Con la transición de la estructura energética mundial hacia la descarbonización, la importancia del gas natural como fuente de energía limpia es cada vez mayor. Los gasoductos de larga distancia son los principales vectores del transporte transregional de gas natural, y su funcionamiento eficiente y seguro depende de la optimización continua del sistema de presurización. En el sistema de presurización, el compresor, como equipo central de potencia, afecta directamente a la capacidad de suministro y a la economía del gasoducto. Con su alta ratiode presión, alta eficiencia y gran adaptabilidad a las condiciones de trabajo, el compresor de pistón ocupa una posición importante en el gasoducto de larga distancia de gas natural. En este documento, vamos a discutir sistemáticamente el papel de los compresores de pistón en los sistemas de refuerzo de los principios técnicos, escenarios de aplicación, casos típicos y la dirección de desarrollo futuro.
1 Principio de funcionamiento y características estructurales del compresor de pistón
El compresor de pistón es un tipo de maquinaria volumétrica que realiza la compresión de gas a través del movimiento alternativo del pistón. Su estructura principal incluye cilindro, pistón, mecanismo de biela del cigüeñal y sistema de válvulas. El flujo de trabajo se divide en tres etapas de succión, compresión y escape: cuando el pistón se mueve hacia abajo, la válvula de entrada se abre, y el gas a baja presión entra en el cilindro; cuando el pistón se mueve hacia arriba, la válvula se cierra, y el gas se comprime a la presión establecida, y luego la válvula de escape se abre, y el gas a alta presión sale.
En comparación con el compresor centrífugo, la ventaja del compresor de pistón es:
Alta capacidad de ratiode presión: la ratiode compresión de una sola etapa puede alcanzar más de 3:1, y la presión de salida puede superar 20MPa después de la conexión en serie de varias etapas, que es adecuado para la demanda de alta presión de tuberías de larga distancia.
Adaptabilidad a las condiciones de trabajo variables: mediante el ajuste de la velocidad de rotación o el volumen de holgura del cilindro, puede hacer frente con flexibilidad a la fluctuación del volumen de gas y adaptarse al cambio de carga de la tubería.
Alta eficiencia y ahorro de energía: la eficiencia adiabática es tan alta como 85%~90%, especialmente en escenarios de flujo pequeño y alta presión con ventajas significativas de consumo de energía.
Sin embargo, su compleja estructura, las elevadas vibraciones y ruidos, los costes de mantenimiento y otras cuestiones aún deben optimizarse mediante la innovación tecnológica.
2 Escenarios de aplicación de los compresores de pistón en sistemas de refuerzo de gasoductos de gas natural
1)Presurización de líneas troncales de gas natural de alta presión
La presión de diseño de los gasoductos de larga distancia suele ser de 8~12MPa. Con la prolongación de la distancia de transmisión, la presión del gas disminuye gradualmente debido a la resistencia a la fricción. Los compresores de pistón se retransmiten a través de estaciones de refuerzo de varias etapas para restablecer la presión al valor de diseño y garantizar la eficacia de la transmisión de gas. Por ejemplo, el gasoducto oeste-este de China utiliza varios compresores de pistón en serie, y la capacidad diaria de transmisión de gas de una sola estación puede alcanzar los 150 millones de metros cúbicos.
2)Recogida en yacimientos de gas y recuperación de gas a baja presión
En la fase final del desarrollo de los yacimientos de gas, la presión en boca de pozo desciende, lo que hace que las centrifugadoras tradicionales no puedan aumentar la presión con eficacia. El compresor de pistón puede recuperar el gas a baja presión mediante la compresión multietapa y mejorar la tasa de utilización de los recursos. Por ejemplo, tras la introducción del compresor de pistón en un yacimiento de gas de la cuenca de Ordos, la tasa de recuperación de gas a baja presión aumentó un 30%.
3)Regulación de picos y protección de emergencia del suministro
Cuando el consumo de gas alcanza su punto máximo en invierno o cuando los gasoductos sufren una avería repentina, los compresores de pistón pueden ponerse en marcha y pararse rápidamente para conseguir una regulación flexible de los picos junto con los depósitos de almacenamiento de gas. Por ejemplo, un depósito de almacenamiento de gas en el norte de China adopta compresores de pistón móviles, y el tiempo de respuesta de emergencia se acorta a 2 horas.
3.Casos prácticos típicos
Caso 1: Reconstrucción de la estación de refuerzo de la tercera línea de transporte de gas natural del Oeste-Este
Antecedentes: Una sección de la tercera línea del Gasoducto de Gas Natural Oeste-Este tiene una gran ondulación del terreno, y el compresor centrífugo original no es lo suficientemente eficiente en periodo de baja carga.
Solución: Añadir 4 conjuntos de compresores de pistón alternativo accionados eléctricamente, con una potencia de máquina única de 5MW y una presión de diseño de 12MPa.
Resultado: Aumento de la capacidad de transporte de gas en un 25%, ahorro anual de energía de unos 12 millones de kWh, periodo de amortización reducido a 3 años.
Caso 2: Gasoducto oriental de gas natural China-Rusia (tramo Heihe-Shanghai)
Reto: El gasoducto atraviesa una zona extremadamente fría (-40℃), por lo que el equipo debe arrancar a baja temperatura y ser resistente al desgaste.
Solución técnica: se utiliza material de aleación de baja temperatura para el cilindro, equipado con un sistema inteligente de precalentamiento; se utiliza material compuesto de fibra de carbono para el anillo del pistón, que prolonga la vida útil en un 50%.
Datos de funcionamiento: 3 años consecutivos de funcionamiento sin problemas, coste medio anual de mantenimiento reducido en un 15%.
Caso 3: Sistema de presurización de gasoductos de esquisto en Estados Unidos
Exigencias: La presión de extracción del gas de esquisto fluctúa mucho y contiene más impurezas.
Innovación en el diseño: Configuración de un sistema de filtración multietapa y una válvula de gas adaptable que permite la compresión directa de gas con un contenido líquido de hasta el 5%.
Ventajas: La disponibilidad del equipo aumentó hasta el 98% y el coste total disminuyó un 20%.
4 Retos técnicos y optimización
1)Control de vibraciones y ruidos
El movimiento alternativo de un compresor de pistón es propenso a las vibraciones mecánicas, que pueden dañar las soldaduras de las tuberías en caso de funcionamiento prolongado. Las contramedidas incluyen:
Optimizar el diseño del equilibrado del cigüeñal y añadir amortiguadores hidráulicos de vibraciones;
Adoptando una caja insonorizada modular, el ruido se reduce de 110dB a menos de 85dB.
2)Aumento de la vida útil de los componentes clave
El desgaste de válvulas y segmentos es una de las principales causas de avería. Con la tecnología de recubrimiento de superficies (por ejemplo, nitruro de titanio) y sistemas de control en tiempo real (por ejemplo, sensores de emisiones acústicas), los intervalos de mantenimiento pueden ampliarse hasta las 8.000 horas.
3)Operación y mantenimiento inteligentes
Integrar el Internet de las Cosas (IoT) y la analítica de big data para lograr la predicción de fallos y la optimización de la eficiencia energética. Por ejemplo, una empresa europea de oleoductos ajusta dinámicamente el número de etapas de compresión mediante algoritmos de IA, reduciendo el consumo de energía en un 8%.
5 Tendencias de desarrollo futuro
Adaptación de la transmisión de la energía del hidrógeno: Con el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno, los compresores de pistón deben adaptarse a las características del gas hidrógeno, de pequeño peso molecular y fácil fuga, y la tecnología de sellado de materiales necesita un gran avance.
Diseño con bajas emisiones de carbono: promover la propulsión eléctrica para sustituir a la propulsión por turbina de gas, combinada con un sistema fotovoltaico/de almacenamiento de energía para crear estaciones de refuerzo con cero emisiones de carbono.
Tecnología de ultra alta presión: desarrollar grupos compresores con una resistencia a la presión de 30 MPa o más para apoyar la construcción de gasoductos de ultra larga distancia de nueva generación.
Conclusión
Con su elevada ratiode presión y su gran adaptabilidad, el compresor de pistón es insustituible en el sistema de presurización de gasoductos de larga distancia de gas natural. Los casos típicos demuestran su eficacia para mejorar la eficiencia del transporte de gas y garantizar la seguridad energética. En el futuro, con la integración de la inteligencia y la tecnología de nuevos materiales, los compresores de pistón seguirán avanzando en los campos de la optimización de la eficiencia energética y la adaptación multienergética, proporcionando un soporte energético más fiable a la red mundial de transporte de energía.
