我國天然氣管道核心裝備國產(chǎn)化進(jìn)程及應(yīng)用展望

黃澤俊 高順華 王世君

1.中國石油北京油氣調(diào)控中心 2.中國石油西氣東輸管道公司

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球陸上天然氣有99%都依靠管道輸送。在我國，天然氣管道建設(shè)始于20世紀(jì)70年代，但發(fā)展緩慢；從2000年開始，以西氣東輸工程一線為標(biāo)志的天然氣管道建設(shè)進(jìn)入大發(fā)展時(shí)期，累計(jì)投產(chǎn)管道里程超過16 000km；“十二五”期間，我國天然氣管道建設(shè)又迎來了一個(gè)新的高潮，先后建成或建設(shè)了以西氣東輸二線、西氣東輸三線、中緬天然氣管道為標(biāo)志的大型骨干天然氣管道，預(yù)計(jì)新投產(chǎn)的管道里程將超過21 000km（不含城市管網(wǎng)），超過了之前年份的總和。這些管道在國內(nèi)將塔里木、柴達(dá)木、長慶、川渝等4大主要?dú)庠吹芈?lián)通成網(wǎng)，在周邊將西北中亞、東北俄羅斯、東南緬甸以及沿海進(jìn)口LNG接收站等連接成網(wǎng)，并以地下儲氣庫作為調(diào)峰儲氣支持手段［1］，形成了我國天然氣管道新格局（表1）?？v觀現(xiàn)代天然氣管道技術(shù)的特點(diǎn)，輸送壓力等級高——以10MPa和12MPa為主，應(yīng)用鋼材等級高——X70鋼和X80鋼被廣泛使用［2－3］，輸送流量大——干線管道天然氣輸送量在100×108m3／a以上。如采用上述技術(shù)，就要求干線管道每隔150～170km需設(shè)置一座由2～4臺壓縮機(jī)組組成的壓氣站［4－5］，以保持管道高壓大流量輸送；每隔30 km設(shè)置一座閥室，以便在緊急時(shí)刻和管道維修時(shí)截?cái)嗍褂?。隨著天然氣這種清潔能源逐漸在我國工業(yè)和民用方面被廣泛推廣和普及，中國石油天然氣股份有限公司（以下簡稱中國石油）按照國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃，還將建設(shè)西氣東輸三線、四線、五線以及多座配套地下儲氣庫，這些重大工程對高速燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組、高速直聯(lián)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)組、電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)組以及高壓大口徑全焊接球閥需求量巨大［6］。而目前這些設(shè)備的核心技術(shù)、產(chǎn)品定價(jià)權(quán)以及后續(xù)技術(shù)服務(wù)均被少數(shù)發(fā)達(dá)國家所掌握，開展相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化研制和推廣應(yīng)用，無論是對天然氣管道建設(shè)運(yùn)營企業(yè)，還是對裝備制造企業(yè)，都具有顯著的緊迫性。

表1 中國石油已投產(chǎn)主要天然氣管道及其參數(shù)表

1 天然氣管道裝備國產(chǎn)化在新形勢下的意義

1.1 符合國家關(guān)于管道設(shè)備國產(chǎn)化的政策要求

近年來，國家為推動(dòng)裝備制造業(yè)發(fā)展出臺了一系列規(guī)劃綱要和措施性文件，如《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》（2006年）、《關(guān)于落實(shí)國務(wù)院加快振興裝備制造業(yè)的若干意見有關(guān)進(jìn)口稅收政策的通知》（2007年）等，并且在天然氣管道建設(shè)項(xiàng)目批復(fù)文件中明確提出逐步實(shí)現(xiàn)管道鋼管、增壓機(jī)組、大口徑閥門等國產(chǎn)化的要求。

1.2 保障國家能源安全

我國已經(jīng)初步建成東北、西北、西南和沿海能源進(jìn)口戰(zhàn)略通道，天然氣管道輸送核心設(shè)備全部依賴進(jìn)口，在正常的貿(mào)易往來中，我們可以比較容易地獲取保障管道平穩(wěn)運(yùn)行的技術(shù)裝備、售后服務(wù)、備品備件等；而一旦出現(xiàn)非常情況，壓縮機(jī)組的故障輕則導(dǎo)致管道輸量降低，重則導(dǎo)致管道停輸、氣田停產(chǎn)，而線路閥室故障甚至?xí)苯釉斐赏］斖．a(chǎn)。因此，推進(jìn)天然氣管道裝備國產(chǎn)化還具有保障國家能源安全的戰(zhàn)略意義。

1.3 有效提高天然氣管道行業(yè)效益

輸氣管道的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性很大程度上取決于其所采用的壓縮機(jī)組的性能。壓氣站的投資占輸氣管道總投資的20%～25%，運(yùn)行費(fèi)用占管道總運(yùn)行費(fèi)用的40%～50%，而其中壓縮機(jī)組的投資占壓氣站總投資的一半以上，壓縮機(jī)組的能耗占壓氣站運(yùn)行費(fèi)用的70%左右。因此，在輸氣管道設(shè)計(jì)中選擇技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、服務(wù)保障上性價(jià)比高的設(shè)備和供貨商對于降低天然氣管道工程建設(shè)投資、提高運(yùn)營效益具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1.4 能夠推動(dòng)裝備制造業(yè)發(fā)展

天然氣管道用壓縮機(jī)組主要以30MW級燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)組和20MW級變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組為主，干線管道閥門以口徑為40／48英寸（1英寸＝2.54cm，下同）、壓力等級為 Class600／900為主。目前在我國，這類機(jī)電儀控以及材料等各個(gè)專業(yè)高度集成的裝備大都依賴于進(jìn)口，開展國產(chǎn)化研發(fā)制造，對于推動(dòng)我國裝備制造業(yè)發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新性社會(huì)具有重大意義。

2 天然氣管道裝備國產(chǎn)化的突破口和所取得的成績

2.1 選擇“三大件”作為突破口

早在西氣東輸一線增輸工程上，中國石油就提出國外投標(biāo)商必須與國內(nèi)壓縮機(jī)廠商開展合作，確保至少有一臺壓縮機(jī)由國內(nèi)制造，最終實(shí)現(xiàn)了定遠(yuǎn)站一臺壓縮機(jī)由沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)公司制造的目標(biāo)。以此為契機(jī)，中國石油認(rèn)真落實(shí)國家能源局有關(guān)天然氣管道裝備國產(chǎn)化要求，聯(lián)合國內(nèi)裝備制造企業(yè)，積極推動(dòng)20MW級變頻調(diào)速同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組、30MW級燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組和40／48英寸Class600／900全焊接球閥國產(chǎn)化進(jìn)程。到目前為止，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)管道高壓大口徑全焊接球閥全部替代進(jìn)口產(chǎn)品（圖1、表2）、20MW級電驅(qū)壓縮機(jī)組投產(chǎn)并平穩(wěn)運(yùn)行萬余小時(shí)（圖2、表3）、30MW級燃驅(qū)壓縮機(jī)組完成產(chǎn)品試制等待現(xiàn)場應(yīng)用的良好局面（圖3、表4）［7］。

圖1 國產(chǎn)48英寸高壓全焊接球閥樣機(jī)照片

表2 高壓大口徑全焊接球閥國產(chǎn)化參研企業(yè)表

圖2 西氣東輸二線高陵站整站國產(chǎn)化壓縮機(jī)組現(xiàn)場照片

表3 20MW級電驅(qū)壓縮機(jī)組國產(chǎn)化參研企業(yè)表

圖3 國產(chǎn)30MW級燃?xì)廨啓C(jī)完成工廠組裝現(xiàn)場照片

表4 30MW級燃驅(qū)壓縮機(jī)組國產(chǎn)化參研企業(yè)表

2.2 技術(shù)路線與研發(fā)思路

通過對國內(nèi)相關(guān)裝備制造企業(yè)進(jìn)行廣泛調(diào)研、技術(shù)交流以及現(xiàn)場考察，確立了三大項(xiàng)核心裝備國產(chǎn)化研發(fā)方案和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

1）20MW級電驅(qū)壓縮機(jī)組：突破國內(nèi)通行的低轉(zhuǎn)速電機(jī)配增速齒輪箱建議，采用高速直聯(lián)驅(qū)動(dòng)方案，確定電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 800r／min，功率等級為18～22MW；變頻裝置為電壓源型，多電平單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，容量為25MVA；壓縮機(jī)為PCL800系列，開展型譜化研制。

2）30MW級電驅(qū)壓縮機(jī)組：研發(fā)工作分為兩個(gè)階段，形成兩個(gè)產(chǎn)品，其中產(chǎn)品一為進(jìn)口燃?xì)廨啓C(jī)＋國產(chǎn)壓縮機(jī)＋國產(chǎn)輔助配套系統(tǒng)；產(chǎn)品二為國產(chǎn)高速燃?xì)廨啓C(jī)＋國產(chǎn)壓縮機(jī)＋國產(chǎn)輔助配套系統(tǒng)。

3）高壓大口徑全焊接球閥：確定開展40英寸Class600、48英寸Class600、48英寸Class900全焊接球閥新產(chǎn)品試制。

為確保國產(chǎn)化研制成功并能廣泛推廣應(yīng)用，中國石油西氣東輸管道公司（以下簡稱西氣東輸公司）與參研企業(yè)簽訂研制合同，確立了國產(chǎn)化研發(fā)技術(shù)體系和測試試驗(yàn)體系。

按照確定的研發(fā)目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，西氣東輸公司組織制定了《20MW級高速直聯(lián)變頻電驅(qū)壓縮機(jī)組國產(chǎn)化試制技術(shù)條件》《30MW級燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)組國產(chǎn)化試制技術(shù)條件》和《高壓大口徑全焊接球閥國產(chǎn)化試制技術(shù)條件》，形成了國產(chǎn)化試制技術(shù)體系，作為新產(chǎn)品研制的技術(shù)規(guī)范和驗(yàn)收重要標(biāo)準(zhǔn)。

為解決將缺乏驗(yàn)證和成熟度的研制產(chǎn)品直接應(yīng)用于大型天然氣管道輸氣系統(tǒng)帶來的輸氣運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)問題，創(chuàng)新性形成了電驅(qū)機(jī)組、燃驅(qū)機(jī)組和高壓大口徑全焊接球閥研制應(yīng)用分級試驗(yàn)體系：即主體單元工廠測試、整機(jī)工廠72h聯(lián)機(jī)帶負(fù)荷試驗(yàn)以及投產(chǎn)后4 000 h工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)，以全面檢驗(yàn)評估分系統(tǒng)和成套設(shè)備的安全性、可用性和可靠性。三階段試驗(yàn)順次支撐、逐項(xiàng)控制、持續(xù)改進(jìn)，確保了國產(chǎn)化裝置的研制成功、成套完善、整體先進(jìn)和快速成功推廣。

2.3 所取得的成績

2.3.1 20MW 級電驅(qū)壓縮機(jī)組

所研制的25MVA變頻裝置，為國際同類產(chǎn)品中容量最大的。國內(nèi)首次研制成功IEGT、IGBT兩種方案的H橋級聯(lián)式大功率變頻系統(tǒng)；開發(fā)了功率單元水冷散熱系統(tǒng)水路快速插拔與自動(dòng)閉鎖技術(shù)［8］；首創(chuàng)采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法（EKF）的無刷勵(lì)磁同步機(jī)無速度傳感器矢量控制技術(shù)；采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的電機(jī)效率自動(dòng)識別優(yōu)化磁通技術(shù)。

研制了20MW級國內(nèi)最大容量防爆同步電機(jī)；新型勵(lì)磁機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)無滑環(huán)變頻啟動(dòng)及運(yùn)行，滿足防爆要求；轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足5 040 r／min超高速運(yùn)行要求；特殊結(jié)構(gòu)全阻尼設(shè)計(jì)有效削弱氣隙諧波，確保轉(zhuǎn)子表面無過熱點(diǎn)；電機(jī)及勵(lì)磁機(jī)三軸承軸系設(shè)計(jì)保證電機(jī)在轉(zhuǎn)速3 120～5 040r／min之間平穩(wěn)運(yùn)行，軸振參數(shù)值優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)。

研制了PCL800系列管線離心壓縮機(jī)，工作點(diǎn)效率達(dá)87.5%，流量調(diào)節(jié)范圍介于43%～150%；形成了專用模型級型譜；開發(fā)了高穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，壓縮機(jī)軸振低于15μm，優(yōu)于API標(biāo)準(zhǔn)。

全新開發(fā)了機(jī)組控制系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、UMD保安系統(tǒng)等，成功研發(fā)了成套完善、系統(tǒng)可用的電驅(qū)壓縮機(jī)組。

2.3.2 30MW 級燃驅(qū)壓縮機(jī)組

1）產(chǎn)品一：研發(fā)突破了燃驅(qū)機(jī)組機(jī)帶燃料氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，針對一臺引進(jìn)的具有低排放特性的燃機(jī)，自主研制成功與其相匹配的機(jī)帶燃料氣系統(tǒng)，并能通過“假啟動(dòng)”聯(lián)調(diào)方式對燃料氣系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證，開發(fā)機(jī)組控制系統(tǒng)和輔助配套系統(tǒng)。

2）產(chǎn)品二：研制了國產(chǎn)30MW級燃?xì)廨啓C(jī)，解決了高速燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造、測試等核心技術(shù)，目前已經(jīng)通過工廠第一階段測試，為燃驅(qū)機(jī)組全國產(chǎn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3.3 高壓大口徑全焊接球閥

創(chuàng)新了基于管線球閥實(shí)際載荷分析計(jì)算的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)［9］、防擦傷閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)［10－11］、滿足閥門主焊縫要求的低殘余應(yīng)力、低溫特殊自動(dòng)焊焊接技術(shù)，將斷裂力學(xué)理論首次成功應(yīng)用于閥體主焊縫不進(jìn)行熱處理的安全性評估，研制了適應(yīng)于地面和埋地安裝的3種規(guī)格2種驅(qū)動(dòng)形式的5種高壓大口徑全焊接球閥新產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國際同類產(chǎn)品的水平。

2.4 運(yùn)行狀況

目前國產(chǎn)高壓大口徑全焊接球閥已經(jīng)全面替代進(jìn)口產(chǎn)品，國產(chǎn)20MW級電驅(qū)壓縮機(jī)組也在西氣東輸二線東段投產(chǎn)應(yīng)用5臺套，機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間超過18 000h，運(yùn)行狀態(tài)良好，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)條件的要求。

3 與進(jìn)口產(chǎn)品和服務(wù)對比分析

天然氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化研制的定位和起點(diǎn)都比較高，產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)和性能的確定上都充分考慮了后續(xù)產(chǎn)品能夠與國外廠商同臺競標(biāo)。因此，在設(shè)備技術(shù)參數(shù)、技術(shù)服務(wù)便捷性和備品備件保障方面都具有較大的優(yōu)勢。

對比管道同類壓縮機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)，變頻裝置具有功率單元旁路功能，保障系統(tǒng)可靠性，多電平電壓源型結(jié)構(gòu)，不需安裝諧波濾波器，對電纜無特殊要求；電機(jī)功率因數(shù)在0.96以上，優(yōu)于同類產(chǎn)品；壓縮機(jī)在效率、流量調(diào)節(jié)范圍和軸振參數(shù)方面，均優(yōu)于同類產(chǎn)品；國產(chǎn)球閥在焊接技術(shù)、試驗(yàn)檢測技術(shù)等方面優(yōu)于同類產(chǎn)品。綜合機(jī)組和閥門的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及運(yùn)行情況看，“總體性能達(dá)到國際先進(jìn)，部分指標(biāo)國際領(lǐng)先”。

在技術(shù)服務(wù)便捷性上，國產(chǎn)化后，相同的語言、文化背景使得用戶和廠商溝通交流更加順暢，對于快速提高用戶設(shè)備運(yùn)行維護(hù)水平、廠商協(xié)助解決設(shè)備保障都具有重要作用。

在備品備件供應(yīng)保障上，一方面，省去了繁瑣的國際采購程序和部分進(jìn)口設(shè)備國內(nèi)采購代理環(huán)節(jié)，可以有效減少資金占用和采購成本；另一方面，以國產(chǎn)設(shè)備供貨商為依托，減少備品備件的庫存量，可以提高天然氣管道的運(yùn)營效益。

與此同時(shí)，也要注意到，國內(nèi)廠商在與國外廠商競爭中也存在一定的差距，主要表現(xiàn)在設(shè)備技術(shù)資料標(biāo)準(zhǔn)化、用戶培訓(xùn)系統(tǒng)化和售后服務(wù)規(guī)范化等方面。設(shè)備技術(shù)資料不完整、不齊全，廠商對設(shè)備運(yùn)行操作和維護(hù)保養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)和要求還未完全實(shí)現(xiàn)文字化、標(biāo)準(zhǔn)化，存在不同的工程師有不同建議和解釋的現(xiàn)象，給用戶帶來一定的困擾。多數(shù)廠商還未建立系統(tǒng)的用戶培訓(xùn)體系，沒有統(tǒng)一的培訓(xùn)師資隊(duì)伍和教材，造成培訓(xùn)內(nèi)容缺乏專業(yè)性、培訓(xùn)質(zhì)量參差不齊。多數(shù)廠商還未形成完善的售后服務(wù)管理機(jī)制和團(tuán)隊(duì)，在建立規(guī)范的故障診斷排除、設(shè)備升級服務(wù)、新技術(shù)推介等全方位用戶服務(wù)保障方面還有提升空間。

4 天然氣管道裝備國產(chǎn)化展望

電驅(qū)壓縮機(jī)組、燃驅(qū)壓縮機(jī)組和高壓大口徑全焊接球閥國產(chǎn)化是繼天然氣管道X70、X80鋼管國產(chǎn)化后的又一巨大成就，既關(guān)乎國家能源安全、民族工業(yè)進(jìn)步，又關(guān)乎企業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展、居民用氣成本。

在西氣東輸二線及支干線應(yīng)用7臺套20MW級電驅(qū)壓縮機(jī)組［12］、2臺套30MW級燃驅(qū)壓縮機(jī)和30臺套高壓大口徑全焊接球閥的基礎(chǔ)上，已確定在西氣東輸三線西段推廣應(yīng)用12臺套電驅(qū)壓縮機(jī)組、3臺套30MW級燃驅(qū)壓縮機(jī)組和50%高壓大口徑全焊接球閥，東段壓縮機(jī)組（規(guī)劃設(shè)計(jì)40余臺套）和高壓大口徑全焊接球閥全部國產(chǎn)，后續(xù)規(guī)劃建設(shè)的西氣東輸四線、五線以及其他天然氣管道工程也全部國產(chǎn)化。

在推廣應(yīng)用現(xiàn)有國產(chǎn)化科技成果的基礎(chǔ)上，中國石油于2013年又啟動(dòng)了新一輪天然氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化項(xiàng)目，涉及天然氣調(diào)壓裝置、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、流量計(jì)、軸流閥、旋塞閥等。這些國產(chǎn)化設(shè)備將應(yīng)用于西氣東輸三線、四線、五線等天然氣長輸管道。

與發(fā)達(dá)國家相比，我國的天然氣管道建設(shè)還處于起步階段，以“政產(chǎn)學(xué)研用”模式為平臺，不斷深入開展天然氣長輸管道相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化研制和推廣應(yīng)用，必將帶動(dòng)裝備制造行業(yè)、天然氣行業(yè)的良性發(fā)展，在推動(dòng)企業(yè)自主創(chuàng)新、提升核心競爭力、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等方面都具有重要作用和重大意義。

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