0 引言

　　【乐虎集团的官方网站 】集成式nianxiangyuan 其发展起始于20世纪80年代。1990年，MAN公司生产了第一台集成式nianxiangyuan MOPICO （Moter Pipeline Compressor的简写），并投入商业运行，首次将磁悬浮、变频、离心nianxiangyuan 等成熟技术进行有效集成，实现了离心机的超宽范围变频调节，成为nianxiangyuan 技术史上最为节能环保的绿色机型[1-2]。随后，MAN公司于1991年研发出了世界第一台多级集成式nianxiangyuan HOFIMTM standalone（无油，无中间齿轮箱，有轴端密封），并且最终于2000年研发出了世界第一台真正意义上的多级集成式nianxiangyuan HOFIMTM(High speed Oil Free Integrated Motor compressor 的简写)。最初，集成式nianxiangyuan 的应用主要集中于天然气管道和地下储气库，之后不断的向炼油、石化领域拓展。2015年9月，由MAN公司生产的第一台正式投入商业运行的海底nianxiangyuan 在Asgard项目成功运行，标志着集成式nianxiangyuan 发展新时代的到来。

 

　　1 基本结构

　　最初的设计可称之为无油nianxiangyuan ：nianxiangyuan 本体类似于传统的筒式nianxiangyuan ，只是轴承换成了磁悬浮轴承，然后通过联轴器与高速电机直接相连[3]。随后改进为集成式nianxiangyuan ：对电机和nianxiangyuan 缸体实施一体化处理，消除了突出缸外的轴伸端，并取消了干气密封系统，从而大大提高了nianxiangyuan 的可靠性，并且可以保证整机无泄漏。这样的设计保证nianxiangyuan 仅保留了本质上必须保留的部件，如：电机、轴、叶轮、轴承和机壳，并且使得nianxiangyuan 组的占地面积更小，安装调试更方便[4]。图1是集成式nianxiangyuan 的典型示意图，其电机位于中间，nianxiangyuan 高压缸和低压缸分别位于电机的两端，径向和推力轴承均使用了磁悬浮轴承。图2是集成式nianxiangyuan 系统示意图，为变频驱动高速电机，其电机使用工艺气体进行冷却。

 

　　在实际应用中，根据应用场合需要及用户参数的高低，高压缸和/或低压缸可以变为单级悬臂形式（此时取消nianxiangyuan 非驱动端的轴承）；或者仅仅只有单缸nianxiangyuan 的形式（电机单轴伸）。而通过不同的缸和悬臂叶轮的组合，可以适用于不同的压比和流量范围需求，图3表示了不同缸和悬臂叶轮组合及其流量压力应用情况。

　　2 起源及其技术优势

　　集成式nianxiangyuan 最初的目标市场是天然气管道压缩及天然气存储市场，其要求是有灵活的储气能力，高性能，每年有多个周期注气及回收。因此，相应的要求nianxiangyuan 系统有如下属性：

　　●可靠性——最小化非计划停机

　　●可用性——要求极少的计划检修时间

　　●灵活性——广阔的运行范围（流量及压力范围）

　　●响应能力——能够快速响应变化的运行条件

　　●竞争力——低运行周期成本

　　●环境责任——运行时不影响环境也不受环境影响

　　为了满足这些要求必须要开发一个全新的nianxiangyuan 系统，由此，集成式nianxiangyuan 系统应运而生。

　　2.1 可靠性

　　nianxiangyuan 系统的可靠性可以通过减少机组系统组件得到极大的提高。高速电机可以直接驱动nianxiangyuan ，因而不再需要配备增速齿轮箱或调速行星齿轮等中间机构；磁悬浮轴承的使用，消除了转子和定子间的摩擦，因此可以取消润滑油系统；电机和nianxiangyuan 缸体实施一体化密封处理，整个机组就没有伸出缸体的轴伸端，因此无需干气密封（轴端密封）及其配套的干气密封系统。集成式nianxiangyuan 设计减少了机组系统组件及其辅助系统，从而提高了机组的可靠性和安全性。

　　2.2 可用性

　　一个nianxiangyuan 系统能够响应快速变化的市场需求，就要求它有高的可用性。要求它不但可靠，而且要求它在尽量长的时间内维持可靠性，例如，减少计划维修的停机时间。不得不说，最少化系统组件再一次使得可用性得到极大地提高。

　　2.3 灵活性

　　一个运行灵活的nianxiangyuan 必须有广阔的运行范围。对于变转速nianxiangyuan 来说，可以通过增加转速范围来实现。根据API617的要求，转速范围的提升局限于临界转速及其隔离裕度。因此，如果在机组要求的运行范围内无临界转速或临界转速处于临界阻尼状态，转速范围就可以扩大。在nianxiangyuan 使用传统的油润滑轴承情况下，这是不可能实现的，而磁悬浮轴承具有刚度和阻尼的可调、可主动控制的优点[5-6]，因此可以改变阻尼状态并将临界转速临界阻尼，此时不要求隔离裕度，因此可以实现机组连续运行在任何转速。典型的，运行转速可以在30%～105%范围内[7]。另外，如果仔细的配合设计双缸nianxiangyuan 的两个缸的压比和流量，两台nianxiangyuan 可以运行在串联模式或并联模式，则整个nianxiangyuan 系统的运行范围可以得到进一步的扩展。

　　2.4 响应能力

　　传统nianxiangyuan 系统运行需要大量辅助系统的支持并且需要开机、停机准备：如润滑油系统需要有规定的供油温度和压力；干气密封需要有规定压力的外部密封气气源；汽轮机启动需要一个较长时间的启动暖机和停机冷却过程，而集成式nianxiangyuan 无需这些外部辅助系统支持，理论上可做到“瞬时”启动和“瞬时”停机。

　　2.5 竞争力

　　运行过程无需补充润滑油，密封气等公用工程消耗；无泄漏；理论上无零件损耗，维护成本极低；适合于无人值守操作，低人工成本，整个运行周期的运行成本极低。由于集成式nianxiangyuan 的辅助设备极少，因此现场安装调试工作都明显地减少了。[8]

　　2.6 环境责任

　　现如今，对于nianxiangyuan 系统而言一个不断提高的要求就是环境责任，即不影响环境也不受环境影响。

　　集成高速电机的使用减少了使用其它驱动机的各类噪音如燃烧器、速关阀、齿轮箱等的噪音，同时变频驱动的使用提高了部分负荷时的能源利用率，减少了能源的浪费。磁悬浮轴承的使用产生的绝对无油系统有利于环境并减少了相关环境问题如油泄漏和油处理。集成式设计使得nianxiangyuan 没有轴端密封并且没有工艺气体泄漏至火炬或大气。

　　与此同时，低噪音、无油系统和零泄漏使得集成式nianxiangyuan 对环境的适应性大大提高。这些特性也使得海底压缩等特殊环境下的压缩系统需求成为可能。

　　对于环境的影响还和占用环境空间有关。安装空间的减小得益于集成式nianxiangyuan 没有中间齿轮箱，油系统及轴端密封及其仪表架。同时，电机的尺寸也比传统nianxiangyuan 要小[9]。通过比较我们可以发现，相似功率的集成式nianxiangyuan 其占地不到传统nianxiangyuan 的一半，而重量约为传统nianxiangyuan 的三分之二。

 

　　3 技术发展

　　3.1 高速电机：

　　高速电机的难点在于因为高转速产生的问题：如高的转子离心力、转子动力学、平衡精度、高频率电流损失、高转速下的冷却问题等等。基于现有的设计，转子表面线速度已经可以高达240m/s。此时电机转子不再是叠片铁芯，而是完整的实体铁芯。这种设计不但能够忍耐高的离心力，还能在高临界转速情况下保证一个好的转子刚性。

　　相同的条件下，电机的扭矩正比于电机有效直径的平方和有效长度。但是因为转子动力学的限制，电机长度不能无限制的增加，而只能增加直径，因此，即使大直径电机的转速更低，小直径、高转速的电机也不能达到大直径电机的功率。事实上，可达到的电机功率水平随着转速的增加是降低的。现阶段30MW左右的电机转速大约在6,000rpm，而8MW左右的电机转速可达到约14,000rpm。

　　因为高速电机对于集成式nianxiangyuan 的效率和稳定运行非常重要性，现有集成式nianxiangyuan 的制造商如MAN、GE、SIEMENS都能自主生产所需的高速电机。

　　3.2 主动式磁悬浮轴承

　　磁悬浮轴承的优点在于无油及其油系统；转子无接触悬浮因此没有摩擦及其功率损失和因为零件磨损发生的机械维护；更重要的是它是全数字化控制的轴承，它甚至可以根据需要在一定的转速范围内优化轴系的刚度和阻尼系数，而油润滑轴承无法做到这一点。

 

　　现今的磁悬浮轴承控制系统不但能保证自身的安全运行，还能完成机组的状态监测。过去，旋转机械状态监测需要专门的振动监测系统。包括前置器、数采器、数据处理和报警系统等昂贵的软硬件系统。然而，一台已经装置有主动式磁悬浮轴承系统的nianxiangyuan ，有高精度的位置传感器，数字处理和通信系统。位置传感器位于每个轴承处并且可以用于确定轴心轨迹（X-Y方向），而振动数据的处理可以在磁悬浮轴承控制系统完成，因此可以不增加硬件，简单的通过增加计算机软件的功能来完成状态监测。

　　3.3 冷却系统方案

　　集成式nianxiangyuan 的电机和轴承冷却一般采用工艺气体冷却，根据冷却后气体是回到工艺气入口还是冷却后的热气体经过外置冷却器冷却后再作为冷却介质循环可分为开式冷却循环和闭式冷却循环。闭式冷却循环的缺点是需要循环叶轮和外置冷却器，增加了辅助设备，影响了系统可靠性，和集成式nianxiangyuan 的开发初衷是相违背的。

　　对于不清洁、有毒或腐蚀性的应用，电气元件需要特殊处理，或者需要与工艺气体分离。

　　其中的一种方案是使用“罐装”技术[10]，“罐”的主要功能是保护电机绕组不受未经处理的工艺气体的影响。“罐”由集成在固定外壳部件中的圆柱形部件组成，将电机定子和仪表与工艺气体分开，这样就没有任何电气部件暴露于工艺气体中。但是这也意味着定子绕组不能通过工艺气体循环冷却，而需要采用闭环回路中的液体冷却。在此方案中：电机定子使用液体闭环回路冷却，而对旋转部分的冷却使用工艺气体，工艺气体一般从第一级压缩叶轮后取出。然而，“罐”的设计本身就具有挑战性，对于高压应用，特别是在操作和压力条件快速变化的情况下，这种设计可能会非常麻烦。并且，该“罐”将会增加定子和转子之间的间隙，影响电动机的功率因数。同样的也增加了辅助设备，影响了系统可靠性。

　　另一个方案利用工艺气体冷却整个电机（转子和定子）和磁悬浮轴承（AMBs）。虽然此方案包括冷却气体的过滤调节系统，但暴露在外的电缆或绕组需要由一种特殊的材料绝缘，这种材料必须符合工艺气体的组成，毕竟工艺气体中可能含有液体、酸性气体和具有挑战性的微量元素。冷却气体在第一级压缩叶轮后取出，气体通过电机（和磁悬浮轴承）回到nianxiangyuan 入口和工艺气体混合。这将是一个开式冷却系统，不需要循环叶轮。工艺气体直接冷却方案不仅在简化设计和电气性能方面具有明显的优势，而且可以优化热通道，从而明显改善冷却情况和提高电机转矩。在Asgard海底nianxiangyuan 项目中，使用的就是工艺气体直接冷却方案。

　　3.4 联轴器方案

　　使用挠性联轴器，电机和nianxiangyuan 的轴振动基本上是解耦的，部件是转子动力学独立的。在这种情况下，每个（轴）组件需要两个径向磁悬浮轴承。同时，由于柔性联轴器不能承受大的轴向载荷，每个nianxiangyuan 必须有自己的推力轴承。

　　使用刚性联轴器导致一个单一的转子系统，所以必须对整个转子系统进行动力学行为分析。使用这种方式，nianxiangyuan 为直接连接的转子并可以减少一个（单缸nianxiangyuan ）或两个（双缸nianxiangyuan ）径向轴承，并且仅仅需要一个推力轴承。但是，机组在制造和装配过程中需要更多的努力才能正确对中。总之，刚性联轴器在工程设计及制造装配中需要更多的努力，但是它使得多级透平nianxiangyuan 系统非常紧凑。假如一台集成式nianxiangyuan 不同的缸之间是通过挠性联轴器相连，那么整个nianxiangyuan 系统将毫无疑问的变得更大。

　　在联轴器方案上，MAN公司更多的使用无联轴器的方案，电机轴和nianxiangyuan 轴是同一根轴，此方案综合了前两个方案的优点，整个轴系使用更少轴承的同时也不存在联轴器装配找中的问题，装配和维护也更简单，可靠性更高，因此是最优的方案。

　　3.5 海底压缩

　　在海底安装nianxiangyuan 的想法是1985年挪威工程师Kjell olav Stinessen博士首次提出的[11]。他的想法从理念到实现走过了30年的时间；在2015年9月，由MAN公司生产的第一台正式投入商业运行的海底nianxiangyuan 在Asgard项目成功运行。

　　海底压缩要求非常可靠，并需要最少的辅助系统，集成式nianxiangyuan 非常适合于此应用。整个Asgard海底nianxiangyuan 系统的技术方案由相同的两个海底nianxiangyuan 站并联运行组成，另有一个nianxiangyuan 站储存在陆地备用。在每个海底nianxiangyuan 站，井内液气流先经过进口/防喘振冷却模块进行冷却；再经过分离器模块分离成气体和液体；气体经过nianxiangyuan 模块进行压缩；凝析油通过泵模块输送并和压缩后的气体汇合进入同一条输送管道；而气体在汇合前还会经过一个出口冷却器模块冷却[12-15]。图4表示了Asgard项目海底nianxiangyuan 组的流程概要图。

　　4 结论

　　综上所述，集成式nianxiangyuan 结合了高效率离心式nianxiangyuan 、主动式磁悬浮轴承、高速电机和大功率变频器四大技术成果，将nianxiangyuan 、电机、冷却系统集成在同一橇架中，并作为一个整体安装使用。不含润滑油系统、密封系统，使得其可靠性及可用性比起传统的筒式nianxiangyuan 大大提高，并且其运行范围广，响应速度快，运行周期成本低，环境中性，是一款性价比非常高的机型。

　　近些年来，国外各大nianxiangyuan 厂商对集成式nianxiangyuan 加大研发投入，技术进一步革新：高速电机的转速和功率得到进一步扩展，磁悬浮轴承也出现新的应用，电机冷却方式的改进使得nianxiangyuan 系统进一步简化，联轴器结构形式的改进使得机器本体结构进一步简化，机组体积进一步向轻量化发展。海底nianxiangyuan 综合了集成式nianxiangyuan 的所有技术优点，是集成式nianxiangyuan 的最新应用。

 

　　参考文献

　　[1] 刘建臣, 集成式nianxiangyuan 及其在天然气管道的应用, 油气储运, 2011（10）: 721-724.

　　[2] 亓涛, 新型集成式nianxiangyuan 技术, 石油机械，2011（10）:144-145

　　[3] A.M.El-Refaie, Electrical machines for harsh environments, in: The Journal of Engineering, 2018.8181

　　[4] G.Kleynhans, L.Brenne, S.Kibsgaard, P.Dentu, Development and qualification of a subsea compressor, in: Offshore Technology Conference, 2016. Paper Number OTC-27160-MS.

　　[5] 阴宏宇，刘路，王跃方，李健伟，主动磁悬浮轴承在nianxiangyuan 及鼓风机应用的技术进展，风机技术，2019（2）：88-94.

　　[6] 黄文俊，谷传文，孙丽娟，陈启明，磁悬浮高速鼓风机转子临界转速计算与振型分析, 风机技术，2018（5）：65-68.

　　[7] G.Kleynhans, G.Pfrehm, H.Berger, L.Baudelocque, Hermetically Sealed Oil-Free Turbocompressor Technology， Proceedings of the 34th turbomachinery symposium, 2005: 63-76

　　[8] R. Lateb, J. Enon, L. Durantay, High speed, High power electrical induction motor technologies for integrated compressors

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　　[12] S.Micali, C.Abelsson,K.O.Nyborg, Novel Subsea Boosting Solution to Increase IOR, Offshore Technology Conference, 2016. Paper Number OTC-26536-MS.

　　[13] S.Elsabbagh, Unlocking Profitable Production Opportunities Based on Mature Common Field Proven Subsea Control Components, in : Society of petroleum Engineers, 2016. Paper Number SPE-182993-MS

　　[14]N.P.Time, H.Torpe, Subsea Compression Asgard Subsea Commissioning, Start-up and Operational experiences, in : Offshore Technology Conference, 2016. Paper Number OTC-27163-MS.

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