0 引言
【壓縮機網(wǎng)】集成式壓縮機其發(fā)展起始于20世紀80年代。1990年，MAN公司生產(chǎn)了第一臺集成式壓縮機MOPICO （Moter Pipeline Compressor的簡(jiǎn)寫(xiě)），并投入商業(yè)運行，首次將磁懸浮、變頻、離心壓縮機等成熟技術(shù)進(jìn)行有效集成，實(shí)現了離心機的超寬范圍變頻調節，成為壓縮機技術(shù)史上最為節能環(huán)保的綠色機型[1-2]。隨后，MAN公司于1991年研發(fā)出了世界第一臺多級集成式壓縮機HOFIMTM standalone（無(wú)油，無(wú)中間齒輪箱，有軸端密封），并且最終于2000年研發(fā)出了世界第一臺真正意義上的多級集成式壓縮機HOFIMTM(High speed Oil Free Integrated Motor compressor 的簡(jiǎn)寫(xiě))。最初，集成式壓縮機的應用主要集中于天然氣管道和地下儲氣庫，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)的第一臺正式投入商業(yè)運行的海底壓縮機在A(yíng)sgard項目成功運行，標志著(zhù)集成式壓縮機發(fā)展新時(shí)代的到來(lái)。
1 基本結構
最初的設計可稱(chēng)之為無(wú)油壓縮機：壓縮機本體類(lèi)似于傳統的筒式壓縮機，只是軸承換成了磁懸浮軸承，然后通過(guò)聯(lián)軸器與高速電機直接相連[3]。隨后改進(jìn)為集成式壓縮機：對電機和壓縮機缸體實(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，從而大大提高了壓縮機的可靠性，并且可以保證整機無(wú)泄漏。這樣的設計保證壓縮機僅保留了本質(zhì)上必須保留的部件，如：電機、軸、葉輪、軸承和機殼，并且使得壓縮機組的占地面積更小，安裝調試更方便[4]。圖1是集成式壓縮機的典型示意圖，其電機位于中間，壓縮機高壓缸和低壓缸分別位于電機的兩端，徑向和推力軸承均使用了磁懸浮軸承。圖2是集成式壓縮機系統示意圖，為變頻驅動(dòng)高速電機，其電機使用工藝氣體進(jìn)行冷卻。
在實(shí)際應用中，根據應用場(chǎng)合需要及用戶(hù)參數的高低，高壓缸和/或低壓缸可以變?yōu)閱渭墤冶坌问剑ù藭r(shí)取消壓縮機非驅動(dòng)端的軸承）；或者僅僅只有單缸壓縮機的形式（電機單軸伸）。而通過(guò)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用情況。
2 起源及其技術(shù)優(yōu)勢
集成式壓縮機最初的目標市場(chǎng)是天然氣管道壓縮及天然氣存儲市場(chǎng)，其要求是有靈活的儲氣能力，高性能，每年有多個(gè)周期注氣及回收。因此，相應的要求壓縮機系統有如下屬性：
●可靠性——最小化非計劃停機
●可用性——要求極少的計劃檢修時(shí)間
●靈活性——廣闊的運行范圍（流量及壓力范圍）
●響應能力——能夠快速響應變化的運行條件
●競爭力——低運行周期成本
●環(huán)境責任——運行時(shí)不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響
為了滿(mǎn)足這些要求必須要開(kāi)發(fā)一個(gè)全新的壓縮機系統，由此，集成式壓縮機系統應運而生。
2.1 可靠性
壓縮機系統的可靠性可以通過(guò)減少機組系統組件得到極大的提高。高速電機可以直接驅動(dòng)壓縮機，因而不再需要配備增速齒輪箱或調速行星齒輪等中間機構；磁懸浮軸承的使用，消除了轉子和定子間的摩擦，因此可以取消潤滑油系統；電機和壓縮機缸體實(shí)施一體化密封處理，整個(gè)機組就沒(méi)有伸出缸體的軸伸端，因此無(wú)需干氣密封（軸端密封）及其配套的干氣密封系統。集成式壓縮機設計減少了機組系統組件及其輔助系統，從而提高了機組的可靠性和安全性。
2.2 可用性
一個(gè)壓縮機系統能夠響應快速變化的市場(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(cháng)的時(shí)間內維持可靠性，例如，減少計劃維修的停機時(shí)間。不得不說(shuō)，最少化系統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)運行靈活的壓縮機必須有廣闊的運行范圍。對于變轉速壓縮機來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增加轉速范圍來(lái)實(shí)現。根據API617的要求，轉速范圍的提升局限于臨界轉速及其隔離裕度。因此，如果在機組要求的運行范圍內無(wú)臨界轉速或臨界轉速處于臨界阻尼狀態(tài)，轉速范圍就可以擴大。在壓縮機使用傳統的油潤滑軸承情況下，這是不可能實(shí)現的，而磁懸浮軸承具有剛度和阻尼的可調、可主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，因此可以改變阻尼狀態(tài)并將臨界轉速臨界阻尼，此時(shí)不要求隔離裕度，因此可以實(shí)現機組連續運行在任何轉速。典型的，運行轉速可以在30%～105%范圍內[7]。另外，如果仔細的配合設計雙缸壓縮機的兩個(gè)缸的壓比和流量，兩臺壓縮機可以運行在串聯(lián)模式或并聯(lián)模式，則整個(gè)壓縮機系統的運行范圍可以得到進(jìn)一步的擴展。
2.4 響應能力
傳統壓縮機系統運行需要大量輔助系統的支持并且需要開(kāi)機、停機準備：如潤滑油系統需要有規定的供油溫度和壓力；干氣密封需要有規定壓力的外部密封氣氣源；汽輪機啟動(dòng)需要一個(gè)較長(cháng)時(shí)間的啟動(dòng)暖機和停機冷卻過(guò)程，而集成式壓縮機無(wú)需這些外部輔助系統支持，理論上可做到“瞬時(shí)”啟動(dòng)和“瞬時(shí)”停機。
2.5 競爭力
運行過(guò)程無(wú)需補充潤滑油，密封氣等公用工程消耗；無(wú)泄漏；理論上無(wú)零件損耗，維護成本極低；適合于無(wú)人值守操作，低人工成本，整個(gè)運行周期的運行成本極低。由于集成式壓縮機的輔助設備極少，因此現場(chǎng)安裝調試工作都明顯地減少了。[8]
2.6 環(huán)境責任
現如今，對于壓縮機系統而言一個(gè)不斷提高的要求就是環(huán)境責任，即不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響。
集成高速電機的使用減少了使用其它驅動(dòng)機的各類(lèi)噪音如燃燒器、速關(guān)閥、齒輪箱等的噪音，同時(shí)變頻驅動(dòng)的使用提高了部分負荷時(shí)的能源利用率，減少了能源的浪費。磁懸浮軸承的使用產(chǎn)生的絕對無(wú)油系統有利于環(huán)境并減少了相關(guān)環(huán)境問(wèn)題如油泄漏和油處理。集成式設計使得壓縮機沒(méi)有軸端密封并且沒(méi)有工藝氣體泄漏至火炬或大氣。
與此同時(shí)，低噪音、無(wú)油系統和零泄漏使得集成式壓縮機對環(huán)境的適應性大大提高。這些特性也使得海底壓縮等特殊環(huán)境下的壓縮系統需求成為可能。
對于環(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沒(méi)有中間齒輪箱，油系統及軸端密封及其儀表架。同時(shí)，電機的尺寸也比傳統壓縮機要小[9]。通過(guò)比較我們可以發(fā)現，相似功率的集成式壓縮機其占地不到傳統壓縮機的一半，而重量約為傳統壓縮機的三分之二。
3 技術(shù)發(fā)展
3.1 高速電機：
高速電機的難點(diǎn)在于因為高轉速產(chǎn)生的問(wèn)題：如高的轉子離心力、轉子動(dòng)力學(xué)、平衡精度、高頻率電流損失、高轉速下的冷卻問(wèn)題等等?；诂F有的設計，轉子表面線(xiàn)速度已經(jīng)可以高達240m/s。此時(shí)電機轉子不再是疊片鐵芯，而是完整的實(shí)體鐵芯。這種設計不但能夠忍耐高的離心力，還能在高臨界轉速情況下保證一個(gè)好的轉子剛性。
相同的條件下，電機的扭矩正比于電機有效直徑的平方和有效長(cháng)度。但是因為轉子動(dòng)力學(xué)的限制，電機長(cháng)度不能無(wú)限制的增加，而只能增加直徑，因此，即使大直徑電機的轉速更低，小直徑、高轉速的電機也不能達到大直徑電機的功率。事實(shí)上，可達到的電機功率水平隨著(zhù)轉速的增加是降低的?，F階段30MW左右的電機轉速大約在6,000rpm，而8MW左右的電機轉速可達到約14,000rpm。
因為高速電機對于集成式壓縮機的效率和穩定運行非常重要性，現有集成式壓縮機的制造商如MAN、GE、SIEMENS都能自主生產(chǎn)所需的高速電機。
3.2 主動(dòng)式磁懸浮軸承
磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)油及其油系統；轉子無(wú)接觸懸浮因此沒(méi)有摩擦及其功率損失和因為零件磨損發(fā)生的機械維護；更重要的是它是全數字化控制的軸承，它甚至可以根據需要在一定的轉速范圍內優(yōu)化軸系的剛度和阻尼系數，而油潤滑軸承無(wú)法做到這一點(diǎn)。
現今的磁懸浮軸承控制系統不但能保證自身的安全運行，還能完成機組的狀態(tài)監測。過(guò)去，旋轉機械狀態(tài)監測需要專(zhuān)門(mén)的振動(dòng)監測系統。包括前置器、數采器、數據處理和報警系統等昂貴的軟硬件系統。然而，一臺已經(jīng)裝置有主動(dòng)式磁懸浮軸承系統的壓縮機，有高精度的位置傳感器，數字處理和通信系統。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)數據的處理可以在磁懸浮軸承控制系統完成，因此可以不增加硬件，簡(jiǎn)單的通過(guò)增加計算機軟件的功能來(lái)完成狀態(tài)監測。
3.3 冷卻系統方案
集成式壓縮機的電機和軸承冷卻一般采用工藝氣體冷卻，根據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(guò)外置冷卻器冷卻后再作為冷卻介質(zhì)循環(huán)可分為開(kāi)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，增加了輔助設備，影響了系統可靠性，和集成式壓縮機的開(kāi)發(fā)初衷是相違背的。
對于不清潔、有毒或腐蝕性的應用，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”的主要功能是保護電機繞組不受未經(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，將電機定子和儀表與工藝氣體分開(kāi)，這樣就沒(méi)有任何電氣部件暴露于工藝氣體中。但是這也意味著(zhù)定子繞組不能通過(guò)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：電機定子使用液體閉環(huán)回路冷卻，而對旋轉部分的冷卻使用工藝氣體，工藝氣體一般從第一級壓縮葉輪后取出。然而，“罐”的設計本身就具有挑戰性，對于高壓應用，特別是在操作和壓力條件快速變化的情況下，這種設計可能會(huì )非常麻煩。并且，該“罐”將會(huì )增加定子和轉子之間的間隙，影響電動(dòng)機的功率因數。同樣的也增加了輔助設備，影響了系統可靠性。
另一個(gè)方案利用工藝氣體冷卻整個(gè)電機（轉子和定子）和磁懸浮軸承（AMBs）。雖然此方案包括冷卻氣體的過(guò)濾調節系統，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性的微量元素。冷卻氣體在第一級壓縮葉輪后取出，氣體通過(guò)電機（和磁懸浮軸承）回到壓縮機入口和工藝氣體混合。這將是一個(gè)開(kāi)式冷卻系統，不需要循環(huán)葉輪。工藝氣體直接冷卻方案不僅在簡(jiǎn)化設計和電氣性能方面具有明顯的優(yōu)勢，而且可以?xún)?yōu)化熱通道，從而明顯改善冷卻情況和提高電機轉矩。在A(yíng)sgard海底壓縮機項目中，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，電機和壓縮機的軸振動(dòng)基本上是解耦的，部件是轉子動(dòng)力學(xué)獨立的。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)壓縮機必須有自己的推力軸承。
使用剛性聯(lián)軸器導致一個(gè)單一的轉子系統，所以必須對整個(gè)轉子系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為分析。使用這種方式，壓縮機為直接連接的轉子并可以減少一個(gè)（單缸壓縮機）或兩個(gè)（雙缸壓縮機）徑向軸承，并且僅僅需要一個(gè)推力軸承。但是，機組在制造和裝配過(guò)程中需要更多的努力才能正確對中?？傊?，剛性聯(lián)軸器在工程設計及制造裝配中需要更多的努力，但是它使得多級透平壓縮機系統非常緊湊。假如一臺集成式壓縮機不同的缸之間是通過(guò)撓性聯(lián)軸器相連，那么整個(gè)壓縮機系統將毫無(wú)疑問(wèn)的變得更大。
在聯(lián)軸器方案上，MAN公司更多的使用無(wú)聯(lián)軸器的方案，電機軸和壓縮機軸是同一根軸，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(wèn)題，裝配和維護也更簡(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)現走過(guò)了30年的時(shí)間；在2015年9月，由MAN公司生產(chǎn)的第一臺正式投入商業(yè)運行的海底壓縮機在A(yíng)sgard項目成功運行。
海底壓縮要求非?？煽?，并需要最少的輔助系統，集成式壓縮機非常適合于此應用。整個(gè)Asgard海底壓縮機系統的技術(shù)方案由相同的兩個(gè)海底壓縮機站并聯(lián)運行組成，另有一個(gè)壓縮機站儲存在陸地備用。在每個(gè)海底壓縮機站，井內液氣流先經(jīng)過(guò)進(jìn)口/防喘振冷卻模塊進(jìn)行冷卻；再經(jīng)過(guò)分離器模塊分離成氣體和液體；氣體經(jīng)過(guò)壓縮機模塊進(jìn)行壓縮；凝析油通過(guò)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(guò)一個(gè)出口冷卻器模塊冷卻[12-15]。圖4表示了Asgard項目海底壓縮機組的流程概要圖。
4 結論
綜上所述，集成式壓縮機結合了高效率離心式壓縮機、主動(dòng)式磁懸浮軸承、高速電機和大功率變頻器四大技術(shù)成果，將壓縮機、電機、冷卻系統集成在同一橇架中，并作為一個(gè)整體安裝使用。不含潤滑油系統、密封系統，使得其可靠性及可用性比起傳統的筒式壓縮機大大提高，并且其運行范圍廣，響應速度快，運行周期成本低，環(huán)境中性，是一款性?xún)r(jià)比非常高的機型。
近些年來(lái)，國外各大壓縮機廠(chǎng)商對集成式壓縮機加大研發(fā)投入，技術(shù)進(jìn)一步革新：高速電機的轉速和功率得到進(jìn)一步擴展，磁懸浮軸承也出現新的應用，電機冷卻方式的改進(jìn)使得壓縮機系統進(jìn)一步簡(jiǎn)化，聯(lián)軸器結構形式的改進(jìn)使得機器本體結構進(jìn)一步簡(jiǎn)化，機組體積進(jìn)一步向輕量化發(fā)展。海底壓縮機綜合了集成式壓縮機的所有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是集成式壓縮機的最新應用。
參考文獻
[1] 劉建臣, 集成式壓縮機及其在天然氣管道的應用, 油氣儲運, 2011（10）: 721-724.
[2] 亓濤, 新型集成式壓縮機技術(shù), 石油機械，2011（10）:144-145
[3] A.M.El-Refaie, Electrical machines for harsh environments, in: The Journal of Engineering, 2018.8181
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[7] G.Kleynhans, G.Pfrehm, H.Berger, L.Baudelocque, Hermetically Sealed Oil-Free Turbocompressor Technology， Proceedings of the 34th turbomachinery symposium, 2005: 63-76
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[11] N.Smith, L.A.Tonnessen, U.Baumann, H.Miller, T.Allison, Novel Machinery.Chapter 15: 543-567
[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.
[15] T.Vintersto, B.Birkeland, R.Ramberg, S.Davies, P.E.Hedne, Subsea Compression Project Overview, in: Offshore Technology Conference, 2016. Paper Number OTC-27172-MS.
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【壓縮機網(wǎng)】集成式壓縮機其發(fā)展起始于20世紀80年代。1990年，MAN公司生產(chǎn)了第一臺集成式壓縮機MOPICO （Moter Pipeline Compressor的簡(jiǎn)寫(xiě)），并投入商業(yè)運行，首次將磁懸浮、變頻、離心壓縮機等成熟技術(shù)進(jìn)行有效集成，實(shí)現了離心機的超寬范圍變頻調節，成為壓縮機技術(shù)史上最為節能環(huán)保的綠色機型[1-2]。隨后，MAN公司于1991年研發(fā)出了世界第一臺多級集成式壓縮機HOFIMTM standalone（無(wú)油，無(wú)中間齒輪箱，有軸端密封），并且最終于2000年研發(fā)出了世界第一臺真正意義上的多級集成式壓縮機HOFIMTM(High speed Oil Free Integrated Motor compressor 的簡(jiǎn)寫(xiě))。最初，集成式壓縮機的應用主要集中于天然氣管道和地下儲氣庫，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)的第一臺正式投入商業(yè)運行的海底壓縮機在A(yíng)sgard項目成功運行，標志著(zhù)集成式壓縮機發(fā)展新時(shí)代的到來(lái)。
1 基本結構
最初的設計可稱(chēng)之為無(wú)油壓縮機：壓縮機本體類(lèi)似于傳統的筒式壓縮機，只是軸承換成了磁懸浮軸承，然后通過(guò)聯(lián)軸器與高速電機直接相連[3]。隨后改進(jìn)為集成式壓縮機：對電機和壓縮機缸體實(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，從而大大提高了壓縮機的可靠性，并且可以保證整機無(wú)泄漏。這樣的設計保證壓縮機僅保留了本質(zhì)上必須保留的部件，如：電機、軸、葉輪、軸承和機殼，并且使得壓縮機組的占地面積更小，安裝調試更方便[4]。圖1是集成式壓縮機的典型示意圖，其電機位于中間，壓縮機高壓缸和低壓缸分別位于電機的兩端，徑向和推力軸承均使用了磁懸浮軸承。圖2是集成式壓縮機系統示意圖，為變頻驅動(dòng)高速電機，其電機使用工藝氣體進(jìn)行冷卻。
在實(shí)際應用中，根據應用場(chǎng)合需要及用戶(hù)參數的高低，高壓缸和/或低壓缸可以變?yōu)閱渭墤冶坌问剑ù藭r(shí)取消壓縮機非驅動(dòng)端的軸承）；或者僅僅只有單缸壓縮機的形式（電機單軸伸）。而通過(guò)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用情況。
2 起源及其技術(shù)優(yōu)勢
集成式壓縮機最初的目標市場(chǎng)是天然氣管道壓縮及天然氣存儲市場(chǎng)，其要求是有靈活的儲氣能力，高性能，每年有多個(gè)周期注氣及回收。因此，相應的要求壓縮機系統有如下屬性：
●可靠性——最小化非計劃停機
●可用性——要求極少的計劃檢修時(shí)間
●靈活性——廣闊的運行范圍（流量及壓力范圍）
●響應能力——能夠快速響應變化的運行條件
●競爭力——低運行周期成本
●環(huán)境責任——運行時(shí)不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響
為了滿(mǎn)足這些要求必須要開(kāi)發(fā)一個(gè)全新的壓縮機系統，由此，集成式壓縮機系統應運而生。
2.1 可靠性
壓縮機系統的可靠性可以通過(guò)減少機組系統組件得到極大的提高。高速電機可以直接驅動(dòng)壓縮機，因而不再需要配備增速齒輪箱或調速行星齒輪等中間機構；磁懸浮軸承的使用，消除了轉子和定子間的摩擦，因此可以取消潤滑油系統；電機和壓縮機缸體實(shí)施一體化密封處理，整個(gè)機組就沒(méi)有伸出缸體的軸伸端，因此無(wú)需干氣密封（軸端密封）及其配套的干氣密封系統。集成式壓縮機設計減少了機組系統組件及其輔助系統，從而提高了機組的可靠性和安全性。
2.2 可用性
一個(gè)壓縮機系統能夠響應快速變化的市場(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(cháng)的時(shí)間內維持可靠性，例如，減少計劃維修的停機時(shí)間。不得不說(shuō)，最少化系統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)運行靈活的壓縮機必須有廣闊的運行范圍。對于變轉速壓縮機來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增加轉速范圍來(lái)實(shí)現。根據API617的要求，轉速范圍的提升局限于臨界轉速及其隔離裕度。因此，如果在機組要求的運行范圍內無(wú)臨界轉速或臨界轉速處于臨界阻尼狀態(tài)，轉速范圍就可以擴大。在壓縮機使用傳統的油潤滑軸承情況下，這是不可能實(shí)現的，而磁懸浮軸承具有剛度和阻尼的可調、可主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，因此可以改變阻尼狀態(tài)并將臨界轉速臨界阻尼，此時(shí)不要求隔離裕度，因此可以實(shí)現機組連續運行在任何轉速。典型的，運行轉速可以在30%～105%范圍內[7]。另外，如果仔細的配合設計雙缸壓縮機的兩個(gè)缸的壓比和流量，兩臺壓縮機可以運行在串聯(lián)模式或并聯(lián)模式，則整個(gè)壓縮機系統的運行范圍可以得到進(jìn)一步的擴展。
2.4 響應能力
傳統壓縮機系統運行需要大量輔助系統的支持并且需要開(kāi)機、停機準備：如潤滑油系統需要有規定的供油溫度和壓力；干氣密封需要有規定壓力的外部密封氣氣源；汽輪機啟動(dòng)需要一個(gè)較長(cháng)時(shí)間的啟動(dòng)暖機和停機冷卻過(guò)程，而集成式壓縮機無(wú)需這些外部輔助系統支持，理論上可做到“瞬時(shí)”啟動(dòng)和“瞬時(shí)”停機。
2.5 競爭力
運行過(guò)程無(wú)需補充潤滑油，密封氣等公用工程消耗；無(wú)泄漏；理論上無(wú)零件損耗，維護成本極低；適合于無(wú)人值守操作，低人工成本，整個(gè)運行周期的運行成本極低。由于集成式壓縮機的輔助設備極少，因此現場(chǎng)安裝調試工作都明顯地減少了。[8]
2.6 環(huán)境責任
現如今，對于壓縮機系統而言一個(gè)不斷提高的要求就是環(huán)境責任，即不影響環(huán)境也不受環(huán)境影響。
集成高速電機的使用減少了使用其它驅動(dòng)機的各類(lèi)噪音如燃燒器、速關(guān)閥、齒輪箱等的噪音，同時(shí)變頻驅動(dòng)的使用提高了部分負荷時(shí)的能源利用率，減少了能源的浪費。磁懸浮軸承的使用產(chǎn)生的絕對無(wú)油系統有利于環(huán)境并減少了相關(guān)環(huán)境問(wèn)題如油泄漏和油處理。集成式設計使得壓縮機沒(méi)有軸端密封并且沒(méi)有工藝氣體泄漏至火炬或大氣。
與此同時(shí)，低噪音、無(wú)油系統和零泄漏使得集成式壓縮機對環(huán)境的適應性大大提高。這些特性也使得海底壓縮等特殊環(huán)境下的壓縮系統需求成為可能。
對于環(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沒(méi)有中間齒輪箱，油系統及軸端密封及其儀表架。同時(shí)，電機的尺寸也比傳統壓縮機要小[9]。通過(guò)比較我們可以發(fā)現，相似功率的集成式壓縮機其占地不到傳統壓縮機的一半，而重量約為傳統壓縮機的三分之二。
3 技術(shù)發(fā)展
3.1 高速電機：
高速電機的難點(diǎn)在于因為高轉速產(chǎn)生的問(wèn)題：如高的轉子離心力、轉子動(dòng)力學(xué)、平衡精度、高頻率電流損失、高轉速下的冷卻問(wèn)題等等?；诂F有的設計，轉子表面線(xiàn)速度已經(jīng)可以高達240m/s。此時(shí)電機轉子不再是疊片鐵芯，而是完整的實(shí)體鐵芯。這種設計不但能夠忍耐高的離心力，還能在高臨界轉速情況下保證一個(gè)好的轉子剛性。
相同的條件下，電機的扭矩正比于電機有效直徑的平方和有效長(cháng)度。但是因為轉子動(dòng)力學(xué)的限制，電機長(cháng)度不能無(wú)限制的增加，而只能增加直徑，因此，即使大直徑電機的轉速更低，小直徑、高轉速的電機也不能達到大直徑電機的功率。事實(shí)上，可達到的電機功率水平隨著(zhù)轉速的增加是降低的?，F階段30MW左右的電機轉速大約在6,000rpm，而8MW左右的電機轉速可達到約14,000rpm。
因為高速電機對于集成式壓縮機的效率和穩定運行非常重要性，現有集成式壓縮機的制造商如MAN、GE、SIEMENS都能自主生產(chǎn)所需的高速電機。
3.2 主動(dòng)式磁懸浮軸承
磁懸浮軸承的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)油及其油系統；轉子無(wú)接觸懸浮因此沒(méi)有摩擦及其功率損失和因為零件磨損發(fā)生的機械維護；更重要的是它是全數字化控制的軸承，它甚至可以根據需要在一定的轉速范圍內優(yōu)化軸系的剛度和阻尼系數，而油潤滑軸承無(wú)法做到這一點(diǎn)。
現今的磁懸浮軸承控制系統不但能保證自身的安全運行，還能完成機組的狀態(tài)監測。過(guò)去，旋轉機械狀態(tài)監測需要專(zhuān)門(mén)的振動(dòng)監測系統。包括前置器、數采器、數據處理和報警系統等昂貴的軟硬件系統。然而，一臺已經(jīng)裝置有主動(dòng)式磁懸浮軸承系統的壓縮機，有高精度的位置傳感器，數字處理和通信系統。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)數據的處理可以在磁懸浮軸承控制系統完成，因此可以不增加硬件，簡(jiǎn)單的通過(guò)增加計算機軟件的功能來(lái)完成狀態(tài)監測。
3.3 冷卻系統方案
集成式壓縮機的電機和軸承冷卻一般采用工藝氣體冷卻，根據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(guò)外置冷卻器冷卻后再作為冷卻介質(zhì)循環(huán)可分為開(kāi)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，增加了輔助設備，影響了系統可靠性，和集成式壓縮機的開(kāi)發(fā)初衷是相違背的。
對于不清潔、有毒或腐蝕性的應用，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”的主要功能是保護電機繞組不受未經(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，將電機定子和儀表與工藝氣體分開(kāi)，這樣就沒(méi)有任何電氣部件暴露于工藝氣體中。但是這也意味著(zhù)定子繞組不能通過(guò)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：電機定子使用液體閉環(huán)回路冷卻，而對旋轉部分的冷卻使用工藝氣體，工藝氣體一般從第一級壓縮葉輪后取出。然而，“罐”的設計本身就具有挑戰性，對于高壓應用，特別是在操作和壓力條件快速變化的情況下，這種設計可能會(huì )非常麻煩。并且，該“罐”將會(huì )增加定子和轉子之間的間隙，影響電動(dòng)機的功率因數。同樣的也增加了輔助設備，影響了系統可靠性。
另一個(gè)方案利用工藝氣體冷卻整個(gè)電機（轉子和定子）和磁懸浮軸承（AMBs）。雖然此方案包括冷卻氣體的過(guò)濾調節系統，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性的微量元素。冷卻氣體在第一級壓縮葉輪后取出，氣體通過(guò)電機（和磁懸浮軸承）回到壓縮機入口和工藝氣體混合。這將是一個(gè)開(kāi)式冷卻系統，不需要循環(huán)葉輪。工藝氣體直接冷卻方案不僅在簡(jiǎn)化設計和電氣性能方面具有明顯的優(yōu)勢，而且可以?xún)?yōu)化熱通道，從而明顯改善冷卻情況和提高電機轉矩。在A(yíng)sgard海底壓縮機項目中，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，電機和壓縮機的軸振動(dòng)基本上是解耦的，部件是轉子動(dòng)力學(xué)獨立的。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)壓縮機必須有自己的推力軸承。
使用剛性聯(lián)軸器導致一個(gè)單一的轉子系統，所以必須對整個(gè)轉子系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為分析。使用這種方式，壓縮機為直接連接的轉子并可以減少一個(gè)（單缸壓縮機）或兩個(gè)（雙缸壓縮機）徑向軸承，并且僅僅需要一個(gè)推力軸承。但是，機組在制造和裝配過(guò)程中需要更多的努力才能正確對中?？傊?，剛性聯(lián)軸器在工程設計及制造裝配中需要更多的努力，但是它使得多級透平壓縮機系統非常緊湊。假如一臺集成式壓縮機不同的缸之間是通過(guò)撓性聯(lián)軸器相連，那么整個(gè)壓縮機系統將毫無(wú)疑問(wèn)的變得更大。
在聯(lián)軸器方案上，MAN公司更多的使用無(wú)聯(lián)軸器的方案，電機軸和壓縮機軸是同一根軸，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(wèn)題，裝配和維護也更簡(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)現走過(guò)了30年的時(shí)間；在2015年9月，由MAN公司生產(chǎn)的第一臺正式投入商業(yè)運行的海底壓縮機在A(yíng)sgard項目成功運行。
海底壓縮要求非?？煽?，并需要最少的輔助系統，集成式壓縮機非常適合于此應用。整個(gè)Asgard海底壓縮機系統的技術(shù)方案由相同的兩個(gè)海底壓縮機站并聯(lián)運行組成，另有一個(gè)壓縮機站儲存在陸地備用。在每個(gè)海底壓縮機站，井內液氣流先經(jīng)過(guò)進(jìn)口/防喘振冷卻模塊進(jìn)行冷卻；再經(jīng)過(guò)分離器模塊分離成氣體和液體；氣體經(jīng)過(guò)壓縮機模塊進(jìn)行壓縮；凝析油通過(guò)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(guò)一個(gè)出口冷卻器模塊冷卻[12-15]。圖4表示了Asgard項目海底壓縮機組的流程概要圖。
4 結論
綜上所述，集成式壓縮機結合了高效率離心式壓縮機、主動(dòng)式磁懸浮軸承、高速電機和大功率變頻器四大技術(shù)成果，將壓縮機、電機、冷卻系統集成在同一橇架中，并作為一個(gè)整體安裝使用。不含潤滑油系統、密封系統，使得其可靠性及可用性比起傳統的筒式壓縮機大大提高，并且其運行范圍廣，響應速度快，運行周期成本低，環(huán)境中性，是一款性?xún)r(jià)比非常高的機型。
近些年來(lái)，國外各大壓縮機廠(chǎng)商對集成式壓縮機加大研發(fā)投入，技術(shù)進(jìn)一步革新：高速電機的轉速和功率得到進(jìn)一步擴展，磁懸浮軸承也出現新的應用，電機冷卻方式的改進(jìn)使得壓縮機系統進(jìn)一步簡(jiǎn)化，聯(lián)軸器結構形式的改進(jìn)使得機器本體結構進(jìn)一步簡(jiǎn)化，機組體積進(jìn)一步向輕量化發(fā)展。海底壓縮機綜合了集成式壓縮機的所有技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是集成式壓縮機的最新應用。
參考文獻
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