李洪濤，趙立前，史玉峰，徐戰(zhàn)強，陳國明，徐長航

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中國石油大學（華東），山東青島266580

中緬油氣管道工程電驅(qū)站冷卻水方案比選

李洪濤1，趙立前1，史玉峰1，徐戰(zhàn)強1，陳國明2，徐長航2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000

2.中國石油大學（華東），山東青島266580

中緬管道分輸壓氣站多為電驅(qū)站，壓縮機運行時，電機和變頻器會產(chǎn)生大量熱，影響運行狀態(tài)與設備壽命。因此選擇技術經(jīng)濟合理的冷卻水方案對分輸壓氣站及整個管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運營至關重要。以中緬油氣管道工程某電驅(qū)壓氣站壓縮機電機與變頻設備為例，論述現(xiàn)階段存在的主要冷卻方式；首次系統(tǒng)地結(jié)合工程實踐，針對耗水量、耗電量及其他經(jīng)濟指標，介紹并分析工程設計中冷卻方案的比選思路與過程；比較水冷、空冷、機冷方式在站場投資、節(jié)能環(huán)保、維護工作量、環(huán)境適應能力等方面所需費用及工作量。結(jié)果表明水冷方式在站場運營中具有較強可行性并通過已建工程得以驗證，冷卻方案的比選思路與過程可供后續(xù)站場與有關設計人員參考。

中緬油氣管道；壓縮機；電驅(qū)站；冷卻水方案

0 引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，中壓大功率變頻調(diào)速技術已日趨成熟，變頻電機驅(qū)動壓縮機組因技術含量高、設備運行平穩(wěn)可靠、效率高、操作維護簡單、運行維護成本低、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟效益可觀等優(yōu)點，在外電源可靠的情況下已逐步應用至石油天然氣長輸管道增壓領域，替代傳統(tǒng)的燃氣輪機，成為長輸管道增壓驅(qū)動設備的首選[1-3]。

中緬管道分輸壓氣站多為電驅(qū)站，壓縮機運行時，電機和變頻器會產(chǎn)生大量熱，影響運行狀態(tài)與設備壽命。因此選擇技術經(jīng)濟合理的冷卻水方案對分輸壓氣站及整個管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運營至關重要[4-6]。

目前國內(nèi)外用來冷卻壓縮機電機與變頻器的方案有水冷、空冷和機冷，不同方案的能耗與對投資的要求不同?，F(xiàn)有文獻及資料僅定性地對單一類型方案進行描述，且部分要求與實際運行相矛盾，缺乏指導性。本文首次系統(tǒng)地結(jié)合工程實踐，對水冷、空冷和機冷三種方案進行定量技術經(jīng)濟比選，從節(jié)能環(huán)保、維護工作量、環(huán)境適應能力與投資等方面對各方案進行比較，比選思路與過程可供有關設計人員參考。

1 冷卻本體介紹

變頻器本體采用水-水冷卻方式。內(nèi)部采用密閉式循環(huán)去離子水對整流模塊和逆變模塊等功率單元進行冷卻，內(nèi)部去離子水通過水/水熱交換器與外循環(huán)的冷卻水進行熱交換，使內(nèi)部去離子水保持適宜的溫度，變頻器冷卻原理見圖1。

圖1 變頻器冷卻原理

電機本體采用空-水冷卻方式。電機的內(nèi)部部件（鐵芯、線圈等）通過空氣冷卻，而空氣通過空水冷卻器與外循環(huán)的冷卻水熱交換后冷卻，電機冷卻原理見圖2。

2 冷卻原理

2.1 壓縮機電機、變頻器冷卻要求

圖2 電機冷卻原理

壓縮機電機、變頻器冷卻水冷卻結(jié)構分為內(nèi)部循環(huán)和外部循環(huán)兩部分，內(nèi)部循環(huán)由廠家配套供應，外部循環(huán)方案需要在初步設計階段落實。變頻器運行要求進水溫度為5～35℃，冷卻水流量27.6 t/h，損耗0.20 MPa，最高出水溫度38.1℃，最大運行壓力0.5 MPa，接口管徑DN80 mm，變頻裝置的運行環(huán)境溫度為0～40℃；每臺變頻裝置散發(fā)到空氣中的熱量為22 kW。

電機運行要求進水溫度為5～35℃，最大出水溫度為42℃，冷卻水流量為80～120 t/h，壓力損耗為0.05 MPa，最大運行壓力為0.5 MPa，接口管徑DN150 mm。

冷卻設備根據(jù)冷卻介質(zhì)分為水冷設備和風冷設備。水冷設備一般為閉式冷卻塔（以下簡稱水冷）；風冷設備一般為空冷器（以下簡稱空冷）、風冷冷水機組（以下簡稱機冷）。

2.2 水冷（見圖3）

圖3 水冷冷卻原理示意

水冷主要是通過外部循環(huán)的介質(zhì)水和內(nèi)部循環(huán)的接觸傳熱，冷卻溫度差是外循環(huán)冷卻介質(zhì)溫度和內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的溫度差。外循環(huán)介質(zhì)是通過冷卻塔冷卻，冷卻塔的冷卻原理是通過冷卻塔的噴淋水與外循環(huán)的盤管接觸傳熱和蒸發(fā)傳熱型式冷卻，冷卻塔的設計參數(shù)是當?shù)氐臐袂驕囟取⑺钠療岷蛢?nèi)循環(huán)的溫度差，經(jīng)外循環(huán)冷卻后的水溫與當?shù)貪袂驕囟鹊臏囟炔睿ɡ浞撸Q定了冷卻塔的冷卻效果，冷卻后水溫越接近當?shù)貪袂驕囟?，冷卻效果越好[7]。冷卻塔在運行期間由于水的蒸發(fā)和定期排污，需要有充足的供水條件和排污條件。使用水冷需要對補水條件和排污條件進行分析。

水冷是成熟的技術，已經(jīng)成功應用于西氣東輸工程（包括西氣東輸增輸、西氣東輸安全改造工程）、陜京輸氣管道工程、西氣東輸二線管道工程。水冷需要在運行期間加強維護，以防止冬季進風口及散熱盤管結(jié)冰和盤管表面結(jié)垢等問題。

解決冰凍措施：針對站場當?shù)氐臍庀髼l件，采用冬季最冷月份最高溫度的平均值作為停止噴淋的溫度限值，保證冬季不凍結(jié)；同時將控制流程由單臺控制改為聯(lián)合控制，即盤管散熱→風機（逐臺）→噴淋（逐臺）。

解決結(jié)垢措施：一般硬度偏高的水超過60℃，持續(xù)熱時間超過2 h才會結(jié)垢，此結(jié)垢應該為空氣中的塵埃粘附在盤管表面積聚而成，為解決此問題，會在設計說明中增加沖洗周期的要求。

2.3 空冷

空氣冷卻器通過采用環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝的設備，也稱“空氣冷卻式換熱器”，簡稱“空冷器”，空冷器常用來代替水冷式殼－管式換熱器，可節(jié)省外循環(huán)用水和循環(huán)水排污。在缺水地區(qū)，以空冷代替水冷，可緩解水源不足的問題。空冷器主要由管束、風機、構架及百葉窗組成。

空冷是通過空氣與內(nèi)部循環(huán)的接觸傳熱，冷卻溫度差是當?shù)氐母汕驕囟群蛢?nèi)部循環(huán)的溫度差，即冷幅寬。冷幅寬表示溫降的絕對值，不能表示冷卻后的溫度，所以當?shù)氐母汕驕囟热绻^了內(nèi)循環(huán)水溫或者冷幅寬值小，空冷的使用將受到限制，冷幅寬值高于8℃以上時，經(jīng)濟性較好。

空冷的設計參數(shù)是內(nèi)循環(huán)溫度、當?shù)氐母汕驕囟群涂諝獾谋葻崛荩渲挟數(shù)氐母汕驕囟群蛢?nèi)循環(huán)的溫度差決定了風冷設備規(guī)格的選擇[8]。

2.4 機冷

機冷是在空冷的基礎上串聯(lián)冷水機，通過冷水機直接對壓縮機電機和變頻器內(nèi)循環(huán)冷卻水進行冷卻。冷水機工作原理：液體制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽，被壓縮機吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向冷卻介質(zhì)（水或空氣）放熱，冷凝為高壓液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑，再次進入蒸發(fā)器吸熱汽化，達到循環(huán)制冷的目的。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個基本過程完成一個制冷循環(huán)。

機冷冷水機組主要由螺桿式壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、自然冷卻器、風機、膨脹閥及電控系統(tǒng)組成，原理如圖4所示。機冷不受環(huán)境條件限制，但是一次性投資高，同時運行期間需要消耗大量的電能。

圖4 機冷冷卻原理示意

3 冷卻設備比選

以一套電機和變頻器為基礎，按氣象條件進行技術經(jīng)濟比較，以保證電驅(qū)站壓縮機正常運行。

3.1 外循環(huán)計算

補水量=蒸發(fā)量+漂水量+排污量。

（1）蒸發(fā)量：

E=K1Δt Q

式中E——蒸發(fā)損失水量/（t/h）；

Δt——冷卻塔進水與出水溫度差/℃；

Q——循環(huán)水量/（t/h）；

K1——系數(shù)，數(shù)值按表1選用。

表1 系數(shù)K1的選取

（2）漂水量：

漂水量=噴淋量×漂水率

其中漂水率為0.005%（技術規(guī)格書要求）。

（3）排污量：

B=E/（K-1）

式中B——排污量/（t/h）；

K——濃縮倍數(shù)。

3.2 水冷能耗分析

采用水冷方式各月耗水量見表2，因而全年總耗水量約10 605 t。水冷各月耗電量見表3，因而全年總耗電量約239 000 kW·h。

表2 水冷耗水量

表3 水冷耗電量

3.3 空冷能耗分析

采用空冷方式全年總耗電約328 500 kW·h。

3.4 機冷能耗分析

采用機冷方式耗電量見表4，全年總耗電約777 448 kW·h。

表4 機冷耗電量

3.5 經(jīng)濟技術比選

（1）在運行費用方面（見表5），水冷方式較為經(jīng)濟，但耗水量較大，適合于水量充足的地區(qū)。在節(jié)能環(huán)保方面，水冷方式耗水量大但耗電量??；空冷與機冷均無水耗，但耗電量較大，是水冷的2～4倍。

表5 費用對比/萬元

（2）在維護工作量方面，水冷外循環(huán)為開式，內(nèi)循環(huán)為閉式，外循環(huán)需根據(jù)蒸發(fā)率補水且需定期清洗冷卻塔盤管，防止藻類和泥垢降低冷卻塔冷卻效率；空冷無需補水，控制系統(tǒng)與機組集成，操作方便，需清理翅片，風機電機需維護；機冷無需補水，控制系統(tǒng)與機組集成，操作方便，需專業(yè)人員維護保養(yǎng)并定期補充制冷劑及清洗換熱器，維護工作量較低。

（3）在環(huán)境適應能力方面，水冷需有穩(wěn)定可靠的水源；空冷對于極端溫度無法滿足要求；機冷的環(huán)境適應能力較強，受水源及溫度影響較小。

（4）在占地面積方面，水冷占地24 m2，最??；空冷占地108 m2，最大；機冷占地30 m2，居中。

（5）其他方面，水冷國內(nèi)生產(chǎn)廠家多，在水源充足地區(qū)初投資及運行費用低，且冷卻效率最高；空冷與機冷方式在溫度較高地區(qū)初投資及運行費用高，不建議使用。

4 結(jié)論

根據(jù)水冷、空冷、機冷能耗分析，中緬管道站場中水冷方案最優(yōu)。在壓氣站滿足循環(huán)冷卻水補充和循環(huán)冷卻水排污的條件下，采用水冷方案可以低成本高效率地完成壓縮機電機與變頻器的冷卻任務。同時在節(jié)能環(huán)保、維護工作量、環(huán)境適應能力等方面，水冷方案在中緬管道工程站場運營后檢修成本低，操作簡單，易于場區(qū)工作人員定期護理。在實際應用中，該站場壓縮機系統(tǒng)運行良好，表明冷卻能力滿足電機與變頻器工作要求。本文所述冷卻方案的比選思路與過程可供有關設計人員參考。

[1]呂開均.變頻電驅(qū)壓縮機組運行中應注意的問題及對策[J].油氣儲運.2009，28（10）：81-83.

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[8]LoutasT H，SotiriadesG，KalaitzoglouI，etal.Condition monitoring of a single-stage gearbox with artificially induced gear cracks utilizing on-line vibration and acoustic emission measurements[J].Applied Acoustics，2009，70：1 148-1 159.

Comparison of Cooling Water Schemes of Electrical Driven Station of China-Myanmar Oiland Gas Pipeline Project

LiHongtao1，Zhao Liqian1，ShiYufeng1，Xu Zhanqiang1，Chen Guoming2，Xu Changhang2
1.China Petroleum Pipeline Engineering Co.，Ltd.，Langfang 065000，China
2.China University of Petroleum，Qingdao 266580，China

Most compressor stations of China-Myanmar Oil and Gas Pipeline project are electric-driven stations.When compressor operates，motor and frequency conversion equipment generate much heat，which affects compressor working status and life.Choosing reasonable technical and economic scheme of cooling water is important for compressor station to operate safely and stably.By focusing on the motor and frequency conversion equipment of the compressor at one electric-driven compressor station of China-Myanmar Oiland Gas Pipeline project，this paper introduces the present main cooling ways；analyzes the thoughts and process of selecting cooling scheme in engineering design with respect to water consumption，power consumption and other economical indexes in combination with engineering practice；compares the costs and work quantities in station investment，energy consumption，environmental protection and maintenance for water cooling，air cooling and motor cooling.The results show that the water cooling has stronger reliability in China-Myanmar Oil and Gas Pipeline project，which is validated later through established engineering projects.The cooling scheme comparison method can provide a reference for subsequent design.

China-Myanmar Oiland Gas Pipeline；compressor；electric-driven station；cooling water scheme

圖片報道：某壓氣站全景

國家科技重大專項“高含硫氣田集輸系統(tǒng)安全控制技術—高含硫氣田集輸設備風險檢測與維護技術研究”（2008ZX05026-01）；國家自然科學基金資助項目（50679083）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.011

李洪濤（1986-），男，河北石家莊人，2012年畢業(yè)于中國石油大學（華東）安全技術及工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事站場與市政工程方向研究工作。