技術不僅節省了投資成本，同時提高了回收率，降低了石油天然氣生產的能源消耗和二氧化碳排放。

5 結語

本文介紹了基于電磁軸承的新型一體式壓縮機技術，對其結構、技術參數、應用前景等方面進行了詳細介紹，對于從事一體式壓縮機研發的工程技術人員具有借鑒作用。

[1] T George Kleynhans，Gary Pfrehm,etc.Hermetically sealed oil-free turbocompressor technology[J]. Proceedings of the Thirty-forth Turbomachinery Symposium,2005.

[2] Gerhard Schweitzer，Eric H. Maslen著，徐旸，張剴等譯.磁懸浮軸承-理論、設計及旋轉機械應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3] STC-ECO Siemens Turbo Compressor Environmental Product Declaration.[EB/OL].http://www.siemens.com/energy.

[4] Mopico-Compact compression system for gas transport[EB/OL].http://turbomachinery.man.eu/docs/librarlibrariespr4/Turbomachinery_doc/mopimo—gas-pipeline-compression-system.ppd sfvrsn=6,2014,1.28.

[5] HOFIM for Upstream Gas-Compact compression solutions[EB/OL].http://turbomachinery.man.eu/docs/librariesprovider4/Turbomachinery_doc/hofim—for-upstream-gas.pdf sfvrsn=6.

[6] ICL-Integrated Compressor Line[EB/OL].https://www.geoilandgas.com/subsea-offshore/offshore-turbomachinery/icl-integrated-compressor-line.

[7] Blue-CTMSubsea Compressor[EB/OL].https://www.geoilandgas.com/search/site/blue-c.

[8] 蔣慶梅，張小強.氫氣與天然氣長輸管道線路設計ASME標準對比分析[J].壓力容器，2015，32(8)：44-49.

[9] DATUM ICS Integrated Compression System[EB/OL].http://www.dresser-rand.com/products-solutions/centrifugal-compressors/integrated-compression-system.

Overview of the Research and Development on Integrated Compressor

YAO Jie,SUN Hao-qiang,ZHAO Yang

(Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869,China)

Integrated compressor is a new kind of motor-drived compressor which put motor and compressor in one casing and supported by magnetic bearings.The outstanding advantages on wide operating rage,free maintenance,no oil lubricant and environmental friendly make the compressor more competitive in nowadays gas market.This paper introduced the research and development achievement of the compressor from structure,technical parameter,application area and so on.Hoped it have reference for those engineers who work in this area.

integrated compressor;magnetic bearings;research and development

1005-0329(2017)02-0043-03

2016-06-14

TH452

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.009

姚潔(1986-)，女，工程師，主要從事新產品研發工作，通訊地址：110869 遼寧沈陽市鐵西區開發大路16號甲沈鼓集團研究院，Email: sgltskelly@163.com。

技術綜述