范吉全 葉 林 常 亮 蘭 天 楊永光

中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100020

0 前言

大中型天然氣液化裝置通常采用離心壓縮機(jī)作為冷劑壓縮機(jī),而冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的選擇是液化裝置面臨的首要關(guān)鍵問題[1-3]。冷劑壓縮機(jī)有負(fù)荷多變的特點(diǎn),要適應(yīng)各種不同的工況條件,如原料氣組成變化及參數(shù)波動(dòng)、四季環(huán)境溫度變化、冷劑配置過程組分變化、正常操作時(shí)適應(yīng)負(fù)荷調(diào)節(jié)等等。冷劑壓縮機(jī)的這些特殊性要求其驅(qū)動(dòng)機(jī)需要滿足如下條件:

1)工況改變時(shí),要適應(yīng)可能出現(xiàn)的負(fù)荷波動(dòng)要求。

2)驅(qū)動(dòng)機(jī)滿足轉(zhuǎn)矩要求,尤其是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與加速的要求。

3)依托條件和動(dòng)力來源方便穩(wěn)定、投資總費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用最小。

4)可靠性高。

一般而言,用于離心壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)有電機(jī)(包括異步電機(jī)和同步電機(jī))[4]、內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪機(jī)(燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī))[5-7]、膨脹機(jī)(包括煙氣輪機(jī)、液力輪機(jī)、螺桿或滑片式膨脹機(jī))等,內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)、膨脹機(jī)由于結(jié)構(gòu)及介質(zhì)條件限制,一般輸出功率較小,不適宜作為大功率驅(qū)動(dòng)機(jī)使用,故液化裝置冷劑壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)常選用燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和電機(jī)[8-10]。

1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的燃?xì)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn),將燃?xì)獾哪芰哭D(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膭?dòng)力機(jī)械。由于燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)流程簡單,聯(lián)合蒸汽(或?qū)嵊?后循環(huán)效率較高,再加上天然氣液化工廠中有充足的燃?xì)?所以大型天然氣液化裝置用大功率離心壓縮機(jī)的較佳驅(qū)動(dòng)方案為燃?xì)廨啓C(jī)。

圖1是一個(gè)簡單開式等壓內(nèi)燃式燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理示意圖[2],其中壓氣機(jī)從外界大氣中吸入空氣,把它壓縮成具有較高壓力的氣體,同時(shí)空氣的溫度也相應(yīng)升高。再將空氣送入燃燒室與噴入的燃?xì)庀嗷旌?點(diǎn)火等壓燃燒,產(chǎn)生高溫?zé)煔?。具有高溫和較高壓力的煙氣進(jìn)入渦輪中膨脹作功,推動(dòng)渦輪并帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。這樣,燃?xì)廨啓C(jī)就把燃?xì)庵械幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功。一般燃?xì)鉁u輪中所作的機(jī)械功大約2/3被用來帶動(dòng)壓氣機(jī),消耗在提高空氣的壓力和溫度上,其余1/3左右的機(jī)械功則通過軸輸出去驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)等從動(dòng)機(jī)械。

工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)按照用途可分為重型、航改型、工業(yè)型。重型是由汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的,一般為單軸結(jié)構(gòu),主要用于發(fā)電。航改型是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的,一般為分軸結(jié)構(gòu),多用于驅(qū)動(dòng)機(jī)。工業(yè)型是吸收了重型和輕型燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來的,可用于發(fā)電

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas turbine operating principle

和驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際選擇時(shí),選用單軸、雙軸還是多軸燃?xì)廨啓C(jī),取決于系統(tǒng)中負(fù)載的變化情況,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載變化不大時(shí),一般選用單軸燃?xì)廨啓C(jī),如拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī);當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷變化較大時(shí),可視其具體情況選用雙軸或多軸燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)相比較,具有以下優(yōu)缺點(diǎn)[1]:

1)體積小，重量輕,投資成本較低。機(jī)器重量和所占體積往往只有蒸汽輪機(jī)或內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的幾分之一。金屬材料消耗少,廠房基建規(guī)模小,投資成本僅為蒸汽動(dòng)力裝置的20%～80%左右。

2)燃料適應(yīng)性強(qiáng)、公害少?？墒褂弥赜?、煤油等便宜的燃料,甚至可利用廢氣、余氣等。排氣比較干凈,對空氣污染較少。

3)節(jié)省水、電、潤滑油。不用水或僅需少量的冷卻水作工作物質(zhì),因此可在缺水地區(qū)運(yùn)行,易作無電源啟動(dòng),有的用電和潤滑油僅占燃料費(fèi)的1%左右,而蒸汽輪機(jī)和內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)用電和潤滑油需占燃料費(fèi)的6%左右。

4)啟動(dòng)快,自動(dòng)化程度高。從冷車啟動(dòng)到滿負(fù)荷只需幾十秒到幾分種,而蒸汽輪機(jī)從啟動(dòng)到滿負(fù)荷往往需要幾十分種到數(shù)小時(shí);自動(dòng)化程度高,便于遙控,甚至現(xiàn)場可不需要操作人員。

5)設(shè)備簡單,磨損少。

6)無濕汽帶來的水擊銹蝕問題。

7)循環(huán)效率(熱效率)高。目前燃?xì)廨啓C(jī)的效率已達(dá)到40%,同超高壓汽輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)的效率相當(dāng),采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)可使效率達(dá)到55%以上,當(dāng)然需要配套余熱回收系統(tǒng)。

燃?xì)廨啓C(jī)具有上述比較優(yōu)勢的同時(shí),也存在不足之處及發(fā)展中亟待解決的問題:

1)自身內(nèi)效率低。目前,燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)效率僅相當(dāng)于低參數(shù)蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率,與內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)和高參數(shù)蒸汽輪機(jī)相比,燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)效率較低。

2)蒸汽輪機(jī)是高初壓而初溫不是太高,但燃?xì)廨啓C(jī)是高初溫而初壓不太高。燃?xì)獾某鯗赜咦鞴δ芰τ?且熱效率愈高,因此研制既耐高溫又具有高強(qiáng)度等良好機(jī)械性能的材料,是十分重要的問題,設(shè)備制造成本高。

3)改進(jìn)高溫葉片和燃燒室壁面的冷卻技術(shù),對提高燃?xì)鉁囟扔泻艽蟮妮o助作用。

4)燃用便宜的燃料與廢氣后,需要對尾氣進(jìn)行處理,以減少環(huán)境污染與腐蝕問題。

5)單軸結(jié)構(gòu)燃?xì)廨啓C(jī)變工況性能較差。

6)運(yùn)行維護(hù)水平要求較高。

1.1 國內(nèi)外燃?xì)廨啓C(jī)概況

由于大功率燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)與制造非常復(fù)雜(涉及到耐高溫又具有高強(qiáng)度的材料、大型壓氣機(jī)和渦輪的熱動(dòng)性能、高溫葉片的制造和燃燒室壁面的冷卻技術(shù)等)且工業(yè)拖動(dòng)應(yīng)用少,因此我國在大功率工業(yè)拖動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)方面的成熟度不足,與國外存在較大差距,需要進(jìn)行大量的研發(fā)、工業(yè)性試驗(yàn)工作[11-12]。

我國在20世紀(jì)50年代后期就自行開發(fā)研制大功率燃?xì)廨啓C(jī),先后有東方汽輪機(jī)廠(以下簡稱“東汽”)、南京汽輪機(jī)廠、哈爾濱汽輪機(jī)廠、上海汽輪機(jī)廠、成都發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司、沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、中船重工和中航等設(shè)計(jì)開發(fā)過一些產(chǎn)品,這些產(chǎn)品主要用于發(fā)電裝置[13-14]。

東汽與三菱日立冶金設(shè)備制造有限公司(以下簡稱“三菱日立”)于2003年簽署F級(jí)重型發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議,以許可證的方式進(jìn)行合作,合作中三菱日立對中方嚴(yán)格保密高溫?zé)岵考南嚓P(guān)技術(shù),東汽需向三菱日立采購高溫?zé)岵考?主要機(jī)型見表1。

此外,東汽與德國西門子股份公司(以下簡稱“西門子”)、川崎重工和美國通用電氣公司(以下簡稱“GE公司”)進(jìn)行合作,為SGT-700(33/34 MW)燃?xì)廨啓C(jī)、L 20和L 30燃?xì)廨啓C(jī)(18 MW、30 MW)和NAVA LT 16燃?xì)廨啓C(jī)(16 MW)進(jìn)行配套和系統(tǒng)成套。

表1 東汽-三菱日立協(xié)議生產(chǎn)的發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)規(guī)格表

Tab.1 Specifications of power generation gas turbines produced by DSTW-MHPS agreement

型號(hào)頻率/Hz燃?xì)廨啓C(jī)功率/MW聯(lián)合循環(huán)功率(1拖1)/MW聯(lián)合循環(huán)效率(1拖1)/(%)H 10050118170>57M 701 DA50145210>51M 701 F50270400>57M 701 F50330490>60M 701 F50360530>61M 701 J50400～565590～830>64

南京汽輪廠從20世紀(jì)80年代中期開始與GE公司建立了燃?xì)廨啓C(jī)合作生產(chǎn)關(guān)系,與GE公司合作生產(chǎn)6 B(4.2×104kW)與9 E(12.5×104kW)系列發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)與GE公司的合作生產(chǎn)協(xié)議,燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子、噴嘴、燃燒室、輪控盤等部件由GE公司提供,其余部件按GE公司圖紙、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)、裝配,整套機(jī)組工廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)GE公司認(rèn)可后出廠。

哈爾濱汽輪機(jī)廠在20世紀(jì)80年代和GE公司合作生產(chǎn)9 FA重型發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī),功率為20×104kW(聯(lián)合循環(huán)40×104kW),其中熱部件需要從GE公司供貨且銷售需要得到GE公司許可。

上海汽輪機(jī)廠(以下簡稱“上汽”)從20世紀(jì)80年代引進(jìn)西門子技術(shù)用于重型燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組,共有小F級(jí)(功率7.8×104kW)、E級(jí)(17× 104kW)、F級(jí)(32×104kW)三個(gè)規(guī)格,由于其技術(shù)完全來自國外,銷售需要得到西門子許可。2014年,該公司通過國際并購擁有意大利安薩爾多能源公司(以下簡稱“安薩爾多”)40%的股權(quán),其主要機(jī)型見表2。

表2 上汽-安薩爾多協(xié)議生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)規(guī)格表

Tab.2 Specifications of gas turbines produced by STP-Ansaldo agreement

燃?xì)廨啓C(jī)等級(jí)型號(hào)軸數(shù)量轉(zhuǎn)速/(r·min-1)單機(jī)功率/MW單機(jī)效率/(%)聯(lián)合功率/MW聯(lián)合循環(huán)效率/(%)適用燃料F級(jí)AE 94.3 A單軸3 00032540.148359.7標(biāo)準(zhǔn)天然氣、燃油小F級(jí)AE 64.3 A單軸5 4007836.511754.7標(biāo)準(zhǔn)天然氣、燃油E級(jí)AE 94.2單軸3 00018536.227053.1標(biāo)準(zhǔn)天然氣、燃油 注:以上數(shù)據(jù)為ISO工況,不考慮壓損。

此外,中船703所1994年引進(jìn)烏克蘭GT 25000艦用燃?xì)廨啓C(jī)，輸出功率 25 000 kW,目前已有多臺(tái)用于西氣東輸項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。同時(shí)該公司與西門子合作生產(chǎn)中小型燃?xì)廨啓C(jī)SGT-100、SGT-200、SGT-300、SGT-400、SGT-500、SGT-600、SGT-700、SGT-750;也和三菱日立合作生產(chǎn)中小型燃?xì)廨啓C(jī)H 15、H 25、H 80(11×104kW),但核心機(jī)仍需要依靠外方,且功率相對偏小。

國外燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)得到了長足發(fā)展,除用于發(fā)電外,機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)型也有較多的選擇方案,部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)見表3。

燃?xì)廨啓C(jī)的銘牌功率是在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下確定的,稱為ISO功率,當(dāng)現(xiàn)場大氣條件偏離標(biāo)準(zhǔn)大氣條件時(shí),應(yīng)按制造廠提供的技術(shù)資料對燃?xì)廨啓C(jī)的現(xiàn)場實(shí)發(fā)功率進(jìn)行修正。

表3 國外部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)表

Tab.3 Parameters of some mechanical driven gas turbines abroad

公司型號(hào)ISO功率/kW熱耗率/(kJ·(kW·h)-1)燃?xì)廨啓C(jī)效率/(%)渦輪轉(zhuǎn)速/(r·min-1)排煙溫度/℃GE公司GE 10-211 98210 82233.37 900480PGT 1614 2409 92436.37 900491PGT 2018 1219 86736.56 500475PGT 2523 2669 54837.76 500525PGT 25+31 3728 75141.16 100500PGT 25+G 434 3028 71941.26 100510LM 600043 8548 46843.03 600455LMS 100100 2008 16044.13 600417MS 5002 C28 34012 46728.84 670517MS 5002 E32 00010 00036.05 714511MS 5002 D32 58012 32529.44 670509MS 6001 B43 53010 82033.35 111544MS 7001 EA86 22610 92033.03 600535MS 9001 E130 14010 39734.63 000540三菱日立H 1516 90011 02034.59 710564H 2532 00010 65033.87 280564H 8097 70010 90036.53 000538H 100118 00010 92038.23 000538西門子SGT-1005 25011 81530.5—530SGT-2006 75011 41831.510 950466SGT-3007 90011 53231.2—537SGT-40012 90010 35534.89 500555SGT-50018 60011 18032.1—375SGT-60024 77010 53334.27 700543SGT-70029 0609 99936.0—518SGT-80045 0009 72037.06 600538SGT-A 30(RB 211) 32 00010 31439.14 800503SGT-A 65(Trent 60) 58 5328 39940.13 600440

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)選擇需考慮的因素

1.2.1 ISO工況(標(biāo)準(zhǔn)工作條件)

ISO工況為燃?xì)廨啓C(jī)銘牌功率的基準(zhǔn)條件:

1)壓氣機(jī)進(jìn)口截面處空氣進(jìn)口總壓力101.325 kPa(海拔為0 m),空氣溫度15 ℃,空氣相對濕度60%(除采用中間冷卻或噴水冷卻外,濕度的影響可以忽略)。

2)排氣條件是高溫燃?xì)獬隹诮孛嫣幍撵o壓力為101.325 kPa。

一般燃?xì)廨啓C(jī)廠家樣本提供的資料都是在ISO工況下的參數(shù)。

1.2.2 進(jìn)、排氣壓力損失引起的功率修正

空氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)之前,一般會(huì)經(jīng)過室外空氣過濾器、進(jìn)氣管道、消聲器及進(jìn)氣噴水冷卻裝置等設(shè)備,燃?xì)廨啓C(jī)后部通常裝有排氣消聲器、排煙管道波紋補(bǔ)償器、三通管、煙道閥和余熱鍋爐等設(shè)施。進(jìn)、排氣系統(tǒng)的壓力損失應(yīng)作水力計(jì)算確定或按制造廠提供數(shù)據(jù)確定(通常中小型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣損失在750～1 500 Pa，排氣損失在750～1 500 Pa,如有余熱鍋爐或者廢熱回收設(shè)施則還應(yīng)加入煙氣通過余熱鍋爐或廢熱回收設(shè)施的壓力損失)。因進(jìn)、排氣壓力損失引起的功率降低值應(yīng)按燃?xì)廨啓C(jī)制造廠提供的進(jìn)、排氣壓力損失功率下降曲線來確定,估算時(shí)可按1%～3%的銘牌功率計(jì)算功率降[15-17]。

1.2.3 大氣溫度和壓力引起的功率修正

由于大氣溫度和壓力偏離標(biāo)準(zhǔn)大氣條件時(shí)會(huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣的質(zhì)量流量變化,進(jìn)而影響燃?xì)廨啓C(jī)的功率?，F(xiàn)場大氣溫度按夏季最熱月份的平均氣溫、冬季最冷月份的平均氣溫和全年月平均氣溫三個(gè)典型氣溫進(jìn)行核算,以取得燃?xì)廨啓C(jī)在這三種氣溫下的現(xiàn)場功率。其功率隨氣溫變化應(yīng)按制造廠提供的特性曲線或數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,一般情況下環(huán)境溫度對燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率影響很大,無資料進(jìn)行估算時(shí),可按每1 ℃ 0.7%～1%功率升降進(jìn)行估算。大氣環(huán)境溫度低于15 ℃時(shí),在一定范圍內(nèi),燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率略有增大,增大值應(yīng)按制造廠的特性曲線取值。Trent 60在ISO工況下的輸出功率隨溫度變化的曲線見圖2,大氣壓力(或現(xiàn)場海拔高度)對燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的影響很大,應(yīng)按制造廠的特性曲線進(jìn)行修正。

圖2 Trent 60在ISO工況下的輸出功率圖Fig.2 Output power Trent 60 at ISO conditions

1.2.4 長期運(yùn)行引起的功率修正

經(jīng)過長期運(yùn)行后,由于進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣中仍然含有少量灰塵,壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的葉片雖然會(huì)定期清洗,但仍會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢,燃?xì)廨啓C(jī)葉片在長期高溫狀態(tài)下甚至可能產(chǎn)生變形。這些因素都會(huì)引起燃?xì)廨啓C(jī)的功率下降,因此一般燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組需要定期進(jìn)行大修,無資料進(jìn)行估算時(shí),可按0.5%～2%功率降計(jì)。

2 蒸汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)是以蒸汽為工作介質(zhì),將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械,具有單機(jī)功率大、轉(zhuǎn)速可變、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、使用壽命長等特點(diǎn)。

2.1 蒸汽輪機(jī)的選擇

2.1.1 沖動(dòng)式蒸汽輪機(jī)和反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)

蒸汽輪機(jī)一般分為沖動(dòng)式蒸汽輪機(jī)和反動(dòng)式蒸汽輪機(jī),前者的效率曲線呈拋物線型,后者的效率曲線呈指數(shù)型分布,見圖3～4(圖3～4中速比x=u/c,u為葉輪圓周速度,c為噴嘴出口汽流速度)。在功率、轉(zhuǎn)速都有變化的變工況條件下,沖動(dòng)式蒸汽輪機(jī)的效率曲線下降幅度較大,反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)的效率曲線趨于平緩變化不大。因此,在石油、化工等流程工業(yè)領(lǐng)域反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)的長期運(yùn)行效率要明顯高于沖動(dòng)式蒸汽輪機(jī)的長期運(yùn)行效率。在定功率、定轉(zhuǎn)速條件下兩者效率相差不大[18-19]。

圖3 沖動(dòng)式蒸汽輪機(jī)效率曲線圖Fig.3 Efficiency curve of impulse steam turbine

圖4 反動(dòng)式蒸汽輪機(jī)效率曲線圖Fig.4 Efficiency curve of reaction steam turbine

2.1.2 蒸汽輪機(jī)型式選擇

流程中常用的蒸汽輪機(jī)有凝汽式、抽凝式、背壓式等型式,需要結(jié)合整個(gè)裝置的用熱綜合考慮,還要考慮全廠的蒸汽平衡和蒸汽的梯度利用,盡可能減少能源多次轉(zhuǎn)換而造成能量損失。此外,作為驅(qū)動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足正常操作調(diào)速和開工的要求。

2.1.3 凝汽器選擇

凝汽器主要有水冷式和空冷式,目的是在蒸汽輪機(jī)排汽側(cè)建立并維持高度真空狀態(tài)。水源充足的地區(qū)優(yōu)先考慮水冷式,一般寒冷或水源缺乏的地區(qū)可考慮空冷式?？绽涫揭卜Q為干式凝汽系統(tǒng),按工作原理可分為直接冷卻系統(tǒng)、間接冷卻射流凝汽系統(tǒng)和間接冷卻表面式凝汽系統(tǒng)，見圖5。

a)直接冷卻系統(tǒng)a)Direct cooling system

b)間接冷卻射流凝汽系統(tǒng)b)Indirectly cooled jet condensing system

c)間接冷卻表面式凝汽系統(tǒng)c)Indirectly cooled surface condensing system

2.2 LNG裝置蒸汽輪機(jī)的應(yīng)用

蒸汽輪機(jī)作為離心壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)在國內(nèi)外應(yīng)用較為成熟,機(jī)器型號(hào)齊全,無設(shè)計(jì)缺口,可選擇的廠商較多,工藝調(diào)節(jié)方便,安全性較高,國外在早期基本負(fù)荷型LNG裝置中絕大部分使用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。在我國的一些小型LNG裝置中,由于依托條件較好,也采用了蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。

蒸汽輪機(jī)的內(nèi)效率較高,約為65%～85%,但需要復(fù)雜的鍋爐蒸汽系統(tǒng)和水系統(tǒng),投資及占地面積較大;在缺水及嚴(yán)寒地區(qū),適應(yīng)性差。此外,蒸汽循環(huán)系統(tǒng)(朗肯循環(huán))的效率不高,約為25%～40%,投資成本和運(yùn)行費(fèi)用較高。

我國蒸汽輪機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)的技術(shù)較為成熟。我國杭汽的系列化模塊化反動(dòng)式工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù),可以利用下至0.1 MPa的飽和蒸汽,上至14 MPa的高壓蒸汽;可以輸出500～150 000 kW的功率,以及 2 200～15 000 r/min的轉(zhuǎn)速。杭汽產(chǎn)品的覆蓋范圍是:新蒸汽(0.2～14 MPa(a)/540 ℃)、抽汽或排汽(≤4.5 MPa(a))、轉(zhuǎn)速(2 200～15 000 r/min)、輸出功率(500～150 000 kW)。這些產(chǎn)品可以很好地滿足LNG裝置中冷劑壓縮機(jī)等的驅(qū)動(dòng)需求。

3 電機(jī)

電機(jī)作為壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)在國內(nèi)外應(yīng)用也較為成熟。目前,國內(nèi)已運(yùn)行的電機(jī)功率已達(dá)到 30 000～40 000 kW,最大生產(chǎn)能力可達(dá) 75 000 kW。國外運(yùn)行的電機(jī)功率最大已達(dá) 100 000 kW。選擇電機(jī)之前,必須了解冷劑壓縮機(jī)的工作方式、調(diào)速要求、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求以及電機(jī)的控制要求、安裝環(huán)境等,以此為基礎(chǔ)對電機(jī)進(jìn)行選擇。一般選擇的順序是首先確定電機(jī)的功率,再依次確定轉(zhuǎn)速、型式、電壓、種類等[20]。

3.1 功率選擇

正確選擇電機(jī)功率的原則是應(yīng)當(dāng)在電機(jī)能勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下,選擇最經(jīng)濟(jì)合理的電機(jī)功率。如果功率選擇過大,不僅設(shè)備投資會(huì)增大,而且電機(jī)經(jīng)常輕載運(yùn)行,其效率和功率因數(shù)均在較低狀態(tài),此時(shí)設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高,極不經(jīng)濟(jì)。反之,若功率選擇過小,電機(jī)則經(jīng)常要過載運(yùn)行,其使用壽命就會(huì)降低。確定電機(jī)功率時(shí),要從運(yùn)行溫度、過載能力、啟動(dòng)能力等方面來考慮,一般以發(fā)熱為最主要考慮的問題。

3.2 轉(zhuǎn)速選擇

應(yīng)根據(jù)所拖帶壓縮機(jī)的要求選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速,必要時(shí)可選擇高速電機(jī)或齒輪增速電機(jī),還可以選擇多速電機(jī)。

3.3 型式選擇

電機(jī)通常有異步電機(jī)和同步電機(jī),它們的定子繞組相同,主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上有直流勵(lì)磁繞組,所以需要外加勵(lì)磁電源,通過滑環(huán)引入電流;而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是短路的繞組,靠電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流。相比之下,同步電機(jī)較復(fù)雜,造價(jià)高。同步電機(jī)可以通過勵(lì)磁靈活調(diào)節(jié)輸入側(cè)的電壓和電流相位,即功率因數(shù);異步電機(jī)的功率因數(shù)不可調(diào),一般在0.75～0.90,同步電機(jī)效率較異步電機(jī)效率稍高,在 2 000 kW以上的電機(jī)選型時(shí),一般要考慮選用同步電機(jī)。同步電機(jī)因?yàn)橛袆?lì)磁繞組和滑環(huán),需要操作工人有較高的水平來控制勵(lì)磁,且相對于異步電機(jī)的免維護(hù)而言,同步電機(jī)維護(hù)工作量也較大。所以,現(xiàn)在 2 500 kW以下的電機(jī)大多選擇異步電機(jī)。

此外,當(dāng)需要改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓時(shí)可考慮同步電機(jī)。

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)選擇

4.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)型式選擇

如前所述,離心壓縮機(jī)通常的驅(qū)動(dòng)方式有蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。蒸汽輪機(jī)優(yōu)點(diǎn)是:無設(shè)計(jì)缺口,工作物質(zhì)安全性好,單機(jī)效率高(約50%～85%),易與工藝系統(tǒng)匹配,調(diào)節(jié)性好;國內(nèi)外技術(shù)相對成熟,易選取,且竟?fàn)幖ち?交貨期短。但蒸汽輪機(jī)用水蒸汽作工作介質(zhì),需要鍋爐系統(tǒng)、冷凝器、給水處理等大型配套輔助設(shè)備,投資及占地面積加大。燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)點(diǎn)是:裝置小、重量輕、啟動(dòng)快,自動(dòng)化程度高,便于遙控;設(shè)備簡單、磨損少、無濕汽帶來的水擊銹蝕問題。但燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)商少,基本為定型產(chǎn)品,僅較少規(guī)格可選;有設(shè)計(jì)缺口,變工況性能較差、運(yùn)行維護(hù)水平要求較高;輸出功率受環(huán)境影響較大。電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是:無設(shè)計(jì)缺口,建設(shè)工程量少,定期維護(hù)頻率低,可減少計(jì)劃關(guān)停時(shí)間,設(shè)備可靠性高。但電機(jī)需要建大型中心電廠及變配電設(shè)施,增加了資金投入與占地面積,變速驅(qū)動(dòng)時(shí),需要變頻器或無極變速液力藕合器等輔助設(shè)施,投資加大。作為一般原則,驅(qū)動(dòng)機(jī)選擇可考慮三個(gè)方面:

1)當(dāng)蒸汽條件具備時(shí),優(yōu)先考慮蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2)當(dāng)電力條件具備時(shí),優(yōu)先考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng),但對大功率電機(jī)及調(diào)速設(shè)備需要進(jìn)行可行性分析。

3)當(dāng)蒸汽及電力條件都不具備時(shí),優(yōu)先考慮燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng);燃?xì)廨啓C(jī)“斷檔”時(shí),可考慮“燃?xì)廨啓C(jī)+電機(jī)”的復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式。

燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)流程簡單,聯(lián)合蒸汽(或?qū)嵊?后循環(huán)效率較高,對依托的公用工程要求較少,所以,在蒸汽及電力等依托條件不具備時(shí),大功率離心壓縮機(jī)的較佳驅(qū)動(dòng)方案為燃?xì)廨啓C(jī),特別在FLNG裝置中,由于空間受限,需要盡可能減少設(shè)備,燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)就突出了整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)各有其特點(diǎn),其性能比較見表4。

由表4可見,如果在蒸汽條件或電力條件具備的條件下,電機(jī)或蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)有一些優(yōu)勢。另外,在不同條件下驅(qū)動(dòng)機(jī)自身適應(yīng)性也有差別,驅(qū)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性比較見表5。

表4 驅(qū)動(dòng)機(jī)性能比較表

Tab.4 Driver performance comparison

驅(qū)動(dòng)機(jī)熱效率/(%)提供的功率等級(jí)實(shí)用性受大氣溫度的影響投資成本工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)29～34型號(hào)有限良好適中較小航改型燃?xì)廨啓C(jī)41～43型號(hào)有限(最大型功率較小)良好大最小蒸汽輪機(jī)輪機(jī)內(nèi)效率65～85輪機(jī)循環(huán)效率30～45可變?nèi)Q于整個(gè)蒸汽系統(tǒng)小最高電機(jī)無?可變最好無較高?? 注:?熱耗率取決于發(fā)電系統(tǒng)的熱耗率;??假設(shè)由燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)現(xiàn)場發(fā)電。

表5 驅(qū)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性比較表

Tab.5 Driver adaptability comparison

型式優(yōu)勢劣勢應(yīng)用場合燃?xì)廨啓C(jī)裝置小、重量輕、投資少;啟動(dòng)快,自動(dòng)化程度高,便于遙控;設(shè)備簡單,磨損少;無濕汽帶來的水擊銹蝕問題。CO2排放,熱效率低;供應(yīng)商少,設(shè)備制造成本高;變工況性能較差,需要改善;運(yùn)行維護(hù)水平要求較高;輸出功率受環(huán)境影響較大。典型輸出功率范圍:3×104～13×104 kW蒸汽輪機(jī)無設(shè)計(jì)缺口;工作物質(zhì)安全性好,單機(jī)效率高;易與工藝系統(tǒng)匹配,調(diào)節(jié)性好;國內(nèi)外技術(shù)相對成熟,易選取,且竟?fàn)幖ち?交貨期短。用水蒸汽作工作物質(zhì),需要鍋爐系統(tǒng)、冷凝器、給水處理等大型配套輔助設(shè)備,投資及占地面積加大;在缺水及嚴(yán)寒地區(qū),適應(yīng)性差。適用于較大功率的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)(0～13×104 kW);具有方便廉價(jià)的蒸汽供應(yīng)系統(tǒng);業(yè)主特殊要求。電機(jī)無設(shè)計(jì)缺口;配套設(shè)施少,建設(shè)工程量少;定期維護(hù)頻率低,可減少計(jì)劃關(guān)停時(shí)間;設(shè)備可靠性高。需要建大型中心電廠及變配電設(shè)施,增加了資金投入與占地面積;開、停車時(shí),對外部電網(wǎng)影響較大;變速驅(qū)動(dòng)時(shí),需要變頻器或無極變速液力藕合器等輔助設(shè)施,投資加大;需要特殊的防爆措施;目前國內(nèi)制造最大電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力為4×104 kW。適用于小功率的壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng),如BOG壓縮機(jī)(< 1 000 kW);具有方便廉價(jià)的供電系統(tǒng);適宜偏遠(yuǎn)、水源不宜得的地區(qū);業(yè)主特殊要求。

20世紀(jì)70年代以來,國外將燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和電機(jī)用作壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的技術(shù)得到了較大發(fā)展?，F(xiàn)有大型天然氣液化裝置中,由于大功率燃?xì)廨啓C(jī)和電機(jī)技術(shù)發(fā)展處于初期,所以早期的天然氣液化裝置大量采用了蒸汽輪機(jī),但自90年代后,燃?xì)廨啓C(jī)得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以來天然氣液化裝置冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢見圖6。從圖6可以看出:

圖6 世界天然氣液化裝置冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢柱狀圖Fig.6 Driver for refrigerant compressor of world natural gas liquefaction unit

1)20世紀(jì)70、80年代主要采用蒸汽輪機(jī),最大規(guī)模應(yīng)用到270×104t/a的天然氣液化裝置上。

2)90年代后大型天然氣液化裝置的制冷劑壓縮機(jī)主要采用工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī),航改型燃?xì)廨啓C(jī)直到21世紀(jì)才有部分應(yīng)用。

3)目前在大型天然氣液化裝置中使用的工業(yè)型和航改型燃?xì)廨啓C(jī)都是GE公司的產(chǎn)品,其中工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)的型號(hào)有GEFr 5、GEFr 6、GEFr 7、GEFr 9和GE-LM 6000;航改型燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)為GE PGT 25+。

4)近年來應(yīng)用較多的驅(qū)動(dòng)機(jī)有GEFr 9、GEFr 7、GEFr 5和GEFr 6。

盡管在一般情況下,燃?xì)廨啓C(jī)在天然氣液化裝置中作為驅(qū)動(dòng)機(jī)有一些優(yōu)勢,但燃?xì)廨啓C(jī)自身價(jià)格昂貴,在項(xiàng)目前期研究和工程設(shè)計(jì)階段,需要進(jìn)行全面比較。

4.2 驅(qū)動(dòng)方式選擇

驅(qū)動(dòng)方式的選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,需要依據(jù)依托條件,考慮一次投資、操作費(fèi)用、占地面積、技術(shù)可行性等方面進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。此外,在敏感受限地區(qū),還要考慮設(shè)備的可獲得性。驅(qū)動(dòng)方式的比較選擇見表6,供具體設(shè)計(jì)時(shí)參考。

表6 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的比較選擇表

Tab.6 Comparative selection of compressor driving modes

4.3 聯(lián)合驅(qū)動(dòng)

燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)具有系統(tǒng)簡單(可就地采用天然氣,無須經(jīng)過能量轉(zhuǎn)化)、重量輕、投資少、啟動(dòng)快、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢。但燃?xì)廨啓C(jī)均為定型產(chǎn)品,覆蓋面較小,存在斷檔,在壓縮機(jī)功率一定的情況下,不得不選用很大規(guī)格的燃?xì)廨啓C(jī),往往存在“大馬拉小車”的情況,這樣,燃?xì)廨啓C(jī)常常不在最佳效率區(qū)工作,提高了單位產(chǎn)品的能耗,同時(shí)調(diào)節(jié)性能更差。所以,進(jìn)入21世紀(jì)以來,國外多個(gè)項(xiàng)目綜合考慮能耗、投資等因素,采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電由電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)+電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式,如:

1)挪威Hammerfest 430×104t/a的天然氣液化裝置采用了5臺(tái)GE-6B燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組(四開一備)發(fā)電后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)3臺(tái)冷劑壓縮機(jī),見圖7。

2)俄羅斯YAMAL 550×104t/a天然氣液化裝置的冷劑壓縮機(jī)采用燃?xì)廨啓C(jī)+電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方案,其中預(yù)冷壓縮機(jī)為單缸,功率為26 MW;深冷壓縮機(jī)為雙缸,功率為74 MW(LP 5.2 MW+HP 2.2 MW),采用GEFr 7燃?xì)廨啓C(jī)+24 MW的電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng),見圖8。

圖7 Hammerfest 430×104 t/a的天然氣液化裝置壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)配置圖Fig.7 Drive configuration of compressor for Hammerfest 430×104 t/a natural gas liquefaction unit

圖8 YAMAL 550×104 t/a的天然氣液化裝置壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)配置圖Fig.8 Drive configuration of compressor for YAMAL 550×104 t/a natural gas liquefaction unit

5 結(jié)論

天然氣液化裝置冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)的選擇是該類項(xiàng)目的核心議題,需要考慮被驅(qū)動(dòng)機(jī)-冷劑壓縮機(jī)的工況特性、建廠依托條件、現(xiàn)場環(huán)境條件、驅(qū)動(dòng)機(jī)價(jià)格及輔助設(shè)施投資總費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備可獲得性等等,必要時(shí)可采用聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式。