整体齿轮式压缩机在CCS中的应用

原创 CPECC | 魏涛 泵友圈 2024年11月19日 08:29 北京

为控制全球气温变暖，应对气候变化挑战，世界各国纷纷提出了碳达峰和碳中和的目标。碳捕捉和封存是一项成熟且有效的控制CO₂排放的手段。碳捕捉和封存项目中CO₂的压缩和注入需要压缩机提供压力，以往CO₂压缩机常选用往复式压缩机，由于其处理量的限制，越来越多的CO₂压缩机选用离心压缩机。离心压缩机中的整体齿轮式压缩机相较于传统单轴离心压缩机具有独特优势，但同时由于碳捕捉和封存项目中CO₂介质的特殊物性以及其压缩和注入需要的高压力，以及整体齿轮式压缩机自身特殊结构，其在碳捕捉和封存中的应用面临诸多挑战。

1.  碳捕捉和封存（CCS）产业链介绍

碳捕捉和封存技术指的是将能源工业和其他行业生产中产生的二氧化碳分离、搜集并集中埋存于数千米的地层中与大气隔绝，英文全称是Carbon Capture and Sequestration，缩写为CCS（以下简称CCS）。CCS技术是目前控制CO₂排放的有效手段，作为经过验证并成功应用于商业化的技术，其在应对全球气候变化和碳达峰目标的实现上，发挥着至关重要的作用。

CCS中碳捕捉技术有三种，包括燃烧后捕集、燃烧前捕集以及富氧捕集，其中燃烧后捕集发展最成熟；经捕获的CO₂经过压缩至一定压力后通过管道运输至封存地点进行高压注入封存[1]。CO₂封存方式一般有地质封存、海洋封存和矿石碳化[2]，其中地质封存中将捕获的CO₂注入地下油气储层以提高油气采收率的方式已经有数十年的应用史，这种被称为EOR（Enhanced Oil Recovery，简称EOR）和EGR（Enhanced Gas Recovery，简称EGR）的技术在石油天然气行业应用广泛，由此可见CCS并不是一个新概念，而是经过验证并成功商业化的一项技术。图1为CCS产业链示意图。

图1 CCS产业链示意图

2. 整体齿轮式压缩机的发展及应用

2.1 整体齿轮式压缩机发展进程

离心压缩机在化工、炼油、陆上和海上气举和注气以及天然气集输中有着广泛应用。离心压缩机按结构可以分为三种形式，分别为单轴式、整体齿轮式以及原动机和离心机组合式[3]。整体齿轮式压缩机（Integrally Geared Compressor，简称IGC）于1948年问世，由Demag公司（后并入西门子）技术总监Otto Schirl博士开发，他将单级悬臂离心压缩机与增速齿轮进行整合，组成了集成化的机组，整体齿轮式压缩机由此诞生，此后其他压缩机生产厂也相继研发出了不同配置的整体齿轮式压缩机[4]。随着其可靠性的提高，整体齿轮式压缩机的应用范围逐渐从最初的压缩空气拓展到空分以及石化等行业[5]。

整体齿轮式压缩机是一种多轴压缩机，也被称作多轴离心压缩机。在中央大齿轮周围分布着若干小齿轮，每个小齿轮都配备两个叶轮。每个齿轮轴可以实现转速与叶轮尺寸的不同组合。所有叶轮都是悬臂设计，可以通过设计入口导流叶片进行性能调节。在每级的出口设置级间冷却对压缩介质进行冷却，以节省能耗。整体齿轮式压缩机主体结构及外形分别如图2和图3所示。

图2 整体齿轮式压缩机主体结构

图3 整体齿轮式压缩机外观图

2.2 整体齿轮式压缩机的应用

作为通用机械设备，压缩机的应用范围特别广泛，不同类型压缩机的典型适用范围图见图4[6]。从图4看出，在流量适中时，离心压缩机的适用范围广泛，排气压力从1.2bar至1000bar不等。整体齿轮式压缩机与其他形式压缩机适用范围都有重叠，在许多工况下整体齿轮式压缩机都具有其独特优势，其典型应用包括：工厂压缩空气，空分装置，尿素装置，LNG接收站，闪蒸汽（Boil-Off Gas）压缩，燃气压缩，海上平台蒸发气回收，及CO₂压缩等，同时还可应用于高压高温等极端工况[7]。

图4 不同类型压缩机应用范围图谱

整体齿轮式压缩机的独有构造，使其不同于其他形式压缩机，其优点众多，包括效率高、能耗低、高度模块化等[8][9]。鉴于整体齿轮式压缩机的以上特点，在大流量工况下，CO₂压缩采用整体齿轮式压缩机更具有优势。

2.3 整体齿轮式压缩机标准

整体齿轮式压缩机的标准主要集中在油气行业，包括API 617《轴流、离心压缩机及膨胀机-压缩机》的第三节和API 672《石油、化工和天然气行业用组装式整体齿轮空气压缩机》。这两项标准涵盖了对压缩机的空气动力学设计，以及对主要部件包括叶轮，转子，轴承，齿轮副，轴封以及冷却器等的动态和结构分析，以及压缩机的检验测试要求。

API 617是从2002年发行的第七版开始增加了对整体齿轮式压缩机的规范要求，该标准更适用于严苛工况[10]；API 672是一个更为通用的标准，但也涵盖石油天然气行业。一些通用行业的用户如空分等，通常会根据实际需要及操作经验，参考API 672制定相关的压缩机的技术要求。而另外一些应用中，如海洋工程，则会在API 617的基础上，增加额外的技术要求，如在酸性环境条件下材料需满足NACE标准。

另外整体齿轮式压缩机的壳体的设计制造也会参考美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers，简称ASME）的锅炉及压力容器标准（ASME BPVC），高速齿轮则参考美国齿轮制造协会（American Gear Manufacturer Association，简称AGMA）的标准 AGMA 6011 高速斜齿轮技术规范[8]。

3.  整体齿轮式压缩机在CCS中的应用

CCS产业链中，CO₂经过捕集后需经过运输后到达封存地点进行封存，实践证明将气态CO₂压缩至超临界状态流体进行管道输送是最为经济安全的方式[11]。CO₂达到管输条件需要压缩机提供的压力约为160bar-200bar，长距离输送时需要压力可达300bar；CO₂注入压力因地层结构而不同，一般在13.6-20.4Mpa[12]。用于CO₂压缩时，压缩机的选择需结合不同的碳捕集工艺进行综合比选[13]；用于CO₂注入时，则需根据地层结构确定注入压力。CO₂压缩机在CCS项目建设期投资及运行费用中占比较大，是整条产业链中的关键设备[14]。如采用胺液溶剂吸收的燃烧后捕集工厂中，压缩机占总投资的约1/3。

一直以来高速往复压缩机是CCS以及EOR中首选压缩机，近年来的工程实践逐渐证明，往复压缩机在CCS中的应用具有一些限制，其能达到的最大流量非常有限，而目前CCS项目中CO₂处理量通常较大，可达12kg/s；维修比较频繁。相比于往复压缩机，离心压缩机具有处理量大，流量可达100kg/s；效率高；可实现无油压缩；转速高，可于高速驱动装置很好地匹配；经合理设计后，维修次数少，延长使用时间等优势，因此离心压缩机是目前CO₂工况下较为先进且具有很好前景的选择[13][15]。如雪佛兰公司在澳大利亚建设的Gorgon LNG工厂项目CO₂注入压缩机[16]，挪威Sleipner气田的CCS系统中CO₂注入压缩机、阿尔及利亚In Salah CO₂储存项目的CO₂注入压缩机等，都是选用的离心式压缩机。

整体齿轮式压缩机相对于传统单轴离心压缩机具有独特优势，使其在CCS中的应用逐渐得到推广[17]。如美国北达科他州煤气化工厂项目CO₂压缩机、美国得克萨斯州Petra Nova项目CO₂压缩机、加拿大北部Quest CCS项目CO₂压缩机、北美某CO₂管道压缩机、中国神华宁煤在银川建设的某煤液化工厂CO₂压缩机等，都是采用整体齿轮式压缩机。整体齿轮式压缩机也在朝着更高压力和更大流量发展，以满足CCS项目需求。

3.1 整体齿轮式压缩机在CO₂中应用优势

3.1.1 最佳转速设计

整体齿轮式压缩机与单轴离心压缩机本质区别在于整体齿轮式压缩机每级的转速可以与其动力学速度得到最佳匹配。整体齿轮式压缩机中，最多有处在同一小齿轮轴上的两级在同一转速下运行，其余各级均在不同的最佳转速下运行，这使得整体离心式压缩机需要的级数更少，效率更高。

3.1.2 更高的效率

与单轴离心压缩机相比，整体齿轮式压缩机最大的优势在于其效率较高，具体表现在^[4]：

• 每级叶轮可在最佳转速下运行，叶轮尺寸和转速可达到最佳匹配，保证每级叶轮的高效率

• 每级叶轮均为轴向进气，流动状态均匀，有助于提高效率

• 叶轮安装形式为悬臂式，轮毂比小，进而降低了每级叶轮入口的马赫数，流动损失减小，提高级效率。

3.1.3 经济节能

整体齿轮式压缩机每级进出口都有配管，因此可以实现每一级间的级间冷却，而单轴式离心压缩机则很难实现。配置级间冷却后，气体压缩过程更接近等温压缩，可实现低能耗。

Andrzej Witkowski等人在对某燃煤发电燃烧后捕集CCS项目中CO₂压缩机配置可行性进行了研究，发现压缩机能耗不仅仅由压缩机效率决定，还与压缩过程的热力学特性密切相关，与传统单轴离心压缩机相比，采用整体齿轮式压缩机可节能近21%[18]。

整体齿轮式压缩机相比单轴离心压缩机效率高级数少，另外其模块化程度高，主机、润滑油系统和冷却器等可安装在同一底座上，占地面积小，土建基础费用和安装费用少，节省投资；整体齿轮式压缩机还具有拆卸方便的特点，只要打开轴承箱上盖‚就可对密封、轴承、大小齿轮进行检查或维修，在长期运行中的维护费用较低^[4]。图5为模块化整体齿轮式压缩机三维模型图。

图5 整体齿轮式压缩机模块

3.1.4 性能调节灵活

整体齿轮式压缩机的一个主要优势是其在性能调节上的灵活性，这一优势在压力调节上较为有用[19]。整体齿轮式压缩机的叶轮布置在密封和轴承的外端，与单轴式压缩机相比更容易设置可变入口导叶（Variable Inlet Guide Vanes，简称VIGV）以及可调扩压器片（Variable Diffuser Vanes，简称VDV），比单轴式压缩机上设置入口导叶相比，显著节省成本[20]。图6为一种可变入口导叶示意图。

图6 可变入口导叶

整体齿轮式压缩机这一优势在CO₂应用中特别适用，压缩机的尺寸通常根据其最大处理量来确定，但是实际运行工况可能偏离设计条件，如质量流量不同，压缩机入口的流量和温度变化，以及CO₂气体组分变化等。通过设置VIGV，可以很好实现流量调节[21]。而VDV可可以拓展压缩机在小流量运行下的稳定工作范围，较少压力损失^[8]。

3.2 整体齿轮式压缩机在CCS应用中关键技术

由于CO₂的特殊物性，以及CO₂压缩和注入过程需要的高压力，加之整体齿轮式压缩机的自身特殊结构，使得整体齿轮式压缩机在CO₂压缩和注入中的应用面临诸多挑战和问题。随着研究深入，以及制造厂研发技术的提高，一些关键技术的运用解决了这些问题，使得整体齿轮式压缩机能够很好的满足CCS项目CO₂压缩和注入的需求。整体齿轮式压缩机在CCS应用中的主要挑战包括CO₂的真实气体效应、压缩过程需要超高压缩比、压缩机转子动力学分析极为复杂、机械密封选用、级间冷却器的设计配置及工厂性能测试等。

3.2.1 CO₂真实气体效应

CO₂在常温常压下为气态，其相态变化可用图7描述。当温度超过31.1℃，压力超过73.9bar时，CO₂便达到临界状态，此时CO₂兼有气体和液体性质，其密度接近液体，粘度接近气体[22]。超过临界点后，CO₂转变为超临界流体，体积不能继续压缩。

图7 CO₂相图

CO₂的压缩过程的一个显著特征便是其真实气体效应。如前所述，CO₂压缩和注入中CO₂压缩机的出口压力均在CO₂的临界压力以上，CO₂在压缩机中被逐级压缩，随着压力逐渐接近临界点压力，其压缩因子逐渐减小，压缩因子逐渐减小的结果是每一级的气体体积逐渐减小。在临界点附近的CO₂压缩因子达到最小，临界点以上，CO₂的压缩因子又逐渐增大，如图8所示。为准确描述临界点附近CO₂的特性，需要采用合适的状态方程，如Lee-Kesler-Plöcker（LKP）状态方程、Span-Wanger状态方程[23][24]。Span-Wanger状态方程包含变量众多，最多可达51个，对于设计工程师来说应用此状态方程进行工艺模拟计算并不实际，制造商在压缩机设计和选型中，应选择合适的状态方程，确定设计参数，并进行工艺模拟计算。

图8 某10级整体齿轮压缩机压缩因子Zs随压缩机数变化曲线

3.2.2 高压缩比

由于CO₂压缩和注入需要的高压力，CO₂压缩机压缩比很高，接近200:1。由于气态CO₂的可压缩性，在高压缩比情况下，压缩机出口的CO₂体积相比入口将显著减少，1台8级的整体齿轮式CO₂压缩机末级CO₂体积不到入口体积的1%。CO₂体积的减小，导致流道面积和出口蜗壳尺寸也要减小，叶轮直径将相应减小，此时的也轮厚度仅有1-2mm，如此薄的叶轮和流道蜗壳加工难度很大，而且需要特殊设计，保证摩阻损失以及马赫数在允许范围内[25]。

除了CO₂的压缩性，CO₂的密度较大，这也是经过逐级压缩后体积减小的一个因素，尽管密度较高可以使压缩机压缩比达到很高，压缩机级数和能耗可以得到很好控制，但是高密度会对压缩机的转子动力学性能产生重要影响，进而影响压缩机的稳定运行范围，CO₂压缩机比其他轻质气体压缩机的稳定运行范围窄，因此CO₂整体齿轮式压缩机在选用时需要重点关注压缩机制造商提供的性能曲线与调节比。

3.2.3 转子系统耦合动力学分析

整体齿轮式压缩机机组内部存在多个平行转子系统，即齿轮耦合的轴承转子系统，该系统是整体齿轮式压缩机的核心部分，其动力学特性复杂，直接反映压缩机组的动力学特性，对整体齿轮压缩机的转子系统耦合动力学分析格外重要。

与单轴式压缩机一样，整体齿轮式压缩机的转子动力学分析需要考虑的因素包括无阻尼临界转速，阻尼固有值分析，侧向不平衡反应及扭转振动等。同时，对于整体齿轮式压缩机，在齿轮啮合处会产生相当大的刚度负荷，各齿轮间存在耦合关系，且每级轴承特性随着压缩机负荷的不同而各异[26]。因此，相较于单轴式离心压缩机的转子轴承系统，对于整体齿轮式压缩机的转子轴承系统分析非常困难，是整体齿轮式压缩机制造的关键技术[27]。尽管API 672标准允许对单个齿轮按照非耦合单元进行评估，对单个齿轮轴的固有频率和不平衡响应进行分析，但是齿轮-转子-轴承系统动力学特性与单轴转子相比有很大差异，加之CO₂压缩机需要更高转速和更高效率，把整体齿轮压缩机的齿轮系统作为耦合系统来进行动力学特性分析十分必要[28]。

图9 5轴齿轮转子系统示意图

国内外针对整体齿轮压缩机齿轮-转子-轴承系统耦合动力学的研究较为广泛，常用有限元方法（Finite Element Method）计算耦合转子系统固有频率、耦合振型及不平衡响应等，对转子系统进行数值模拟分析[29]。此外还需考虑齿轮和轴承的参数、外部扭矩以及负荷对耦合转子系统动力学特性的影响^[27]。

为保证整体齿轮压缩机的平稳可靠运行，更真实准确地模拟耦合系统动力学特性，也需要丰富的压缩机组的振动测量数据等现场资料，并以此促进整体齿轮式压缩机制造的水平。

3.2.4 机械密封选用

对于单轴离心压缩机，不管级数多少，只需要配置两个密封；而对于整体齿轮式压缩机每级都需要配备密封，密封数量的增加不仅使制造成本增加，对密封的可靠运行也带来风险。同时由于CO₂在临界状态下粘度低润滑性能差，在CO₂捕捉工艺中CO₂气体中夹带的杂质，都对CO₂压缩机机械密封带来一定难度。

整体齿轮式压缩机可配置多种机械密封，为保证CO₂的泄露量最小，CO₂压缩机用机械密封的首选是干气密封，如图10所示。高压CO₂压缩机用干气密封常采用串联布置，由内外两级密封组成，也可采用单机密封或双机械密封。由于整体齿轮式压缩机叶轮布置为悬臂式，设置串联密封时，会使悬臂的长度增加，进而对轴的转子动力学性能带来不利影响。因此在整体齿轮式压缩机中，选用单级或是串联密封或双密封，需经过详细对比。

图10 整体齿轮式压缩机截面图

在选用双密封时，缓冲气可采用CO₂，由于高压CO₂泄露至两个密封间的密封间隙时会因为焦汤效应产生结冰，所以需对缓冲气进行加热[30]。

机械密封的选材同样值得关注。串联密封中，一次密封和配对密封圈的材料，可以选择碳化硅，碳化硅的杨氏模量高以及热传导率低，非常适合于干气密封场合。由于高压力以及超临界状态下CO₂的强溶解能力，抑制密封的密封圈不能选择弹性体，抑制密封中所有与CO₂接触的密封圈，应使用PTFE（PolyTetraFluoroEthylene，聚四氟乙烯）作为基材的材料[31]。

3.2.5 级间冷却器的设计与配置

如4.1.2所述，整体齿轮式压缩机可设置级间冷却器实现节能降耗的目的，但与此同时由于换热器的引入，增加了CO₂气流的压降，产生部分能量损失，同时需要为冷却媒介提供动能，因此在整体齿轮式CO₂压缩机在设置级间冷却器的时候，应综合考虑以实现最优化。因此正确选择换热面积及换热器结构，以及冷却器的数量配置，是减小整体齿轮式CO₂压缩机压缩过程能耗的关键，这一过程往往需要结合具体采用的CO₂捕捉工艺来进行综合求解。

Luis M. Romeo等人将CO₂压缩的级间冷却器与蒸汽循环中的低压换热器进行整合设计，将经压缩后CO₂的热量对蒸汽循环中的水进行预热，实现热量回收[32]；Sebastian Rulik等人以一台8级整体齿轮式CO₂压缩机为例，验证了在使用翅片式级间冷却器时，可大大减少换热器尺寸，器分析成果可用来确定CO₂压缩机级间冷却器的传热系数及尺寸，为最优冷却系统的研发提供参考[33]。

1999年北美建设的某CO₂管道采用的8级整体齿轮式压缩机将CO₂压缩至187bar后进行输送，经过计算和方案比选后，选用的是强制换热空冷器，第一级到第六级每级间设置空冷器，第七级出口不设空冷器，最后一级出口处再设置空冷器，实现了最佳节能效果[34]。

3.2.6 工厂性能测试

压缩机出厂前应进行工厂测试。压缩机热力学性能测试的主流标准是ASME PTC 10（Performance Test Code on Compressors and Exhausters），该标准中的测试方法经过众多实例验证，精度很高；但是在高压工况下，特别是气体组分中CO₂含量高时，该标准对于性能参数如多变能头及效率等的预测存在精度不足的缺陷[35]。CO₂用整体齿轮式压缩机在工厂测试中应使用CO₂作为介质，测试按照ASME PTC 10标准进行，其中多变指数的计算需要采用一定的修正方法，才能保证对压缩机性能预测的准确性[36]。

图11 工厂测试中的整体齿轮式压缩机

但有时采用CO₂进行测试会带来成本增加和工期延长，特殊情况下也可使用空气代替CO₂进行测试，由于空气密度低于CO₂，使用空气测试时压缩机需更高的转速，这要求压缩机应按照高转速进行设计，并增加转动部件的受力，这是高转速下进行测试的风险所在[37]。Roger Nyquist等人在对一LNG用八级整体齿轮式压缩机进行性能测试时采用空气为介质，测试在设计转速下进行，并对压缩系数进行修正，与现场采用CO₂进行性能测试结果较接近[38]。但这种修正仍需要足够的采用不同介质进行实验的数据来进行验证。

4.  总结

CCS作为控制温室气体排放的有效手段其应用越来越广。CCS项目中CO₂的压缩和注入需要压缩机来提供压力。近年来整体齿轮式压缩机在CCS中的应用日益广泛并受到越来越多关注。整体齿轮式压缩机相比于往复压缩机和单轴离心压缩机有效率高，节省投资及能耗，性能调节灵活等优势，使其在CO₂的压缩和注入中非常适用，并已成功应用与多个CCS项目。但由于CO₂的特殊物性、CO₂压缩和注入中需要的超高压力以及整体齿轮式压缩机的特殊结构，使整体齿轮式压缩机在CCS应用中面临诸多挑战。文章对这些面临的挑战进行了分析，介绍了应对这些挑战中采用的关键技术，这些技术的应用使得整体齿轮式压缩机可以满足CCS项目的需求。CO₂用整体齿轮式压缩机组较为复杂，文章难以全面概括，其在CCS中的应用研究也应随着CCS项目的发展而进一步深入。

(注：原文发表于《化工设备与管道》2022年第5期)