0 引言
【壓縮機(jī)網(wǎng)】集成式壓縮機(jī)其發(fā)展起始于20世紀(jì)80年代。1990年，MAN公司生產(chǎn)了第一臺(tái)集成式壓縮機(jī)MOPICO （Moter Pipeline Compressor的簡(jiǎn)寫），并投入商業(yè)運(yùn)行，首次將磁懸浮、變頻、離心壓縮機(jī)等成熟技術(shù)進(jìn)行有效集成，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)的超寬范圍變頻調(diào)節(jié)，成為壓縮機(jī)技術(shù)史上最為節(jié)能環(huán)保的綠色機(jī)型[1-2]。隨后，MAN公司于1991年研發(fā)出了世界第一臺(tái)多級(jí)集成式壓縮機(jī)HOFIMTM standalone（無油，無中間齒輪箱，有軸端密封），并且最終于2000年研發(fā)出了世界第一臺(tái)真正意義上的多級(jí)集成式壓縮機(jī)HOFIMTM(High speed Oil Free Integrated Motor compressor 的簡(jiǎn)寫)。最初，集成式壓縮機(jī)的應(yīng)用主要集中于天然氣管道和地下儲(chǔ)氣庫，之后不斷的向煉油、石化領(lǐng)域拓展。2015年9月，由MAN公司生產(chǎn)的第一臺(tái)正式投入商業(yè)運(yùn)行的海底壓縮機(jī)在Asgard項(xiàng)目成功運(yùn)行，標(biāo)志著集成式壓縮機(jī)發(fā)展新時(shí)代的到來。
1 基本結(jié)構(gòu)
最初的設(shè)計(jì)可稱之為無油壓縮機(jī)：壓縮機(jī)本體類似于傳統(tǒng)的筒式壓縮機(jī)，只是軸承換成了磁懸浮軸承，然后通過聯(lián)軸器與高速電機(jī)直接相連[3]。隨后改進(jìn)為集成式壓縮機(jī)：對(duì)電機(jī)和壓縮機(jī)缸體實(shí)施一體化處理，消除了突出缸外的軸伸端，并取消了干氣密封系統(tǒng)，從而大大提高了壓縮機(jī)的可靠性，并且可以保證整機(jī)無泄漏。這樣的設(shè)計(jì)保證壓縮機(jī)僅保留了本質(zhì)上必須保留的部件，如：電機(jī)、軸、葉輪、軸承和機(jī)殼，并且使得壓縮機(jī)組的占地面積更小，安裝調(diào)試更方便[4]。圖1是集成式壓縮機(jī)的典型示意圖，其電機(jī)位于中間，壓縮機(jī)高壓缸和低壓缸分別位于電機(jī)的兩端，徑向和推力軸承均使用了磁懸浮軸承。圖2是集成式壓縮機(jī)系統(tǒng)示意圖，為變頻驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)，其電機(jī)使用工藝氣體進(jìn)行冷卻。
在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合需要及用戶參數(shù)的高低，高壓缸和/或低壓缸可以變?yōu)閱渭?jí)懸臂形式（此時(shí)取消壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的軸承）；或者僅僅只有單缸壓縮機(jī)的形式（電機(jī)單軸伸）。而通過不同的缸和懸臂葉輪的組合，可以適用于不同的壓比和流量范圍需求，圖3表示了不同缸和懸臂葉輪組合及其流量壓力應(yīng)用情況。
2 起源及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)
集成式壓縮機(jī)最初的目標(biāo)市場(chǎng)是天然氣管道壓縮及天然氣存儲(chǔ)市場(chǎng)，其要求是有靈活的儲(chǔ)氣能力，高性能，每年有多個(gè)周期注氣及回收。因此，相應(yīng)的要求壓縮機(jī)系統(tǒng)有如下屬性：
●可靠性——最小化非計(jì)劃停機(jī)
●可用性——要求極少的計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間
●靈活性——廣闊的運(yùn)行范圍（流量及壓力范圍）
●響應(yīng)能力——能夠快速響應(yīng)變化的運(yùn)行條件
●競(jìng)爭(zhēng)力——低運(yùn)行周期成本
●環(huán)境責(zé)任——運(yùn)行時(shí)不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響
為了滿足這些要求必須要開發(fā)一個(gè)全新的壓縮機(jī)系統(tǒng)，由此，集成式壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
2.1 可靠性
壓縮機(jī)系統(tǒng)的可靠性可以通過減少機(jī)組系統(tǒng)組件得到極大的提高。高速電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，因而不再需要配備增速齒輪箱或調(diào)速行星齒輪等中間機(jī)構(gòu)；磁懸浮軸承的使用，消除了轉(zhuǎn)子和定子間的摩擦，因此可以取消潤(rùn)滑油系統(tǒng)；電機(jī)和壓縮機(jī)缸體實(shí)施一體化密封處理，整個(gè)機(jī)組就沒有伸出缸體的軸伸端，因此無需干氣密封（軸端密封）及其配套的干氣密封系統(tǒng)。集成式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)減少了機(jī)組系統(tǒng)組件及其輔助系統(tǒng)，從而提高了機(jī)組的可靠性和安全性。
2.2 可用性
一個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)能夠響應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求，就要求它有高的可用性。要求它不但可靠，而且要求它在盡量長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持可靠性，例如，減少計(jì)劃維修的停機(jī)時(shí)間。不得不說，最少化系統(tǒng)組件再一次使得可用性得到極大地提高。
2.3 靈活性
一個(gè)運(yùn)行靈活的壓縮機(jī)必須有廣闊的運(yùn)行范圍。對(duì)于變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)來說，可以通過增加轉(zhuǎn)速范圍來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)API617的要求，轉(zhuǎn)速范圍的提升局限于臨界轉(zhuǎn)速及其隔離裕度。因此，如果在機(jī)組要求的運(yùn)行范圍內(nèi)無臨界轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速處于臨界阻尼狀態(tài)，轉(zhuǎn)速范圍就可以擴(kuò)大。在壓縮機(jī)使用傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑軸承情況下，這是不可能實(shí)現(xiàn)的，而磁懸浮軸承具有剛度和阻尼的可調(diào)、可主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，因此可以改變阻尼狀態(tài)并將臨界轉(zhuǎn)速臨界阻尼，此時(shí)不要求隔離裕度，因此可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組連續(xù)運(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速。典型的，運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以在30%～105%范圍內(nèi)[7]。另外，如果仔細(xì)的配合設(shè)計(jì)雙缸壓縮機(jī)的兩個(gè)缸的壓比和流量，兩臺(tái)壓縮機(jī)可以運(yùn)行在串聯(lián)模式或并聯(lián)模式，則整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行范圍可以得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。
2.4 響應(yīng)能力
傳統(tǒng)壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行需要大量輔助系統(tǒng)的支持并且需要開機(jī)、停機(jī)準(zhǔn)備：如潤(rùn)滑油系統(tǒng)需要有規(guī)定的供油溫度和壓力；干氣密封需要有規(guī)定壓力的外部密封氣氣源；汽輪機(jī)啟動(dòng)需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的啟動(dòng)暖機(jī)和停機(jī)冷卻過程，而集成式壓縮機(jī)無需這些外部輔助系統(tǒng)支持，理論上可做到“瞬時(shí)”啟動(dòng)和“瞬時(shí)”停機(jī)。
2.5 競(jìng)爭(zhēng)力
運(yùn)行過程無需補(bǔ)充潤(rùn)滑油，密封氣等公用工程消耗；無泄漏；理論上無零件損耗，維護(hù)成本極低；適合于無人值守操作，低人工成本，整個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)行成本極低。由于集成式壓縮機(jī)的輔助設(shè)備極少，因此現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作都明顯地減少了。[8]
2.6 環(huán)境責(zé)任
現(xiàn)如今，對(duì)于壓縮機(jī)系統(tǒng)而言一個(gè)不斷提高的要求就是環(huán)境責(zé)任，即不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響。
集成高速電機(jī)的使用減少了使用其它驅(qū)動(dòng)機(jī)的各類噪音如燃燒器、速關(guān)閥、齒輪箱等的噪音，同時(shí)變頻驅(qū)動(dòng)的使用提高了部分負(fù)荷時(shí)的能源利用率，減少了能源的浪費(fèi)。磁懸浮軸承的使用產(chǎn)生的絕對(duì)無油系統(tǒng)有利于環(huán)境并減少了相關(guān)環(huán)境問題如油泄漏和油處理。集成式設(shè)計(jì)使得壓縮機(jī)沒有軸端密封并且沒有工藝氣體泄漏至火炬或大氣。
與此同時(shí)，低噪音、無油系統(tǒng)和零泄漏使得集成式壓縮機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大提高。這些特性也使得海底壓縮等特殊環(huán)境下的壓縮系統(tǒng)需求成為可能。
對(duì)于環(huán)境的影響還和占用環(huán)境空間有關(guān)。安裝空間的減小得益于集成式壓縮機(jī)沒有中間齒輪箱，油系統(tǒng)及軸端密封及其儀表架。同時(shí)，電機(jī)的尺寸也比傳統(tǒng)壓縮機(jī)要小[9]。通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)，相似功率的集成式壓縮機(jī)其占地不到傳統(tǒng)壓縮機(jī)的一半，而重量約為傳統(tǒng)壓縮機(jī)的三分之二。
3 技術(shù)發(fā)展
3.1 高速電機(jī)：
高速電機(jī)的難點(diǎn)在于因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速產(chǎn)生的問題：如高的轉(zhuǎn)子離心力、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、平衡精度、高頻率電流損失、高轉(zhuǎn)速下的冷卻問題等等。基于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子表面線速度已經(jīng)可以高達(dá)240m/s。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子不再是疊片鐵芯，而是完整的實(shí)體鐵芯。這種設(shè)計(jì)不但能夠忍耐高的離心力，還能在高臨界轉(zhuǎn)速情況下保證一個(gè)好的轉(zhuǎn)子剛性。
相同的條件下，電機(jī)的扭矩正比于電機(jī)有效直徑的平方和有效長(zhǎng)度。但是因?yàn)檗D(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的限制，電機(jī)長(zhǎng)度不能無限制的增加，而只能增加直徑，因此，即使大直徑電機(jī)的轉(zhuǎn)速更低，小直徑、高轉(zhuǎn)速的電機(jī)也不能達(dá)到大直徑電機(jī)的功率。事實(shí)上，可達(dá)到的電機(jī)功率水平隨著轉(zhuǎn)速的增加是降低的?，F(xiàn)階段30MW左右的電機(jī)轉(zhuǎn)速大約在6,000rpm，而8MW左右的電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到約14,000rpm。
因?yàn)楦咚匐姍C(jī)對(duì)于集成式壓縮機(jī)的效率和穩(wěn)定運(yùn)行非常重要性，現(xiàn)有集成式壓縮機(jī)的制造商如MAN、GE、SIEMENS都能自主生產(chǎn)所需的高速電機(jī)。
3.2 主動(dòng)式磁懸浮軸承
磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)在于無油及其油系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子無接觸懸浮因此沒有摩擦及其功率損失和因?yàn)榱慵p發(fā)生的機(jī)械維護(hù)；更重要的是它是全數(shù)字化控制的軸承，它甚至可以根據(jù)需要在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)優(yōu)化軸系的剛度和阻尼系數(shù)，而油潤(rùn)滑軸承無法做到這一點(diǎn)。
現(xiàn)今的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)不但能保證自身的安全運(yùn)行，還能完成機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。過去，旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要專門的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括前置器、數(shù)采器、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警系統(tǒng)等昂貴的軟硬件系統(tǒng)。然而，一臺(tái)已經(jīng)裝置有主動(dòng)式磁懸浮軸承系統(tǒng)的壓縮機(jī)，有高精度的位置傳感器，數(shù)字處理和通信系統(tǒng)。位置傳感器位于每個(gè)軸承處并且可以用于確定軸心軌跡（X-Y方向），而振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理可以在磁懸浮軸承控制系統(tǒng)完成，因此可以不增加硬件，簡(jiǎn)單的通過增加計(jì)算機(jī)軟件的功能來完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
3.3 冷卻系統(tǒng)方案
集成式壓縮機(jī)的電機(jī)和軸承冷卻一般采用工藝氣體冷卻，根據(jù)冷卻后氣體是回到工藝氣入口還是冷卻后的熱氣體經(jīng)過外置冷卻器冷卻后再作為冷卻介質(zhì)循環(huán)可分為開式冷卻循環(huán)和閉式冷卻循環(huán)。閉式冷卻循環(huán)的缺點(diǎn)是需要循環(huán)葉輪和外置冷卻器，增加了輔助設(shè)備，影響了系統(tǒng)可靠性，和集成式壓縮機(jī)的開發(fā)初衷是相違背的。
對(duì)于不清潔、有毒或腐蝕性的應(yīng)用，電氣元件需要特殊處理，或者需要與工藝氣體分離。
其中的一種方案是使用“罐裝”技術(shù)[10]，“罐”的主要功能是保護(hù)電機(jī)繞組不受未經(jīng)處理的工藝氣體的影響。“罐”由集成在固定外殼部件中的圓柱形部件組成，將電機(jī)定子和儀表與工藝氣體分開，這樣就沒有任何電氣部件暴露于工藝氣體中。但是這也意味著定子繞組不能通過工藝氣體循環(huán)冷卻，而需要采用閉環(huán)回路中的液體冷卻。在此方案中：電機(jī)定子使用液體閉環(huán)回路冷卻，而對(duì)旋轉(zhuǎn)部分的冷卻使用工藝氣體，工藝氣體一般從第一級(jí)壓縮葉輪后取出。然而，“罐”的設(shè)計(jì)本身就具有挑戰(zhàn)性，對(duì)于高壓應(yīng)用，特別是在操作和壓力條件快速變化的情況下，這種設(shè)計(jì)可能會(huì)非常麻煩。并且，該“罐”將會(huì)增加定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙，影響電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。同樣的也增加了輔助設(shè)備，影響了系統(tǒng)可靠性。
另一個(gè)方案利用工藝氣體冷卻整個(gè)電機(jī)（轉(zhuǎn)子和定子）和磁懸浮軸承（AMBs）。雖然此方案包括冷卻氣體的過濾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但暴露在外的電纜或繞組需要由一種特殊的材料絕緣，這種材料必須符合工藝氣體的組成，畢竟工藝氣體中可能含有液體、酸性氣體和具有挑戰(zhàn)性的微量元素。冷卻氣體在第一級(jí)壓縮葉輪后取出，氣體通過電機(jī)（和磁懸浮軸承）回到壓縮機(jī)入口和工藝氣體混合。這將是一個(gè)開式冷卻系統(tǒng)，不需要循環(huán)葉輪。工藝氣體直接冷卻方案不僅在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和電氣性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且可以優(yōu)化熱通道，從而明顯改善冷卻情況和提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在Asgard海底壓縮機(jī)項(xiàng)目中，使用的就是工藝氣體直接冷卻方案。
3.4 聯(lián)軸器方案
使用撓性聯(lián)軸器，電機(jī)和壓縮機(jī)的軸振動(dòng)基本上是解耦的，部件是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)獨(dú)立的。在這種情況下，每個(gè)（軸）組件需要兩個(gè)徑向磁懸浮軸承。同時(shí)，由于柔性聯(lián)軸器不能承受大的軸向載荷，每個(gè)壓縮機(jī)必須有自己的推力軸承。
使用剛性聯(lián)軸器導(dǎo)致一個(gè)單一的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，所以必須對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為分析。使用這種方式，壓縮機(jī)為直接連接的轉(zhuǎn)子并可以減少一個(gè)（單缸壓縮機(jī)）或兩個(gè)（雙缸壓縮機(jī)）徑向軸承，并且僅僅需要一個(gè)推力軸承。但是，機(jī)組在制造和裝配過程中需要更多的努力才能正確對(duì)中?？傊?，剛性聯(lián)軸器在工程設(shè)計(jì)及制造裝配中需要更多的努力，但是它使得多級(jí)透平壓縮機(jī)系統(tǒng)非常緊湊。假如一臺(tái)集成式壓縮機(jī)不同的缸之間是通過撓性聯(lián)軸器相連，那么整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)將毫無疑問的變得更大。
在聯(lián)軸器方案上，MAN公司更多的使用無聯(lián)軸器的方案，電機(jī)軸和壓縮機(jī)軸是同一根軸，此方案綜合了前兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)軸系使用更少軸承的同時(shí)也不存在聯(lián)軸器裝配找中的問題，裝配和維護(hù)也更簡(jiǎn)單，可靠性更高，因此是最優(yōu)的方案。
3.5 海底壓縮
在海底安裝壓縮機(jī)的想法是1985年挪威工程師Kjell olav Stinessen博士首次提出的[11]。他的想法從理念到實(shí)現(xiàn)走過了30年的時(shí)間；在2015年9月，由MAN公司生產(chǎn)的第一臺(tái)正式投入商業(yè)運(yùn)行的海底壓縮機(jī)在Asgard項(xiàng)目成功運(yùn)行。
海底壓縮要求非常可靠，并需要最少的輔助系統(tǒng)，集成式壓縮機(jī)非常適合于此應(yīng)用。整個(gè)Asgard海底壓縮機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)方案由相同的兩個(gè)海底壓縮機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行組成，另有一個(gè)壓縮機(jī)站儲(chǔ)存在陸地備用。在每個(gè)海底壓縮機(jī)站，井內(nèi)液氣流先經(jīng)過進(jìn)口/防喘振冷卻模塊進(jìn)行冷卻；再經(jīng)過分離器模塊分離成氣體和液體；氣體經(jīng)過壓縮機(jī)模塊進(jìn)行壓縮；凝析油通過泵模塊輸送并和壓縮后的氣體匯合進(jìn)入同一條輸送管道；而氣體在匯合前還會(huì)經(jīng)過一個(gè)出口冷卻器模塊冷卻[12-15]。圖4表示了Asgard項(xiàng)目海底壓縮機(jī)組的流程概要圖。
4 結(jié)論
綜上所述，集成式壓縮機(jī)結(jié)合了高效率離心式壓縮機(jī)、主動(dòng)式磁懸浮軸承、高速電機(jī)和大功率變頻器四大技術(shù)成果，將壓縮機(jī)、電機(jī)、冷卻系統(tǒng)集成在同一橇架中，并作為一個(gè)整體安裝使用。不含潤(rùn)滑油系統(tǒng)、密封系統(tǒng)，使得其可靠性及可用性比起傳統(tǒng)的筒式壓縮機(jī)大大提高，并且其運(yùn)行范圍廣，響應(yīng)速度快，運(yùn)行周期成本低，環(huán)境中性，是一款性價(jià)比非常高的機(jī)型。
近些年來，國外各大壓縮機(jī)廠商對(duì)集成式壓縮機(jī)加大研發(fā)投入，技術(shù)進(jìn)一步革新：高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率得到進(jìn)一步擴(kuò)展，磁懸浮軸承也出現(xiàn)新的應(yīng)用，電機(jī)冷卻方式的改進(jìn)使得壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)使得機(jī)器本體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，機(jī)組體積進(jìn)一步向輕量化發(fā)展。海底壓縮機(jī)綜合了集成式壓縮機(jī)的所有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是集成式壓縮機(jī)的最新應(yīng)用。
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【壓縮機(jī)網(wǎng)】集成式壓縮機(jī)其發(fā)展起始于20世紀(jì)80年代。1990年，MAN公司生產(chǎn)了第一臺(tái)集成式壓縮機(jī)MOPICO （Moter Pipeline Compressor的簡(jiǎn)寫），并投入商業(yè)運(yùn)行，首次將磁懸浮、變頻、離心壓縮機(jī)等成熟技術(shù)進(jìn)行有效集成，實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)的超寬范圍變頻調(diào)節(jié)，成為壓縮機(jī)技術(shù)史上最為節(jié)能環(huán)保的綠色機(jī)型[1-2]。隨后，MAN公司于1991年研發(fā)出了世界第一臺(tái)多級(jí)集成式壓縮機(jī)HOFIMTM standalone（無油，無中間齒輪箱，有軸端密封），并且最終于2000年研發(fā)出了世界第一臺(tái)真正意義上的多級(jí)集成式壓縮機(jī)HOFIMTM(High speed Oil Free Integrated Motor compressor 的簡(jiǎn)寫)。最初，集成式壓縮機(jī)的應(yīng)用主要集中于天然氣管道和地下儲(chǔ)氣庫，之后不斷的向煉油、石化領(lǐng)域拓展。2015年9月，由MAN公司生產(chǎn)的第一臺(tái)正式投入商業(yè)運(yùn)行的海底壓縮機(jī)在Asgard項(xiàng)目成功運(yùn)行，標(biāo)志著集成式壓縮機(jī)發(fā)展新時(shí)代的到來。
1 基本結(jié)構(gòu)
最初的設(shè)計(jì)可稱之為無油壓縮機(jī)：壓縮機(jī)本體類似于傳統(tǒng)的筒式壓縮機(jī)，只是軸承換成了磁懸浮軸承，然后通過聯(lián)軸器與高速電機(jī)直接相連[3]。隨后改進(jìn)為集成式壓縮機(jī)：對(duì)電機(jī)和壓縮機(jī)缸體實(shí)施一體化處理，消除了突出缸外的軸伸端，并取消了干氣密封系統(tǒng)，從而大大提高了壓縮機(jī)的可靠性，并且可以保證整機(jī)無泄漏。這樣的設(shè)計(jì)保證壓縮機(jī)僅保留了本質(zhì)上必須保留的部件，如：電機(jī)、軸、葉輪、軸承和機(jī)殼，并且使得壓縮機(jī)組的占地面積更小，安裝調(diào)試更方便[4]。圖1是集成式壓縮機(jī)的典型示意圖，其電機(jī)位于中間，壓縮機(jī)高壓缸和低壓缸分別位于電機(jī)的兩端，徑向和推力軸承均使用了磁懸浮軸承。圖2是集成式壓縮機(jī)系統(tǒng)示意圖，為變頻驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)，其電機(jī)使用工藝氣體進(jìn)行冷卻。
在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合需要及用戶參數(shù)的高低，高壓缸和/或低壓缸可以變?yōu)閱渭?jí)懸臂形式（此時(shí)取消壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的軸承）；或者僅僅只有單缸壓縮機(jī)的形式（電機(jī)單軸伸）。而通過不同的缸和懸臂葉輪的組合，可以適用于不同的壓比和流量范圍需求，圖3表示了不同缸和懸臂葉輪組合及其流量壓力應(yīng)用情況。
2 起源及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)
集成式壓縮機(jī)最初的目標(biāo)市場(chǎng)是天然氣管道壓縮及天然氣存儲(chǔ)市場(chǎng)，其要求是有靈活的儲(chǔ)氣能力，高性能，每年有多個(gè)周期注氣及回收。因此，相應(yīng)的要求壓縮機(jī)系統(tǒng)有如下屬性：
●可靠性——最小化非計(jì)劃停機(jī)
●可用性——要求極少的計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間
●靈活性——廣闊的運(yùn)行范圍（流量及壓力范圍）
●響應(yīng)能力——能夠快速響應(yīng)變化的運(yùn)行條件
●競(jìng)爭(zhēng)力——低運(yùn)行周期成本
●環(huán)境責(zé)任——運(yùn)行時(shí)不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響
為了滿足這些要求必須要開發(fā)一個(gè)全新的壓縮機(jī)系統(tǒng)，由此，集成式壓縮機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
2.1 可靠性
壓縮機(jī)系統(tǒng)的可靠性可以通過減少機(jī)組系統(tǒng)組件得到極大的提高。高速電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，因而不再需要配備增速齒輪箱或調(diào)速行星齒輪等中間機(jī)構(gòu)；磁懸浮軸承的使用，消除了轉(zhuǎn)子和定子間的摩擦，因此可以取消潤(rùn)滑油系統(tǒng)；電機(jī)和壓縮機(jī)缸體實(shí)施一體化密封處理，整個(gè)機(jī)組就沒有伸出缸體的軸伸端，因此無需干氣密封（軸端密封）及其配套的干氣密封系統(tǒng)。集成式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)減少了機(jī)組系統(tǒng)組件及其輔助系統(tǒng)，從而提高了機(jī)組的可靠性和安全性。
2.2 可用性
一個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)能夠響應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求，就要求它有高的可用性。要求它不但可靠，而且要求它在盡量長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持可靠性，例如，減少計(jì)劃維修的停機(jī)時(shí)間。不得不說，最少化系統(tǒng)組件再一次使得可用性得到極大地提高。
2.3 靈活性
一個(gè)運(yùn)行靈活的壓縮機(jī)必須有廣闊的運(yùn)行范圍。對(duì)于變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)來說，可以通過增加轉(zhuǎn)速范圍來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)API617的要求，轉(zhuǎn)速范圍的提升局限于臨界轉(zhuǎn)速及其隔離裕度。因此，如果在機(jī)組要求的運(yùn)行范圍內(nèi)無臨界轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速處于臨界阻尼狀態(tài)，轉(zhuǎn)速范圍就可以擴(kuò)大。在壓縮機(jī)使用傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑軸承情況下，這是不可能實(shí)現(xiàn)的，而磁懸浮軸承具有剛度和阻尼的可調(diào)、可主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，因此可以改變阻尼狀態(tài)并將臨界轉(zhuǎn)速臨界阻尼，此時(shí)不要求隔離裕度，因此可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組連續(xù)運(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速。典型的，運(yùn)行轉(zhuǎn)速可以在30%～105%范圍內(nèi)[7]。另外，如果仔細(xì)的配合設(shè)計(jì)雙缸壓縮機(jī)的兩個(gè)缸的壓比和流量，兩臺(tái)壓縮機(jī)可以運(yùn)行在串聯(lián)模式或并聯(lián)模式，則整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行范圍可以得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。
2.4 響應(yīng)能力
傳統(tǒng)壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行需要大量輔助系統(tǒng)的支持并且需要開機(jī)、停機(jī)準(zhǔn)備：如潤(rùn)滑油系統(tǒng)需要有規(guī)定的供油溫度和壓力；干氣密封需要有規(guī)定壓力的外部密封氣氣源；汽輪機(jī)啟動(dòng)需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的啟動(dòng)暖機(jī)和停機(jī)冷卻過程，而集成式壓縮機(jī)無需這些外部輔助系統(tǒng)支持，理論上可做到“瞬時(shí)”啟動(dòng)和“瞬時(shí)”停機(jī)。
2.5 競(jìng)爭(zhēng)力
運(yùn)行過程無需補(bǔ)充潤(rùn)滑油，密封氣等公用工程消耗；無泄漏；理論上無零件損耗，維護(hù)成本極低；適合于無人值守操作，低人工成本，整個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)行成本極低。由于集成式壓縮機(jī)的輔助設(shè)備極少，因此現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試工作都明顯地減少了。[8]
2.6 環(huán)境責(zé)任
現(xiàn)如今，對(duì)于壓縮機(jī)系統(tǒng)而言一個(gè)不斷提高的要求就是環(huán)境責(zé)任，即不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響。
集成高速電機(jī)的使用減少了使用其它驅(qū)動(dòng)機(jī)的各類噪音如燃燒器、速關(guān)閥、齒輪箱等的噪音，同時(shí)變頻驅(qū)動(dòng)的使用提高了部分負(fù)荷時(shí)的能源利用率，減少了能源的浪費(fèi)。磁懸浮軸承的使用產(chǎn)生的絕對(duì)無油系統(tǒng)有利于環(huán)境并減少了相關(guān)環(huán)境問題如油泄漏和油處理。集成式設(shè)計(jì)使得壓縮機(jī)沒有軸端密封并且沒有工藝氣體泄漏至火炬或大氣。
與此同時(shí)，低噪音、無油系統(tǒng)和零泄漏使得集成式壓縮機(jī)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大提高。這些特性也使得海底壓縮等特殊環(huán)境下的壓縮系統(tǒng)需求成為可能。
對(duì)于環(huán)境的影響還和占用環(huán)境空間有關(guān)。安裝空間的減小得益于集成式壓縮機(jī)沒有中間齒輪箱，油系統(tǒng)及軸端密封及其儀表架。同時(shí)，電機(jī)的尺寸也比傳統(tǒng)壓縮機(jī)要小[9]。通過比較我們可以發(fā)現(xiàn)，相似功率的集成式壓縮機(jī)其占地不到傳統(tǒng)壓縮機(jī)的一半，而重量約為傳統(tǒng)壓縮機(jī)的三分之二。
3 技術(shù)發(fā)展
3.1 高速電機(jī)：
高速電機(jī)的難點(diǎn)在于因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速產(chǎn)生的問題：如高的轉(zhuǎn)子離心力、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、平衡精度、高頻率電流損失、高轉(zhuǎn)速下的冷卻問題等等。基于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子表面線速度已經(jīng)可以高達(dá)240m/s。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子不再是疊片鐵芯，而是完整的實(shí)體鐵芯。這種設(shè)計(jì)不但能夠忍耐高的離心力，還能在高臨界轉(zhuǎn)速情況下保證一個(gè)好的轉(zhuǎn)子剛性。
相同的條件下，電機(jī)的扭矩正比于電機(jī)有效直徑的平方和有效長(zhǎng)度。但是因?yàn)檗D(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的限制，電機(jī)長(zhǎng)度不能無限制的增加，而只能增加直徑，因此，即使大直徑電機(jī)的轉(zhuǎn)速更低，小直徑、高轉(zhuǎn)速的電機(jī)也不能達(dá)到大直徑電機(jī)的功率。事實(shí)上，可達(dá)到的電機(jī)功率水平隨著轉(zhuǎn)速的增加是降低的?，F(xiàn)階段30MW左右的電機(jī)轉(zhuǎn)速大約在6,000rpm，而8MW左右的電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到約14,000rpm。
因?yàn)楦咚匐姍C(jī)對(duì)于集成式壓縮機(jī)的效率和穩(wěn)定運(yùn)行非常重要性，現(xiàn)有集成式壓縮機(jī)的制造商如MAN、GE、SIEMENS都能自主生產(chǎn)所需的高速電機(jī)。
3.2 主動(dòng)式磁懸浮軸承
磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)在于無油及其油系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子無接觸懸浮因此沒有摩擦及其功率損失和因?yàn)榱慵p發(fā)生的機(jī)械維護(hù)；更重要的是它是全數(shù)字化控制的軸承，它甚至可以根據(jù)需要在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)優(yōu)化軸系的剛度和阻尼系數(shù)，而油潤(rùn)滑軸承無法做到這一點(diǎn)。
現(xiàn)今的磁懸浮軸承控制系統(tǒng)不但能保證自身的安全運(yùn)行，還能完成機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。過去，旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要專門的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括前置器、數(shù)采器、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警系統(tǒng)等昂貴的軟硬件系統(tǒng)。然而，一臺(tái)已經(jīng)裝置有主動(dòng)式磁懸浮軸承系統(tǒng)的壓縮機(jī)，有高精度的位置傳感器，數(shù)字處理和通信系統(tǒng)。位置傳感器位于每個(gè)軸承處并且可以用于確定軸心軌跡（X-Y方向），而振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理可以在磁懸浮軸承控制系統(tǒng)完成，因此可以不增加硬件，簡(jiǎn)單的通過增加計(jì)算機(jī)軟件的功能來完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
3.3 冷卻系統(tǒng)方案
集成式壓縮機(jī)的電機(jī)和軸承冷卻一般采用工藝氣體冷卻，根據(jù)冷卻后氣體是回到工藝氣入口還是冷卻后的熱氣體經(jīng)過外置冷卻器冷卻后再作為冷卻介質(zhì)循環(huán)可分為開式冷卻循環(huán)和閉式冷卻循環(huán)。閉式冷卻循環(huán)的缺點(diǎn)是需要循環(huán)葉輪和外置冷卻器，增加了輔助設(shè)備，影響了系統(tǒng)可靠性，和集成式壓縮機(jī)的開發(fā)初衷是相違背的。
對(duì)于不清潔、有毒或腐蝕性的應(yīng)用，電氣元件需要特殊處理，或者需要與工藝氣體分離。
其中的一種方案是使用“罐裝”技術(shù)[10]，“罐”的主要功能是保護(hù)電機(jī)繞組不受未經(jīng)處理的工藝氣體的影響。“罐”由集成在固定外殼部件中的圓柱形部件組成，將電機(jī)定子和儀表與工藝氣體分開，這樣就沒有任何電氣部件暴露于工藝氣體中。但是這也意味著定子繞組不能通過工藝氣體循環(huán)冷卻，而需要采用閉環(huán)回路中的液體冷卻。在此方案中：電機(jī)定子使用液體閉環(huán)回路冷卻，而對(duì)旋轉(zhuǎn)部分的冷卻使用工藝氣體，工藝氣體一般從第一級(jí)壓縮葉輪后取出。然而，“罐”的設(shè)計(jì)本身就具有挑戰(zhàn)性，對(duì)于高壓應(yīng)用，特別是在操作和壓力條件快速變化的情況下，這種設(shè)計(jì)可能會(huì)非常麻煩。并且，該“罐”將會(huì)增加定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙，影響電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。同樣的也增加了輔助設(shè)備，影響了系統(tǒng)可靠性。
另一個(gè)方案利用工藝氣體冷卻整個(gè)電機(jī)（轉(zhuǎn)子和定子）和磁懸浮軸承（AMBs）。雖然此方案包括冷卻氣體的過濾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但暴露在外的電纜或繞組需要由一種特殊的材料絕緣，這種材料必須符合工藝氣體的組成，畢竟工藝氣體中可能含有液體、酸性氣體和具有挑戰(zhàn)性的微量元素。冷卻氣體在第一級(jí)壓縮葉輪后取出，氣體通過電機(jī)（和磁懸浮軸承）回到壓縮機(jī)入口和工藝氣體混合。這將是一個(gè)開式冷卻系統(tǒng)，不需要循環(huán)葉輪。工藝氣體直接冷卻方案不僅在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和電氣性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且可以優(yōu)化熱通道，從而明顯改善冷卻情況和提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩。在Asgard海底壓縮機(jī)項(xiàng)目中，使用的就是工藝氣體直接冷卻方案。
3.4 聯(lián)軸器方案
使用撓性聯(lián)軸器，電機(jī)和壓縮機(jī)的軸振動(dòng)基本上是解耦的，部件是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)獨(dú)立的。在這種情況下，每個(gè)（軸）組件需要兩個(gè)徑向磁懸浮軸承。同時(shí)，由于柔性聯(lián)軸器不能承受大的軸向載荷，每個(gè)壓縮機(jī)必須有自己的推力軸承。
使用剛性聯(lián)軸器導(dǎo)致一個(gè)單一的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，所以必須對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為分析。使用這種方式，壓縮機(jī)為直接連接的轉(zhuǎn)子并可以減少一個(gè)（單缸壓縮機(jī)）或兩個(gè)（雙缸壓縮機(jī)）徑向軸承，并且僅僅需要一個(gè)推力軸承。但是，機(jī)組在制造和裝配過程中需要更多的努力才能正確對(duì)中?？傊?，剛性聯(lián)軸器在工程設(shè)計(jì)及制造裝配中需要更多的努力，但是它使得多級(jí)透平壓縮機(jī)系統(tǒng)非常緊湊。假如一臺(tái)集成式壓縮機(jī)不同的缸之間是通過撓性聯(lián)軸器相連，那么整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)將毫無疑問的變得更大。
在聯(lián)軸器方案上，MAN公司更多的使用無聯(lián)軸器的方案，電機(jī)軸和壓縮機(jī)軸是同一根軸，此方案綜合了前兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，整個(gè)軸系使用更少軸承的同時(shí)也不存在聯(lián)軸器裝配找中的問題，裝配和維護(hù)也更簡(jiǎn)單，可靠性更高，因此是最優(yōu)的方案。
3.5 海底壓縮
在海底安裝壓縮機(jī)的想法是1985年挪威工程師Kjell olav Stinessen博士首次提出的[11]。他的想法從理念到實(shí)現(xiàn)走過了30年的時(shí)間；在2015年9月，由MAN公司生產(chǎn)的第一臺(tái)正式投入商業(yè)運(yùn)行的海底壓縮機(jī)在Asgard項(xiàng)目成功運(yùn)行。
海底壓縮要求非常可靠，并需要最少的輔助系統(tǒng)，集成式壓縮機(jī)非常適合于此應(yīng)用。整個(gè)Asgard海底壓縮機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)方案由相同的兩個(gè)海底壓縮機(jī)站并聯(lián)運(yùn)行組成，另有一個(gè)壓縮機(jī)站儲(chǔ)存在陸地備用。在每個(gè)海底壓縮機(jī)站，井內(nèi)液氣流先經(jīng)過進(jìn)口/防喘振冷卻模塊進(jìn)行冷卻；再經(jīng)過分離器模塊分離成氣體和液體；氣體經(jīng)過壓縮機(jī)模塊進(jìn)行壓縮；凝析油通過泵模塊輸送并和壓縮后的氣體匯合進(jìn)入同一條輸送管道；而氣體在匯合前還會(huì)經(jīng)過一個(gè)出口冷卻器模塊冷卻[12-15]。圖4表示了Asgard項(xiàng)目海底壓縮機(jī)組的流程概要圖。
4 結(jié)論
綜上所述，集成式壓縮機(jī)結(jié)合了高效率離心式壓縮機(jī)、主動(dòng)式磁懸浮軸承、高速電機(jī)和大功率變頻器四大技術(shù)成果，將壓縮機(jī)、電機(jī)、冷卻系統(tǒng)集成在同一橇架中，并作為一個(gè)整體安裝使用。不含潤(rùn)滑油系統(tǒng)、密封系統(tǒng)，使得其可靠性及可用性比起傳統(tǒng)的筒式壓縮機(jī)大大提高，并且其運(yùn)行范圍廣，響應(yīng)速度快，運(yùn)行周期成本低，環(huán)境中性，是一款性價(jià)比非常高的機(jī)型。
近些年來，國外各大壓縮機(jī)廠商對(duì)集成式壓縮機(jī)加大研發(fā)投入，技術(shù)進(jìn)一步革新：高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率得到進(jìn)一步擴(kuò)展，磁懸浮軸承也出現(xiàn)新的應(yīng)用，電機(jī)冷卻方式的改進(jìn)使得壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)使得機(jī)器本體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，機(jī)組體積進(jìn)一步向輕量化發(fā)展。海底壓縮機(jī)綜合了集成式壓縮機(jī)的所有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是集成式壓縮機(jī)的最新應(yīng)用。
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