覃小文 李志明 張文祥 袁曉旭 魏小龍 廖茹霞

(1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000；2.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川618000)

為了方便運(yùn)輸天然氣，一般需要把天然氣做液化處理。常壓下，天然氣的液化溫度通常為-163℃，1 t天然氣液化大約需耗電850 kW·h。而在天然氣的接收站和氣化站，通常需要再次將天然氣通過氣化器氣化后才能使用，而液化的天然氣在氣化時會放出大量的冷能，傳統(tǒng)LNG氣化工藝中，一般情況下這部分冷能會被天然氣氣化器中的空氣和海水(或河水)帶走，大量的高品位冷能由此浪費(fèi)，造成能源流失。若能通過一定手段，把這部分流失的冷能合理回收利用起來，將會取得非?？捎^的環(huán)保效益以及經(jīng)濟(jì)效益[1]。

如果可以將液化天然氣擁有的冷量能轉(zhuǎn)化為電力(假定轉(zhuǎn)換過程中沒有任何損失)，每1 t液化天然氣可利用的冷能發(fā)電折合電量約為240 kW·h。因此，如果可以通過某種特定的工藝技術(shù)，將這部分具有較高利用價(jià)值的冷能利用起來發(fā)電，不僅可以節(jié)省能源，還可以提高經(jīng)濟(jì)效益。雖然目前LNG冷能回收利用方案很多，但仍存在冷能利用效率不高、LNG冷能未梯級利用、動設(shè)備較多、流程復(fù)雜等問題。

以下將對LNG冷能利用透平發(fā)電的基本原理(朗肯循環(huán))和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行對比分析，討論透平與電機(jī)之間不同布置型式的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 基本原理

通常，LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的冷源來自液態(tài)天然氣，熱源來自河水或是海水。

朗肯循環(huán)采用丙烷(有機(jī)工質(zhì))為介質(zhì)的氣體作為熱源(有機(jī)郎肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)是通過使用沸點(diǎn)較低的有機(jī)工質(zhì)，利用溫度較低的熱源實(shí)現(xiàn)郎肯循環(huán)發(fā)電的技術(shù)。系統(tǒng)主要由換熱器、循環(huán)泵、透平和發(fā)電機(jī)組成)[2]，將低溫的液態(tài)天然氣加熱到0℃供下一級使用，冷卻的丙烷流體經(jīng)增壓泵增壓，換熱器升溫，再進(jìn)入透平膨脹做功發(fā)電。排氣可作為加熱天然氣的熱源循環(huán)使用或經(jīng)過存儲罐存儲起來供其他民用。LNG冷能利用系統(tǒng)基本原理見圖1。

圖1 LNG冷能利用丙烷工質(zhì)透平發(fā)電系統(tǒng)基本原理圖Figure 1 Basic principle of LNG cold energy utilization turbine power generation system with propane working medium

2 主要設(shè)備及主要系統(tǒng)功能

透平發(fā)電機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)識別見表1。LNG冷能利用透平發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備及系統(tǒng)見表2。

3 LNG冷能利用透平發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)方案

針對LNG冷能利用透平發(fā)電機(jī)組，主要從機(jī)電耦合程度、密封、軸系和軸承選型等方面，對透平與電機(jī)分體式、一體式布置方案型式進(jìn)行分析。

表1 透平發(fā)電機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)識別Table 1 Risk identification of turbine power generator set

表2 LNG冷能利用透平發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備及系統(tǒng)Table 2 Main devices and systems of LNG cold energy utilization turbine power generator set

3.1 透平與電機(jī)分體式方案

3.1.1 透平與電機(jī)分體式布置

透平與電機(jī)分體式布置見圖2。

3.1.2 透平與電機(jī)分體式布置設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)機(jī)電耦合程度低；

(2)電機(jī)-透平各自獨(dú)立布置；

(3)獨(dú)立轉(zhuǎn)子，采用聯(lián)軸器連接；

(4)電機(jī)側(cè)兩個徑向軸承+汽機(jī)側(cè)兩個徑向軸承+1個推力軸承；

(5)跨距為<4600 mm(參考值)；

(6)軸端采用干氣密封設(shè)計(jì)，解決透平密封問題，密封結(jié)構(gòu)示意圖見圖3；

(7)主閥立式、調(diào)閥臥式以縮短軸向空間，主閥流速為60 ms，調(diào)閥流速為80 ms，閥門材料為ZG230-450，閥門設(shè)計(jì)示意圖見圖4；

(8)軸流式設(shè)計(jì)，可向更大功率等級過渡；

(9)成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+可靠性保障；

(10)整體、快捷式發(fā)貨。

圖2 透平與電機(jī)分體式布置示意圖Figure 2 Distribution of split-type turbine and motor

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 3 Seal configuration

圖4 閥門設(shè)計(jì)示意圖
Figure 4 Valve design

3.2 透平與電機(jī)一體式方案

3.2.1 透平與電機(jī)一體式結(jié)構(gòu)

電機(jī)布置示意圖見圖5。透平與電機(jī)一體式布置示意圖見圖6。

3.2.2 透平與電機(jī)一體式方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)

透平與電機(jī)一體式方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)見表3。

1—磁中心指示器 2—僅用于起吊透風(fēng)罩，不能起吊整個電機(jī) 3—主接線盒 4—軸承、繞組測溫接線盒 5—加熱器接線盒 6—加熱器蓋板 7—接地螺栓M12，兩個，斜對稱圖5 電機(jī)布置示意圖Figure 5 Motor distribution

圖6 透平與電機(jī)一體式布置示意圖
Figure 6 Distribution of integrated turbine and motor

表3 透平與電機(jī)一體式方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)Table 3 Design characteristics of integrated turbine and motor scheme

3.2.3 透平與電機(jī)一體式方案優(yōu)勢

(1)封閉式外殼設(shè)計(jì)，無泄漏問題；

(2)無潤滑油系統(tǒng)、無潤滑油冷卻系統(tǒng)；

(3)與透平采用一體化轉(zhuǎn)子，有效縮短總跨距。

3.2.4 透平與電機(jī)一體式方案設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)此方案是全新設(shè)計(jì)，研發(fā)周期長。

(2)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方需與磁浮軸承配合設(shè)計(jì)，配合周期長。

(3)丙烷工質(zhì)需防爆取證。

(4)該方案優(yōu)勢明顯、創(chuàng)新性強(qiáng)、技術(shù)難度較大，初步技術(shù)方案配合周期較長。

3.2.5 磁浮軸承結(jié)構(gòu)

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：磁浮軸承廣泛應(yīng)用于電機(jī)、壓縮機(jī)、透平領(lǐng)域。磁浮軸承電機(jī)有23 MW在運(yùn)行業(yè)績；磁浮軸承多運(yùn)用于有機(jī)工質(zhì)領(lǐng)域，可用于丙烷、天然氣等。磁浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。磁軸承方案相關(guān)業(yè)績見表4。

圖7 磁浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖Figure 7 Configuration of magnetic levitation bearing

表4 磁軸承方案相關(guān)業(yè)績Table 4 Achievements of magnetic levitation bearing scheme

4 結(jié)論

不管是從機(jī)組安全性考慮，或是研發(fā)周期、基建成本考慮等，透平與發(fā)電機(jī)分體式布置相對一體式布置型式均具有一定的優(yōu)勢。