長輸天然氣管道不同壓縮機(jī)驅(qū)動方式的比較

艾勇 張福坤 吳全 王占黎

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油西氣東輸管道公司）

我國天然氣管道建設(shè)方興未艾，隨著中亞、中緬、中俄等進(jìn)口天然氣管道的建成投產(chǎn)和陸續(xù)規(guī)劃建設(shè)，以及國內(nèi)天然氣管網(wǎng)的不斷完善，越來越多的燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)將得到應(yīng)用，并將推動壓縮機(jī)組國產(chǎn)化的進(jìn)程。

燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)是長輸天然氣管道兩種常用的壓縮機(jī)驅(qū)動方式，截止2013年底，我國（包括中亞—中國天然氣管道）安裝投產(chǎn)的長輸天然氣管道壓縮機(jī)組約220套，總裝機(jī)功率約5 000MW，其中燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的機(jī)組數(shù)量約占 75%。我國陜-京（陜西—北京）輸氣管道系統(tǒng)和西氣東輸管道系統(tǒng)干線上已投用93臺燃?xì)廨啓C(jī)和38臺變頻電機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)組，主要為30MW級燃驅(qū)機(jī)組和20MW級電驅(qū)機(jī)組，其中，除西氣東輸管道二線高陵壓氣站為國產(chǎn)機(jī)型外，其他站場均為進(jìn)口機(jī)型。目前，應(yīng)用于天然氣管道的壓縮機(jī)驅(qū)動國產(chǎn)機(jī)型還有冀-寧（青山—安平）聯(lián)絡(luò)線的4臺7.1MW變頻電機(jī)及沁水煤層氣管道的4臺較小功率變頻電機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)及特性

燃?xì)廨啓C(jī)是利用管輸天然氣作為燃料，與壓縮空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體膨脹做功來帶動壓縮機(jī)的一種長輸天然氣管道站場常見驅(qū)動方式。燃?xì)廨啓C(jī)主要由燃?xì)獍l(fā)生器和動力透平組成，同時，配備空氣過濾、燃料氣、潤滑油等輔助系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)具有輸出功率大、可與離心式壓縮機(jī)直連等優(yōu)點(diǎn)，并且燃料氣取自于管輸天然氣，供應(yīng)可靠。但是，燃?xì)廨啓C(jī)也存在體積大、易損件多、故障率高、維護(hù)保養(yǎng)難、廢氣排放量大等缺點(diǎn)，同時，熱效率低且輸出功率受環(huán)境因素影響很大。

變頻電機(jī)通過聯(lián)軸器和齒輪箱間接驅(qū)動壓縮機(jī)，是另一種長輸天然氣管道站場常見驅(qū)動方式。變頻電機(jī)主要由變頻器和交流電動機(jī)組成，同時，配備控制、潤滑油等輔助系統(tǒng)。變頻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易損件少、可靠性高、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，并且效率高、對環(huán)境敏感程度小，無廢氣排放。但是，由于受外部電網(wǎng)的限制，變頻電機(jī)只適用于有充足電力供應(yīng)的地區(qū)，同時，需要消耗大量經(jīng)過過濾后的地下水對變頻器和電動機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻。

燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 啟機(jī)和停機(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)在停機(jī)后，通常需要做好預(yù)熱備用，即，馬達(dá)控制中心柜各開關(guān)位置不變，儀表風(fēng)供應(yīng)正常，控制柜處于通電待機(jī)狀態(tài)，潤滑油溫度在允許啟動溫度以上，整個機(jī)組處于待啟動狀態(tài)，可以隨時投入運(yùn)行。只有處于預(yù)熱備用狀態(tài)的燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)才能啟動，對于首次投用或者由于故障、保養(yǎng)而退出預(yù)熱備用的機(jī)組，必須先進(jìn)行預(yù)熱備用。而燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)在啟機(jī)和停機(jī)的過程上存在著很大的不同。

燃?xì)廨啓C(jī)的啟動過程比較復(fù)雜，啟動時間也比較長，通常需要30min至1h。在清吹充壓、啟動燃?xì)獍l(fā)生器、點(diǎn)火燃燒、啟動動力透平達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，需要保持在此怠速狀態(tài)下暖機(jī) 15～30min（停機(jī)3h以內(nèi)啟機(jī)，只需暖機(jī)2min；停機(jī)3h以上啟機(jī)，環(huán)境溫度高于零度時，暖機(jī) 15min；環(huán)境溫度低于零度時，暖機(jī)30min），之后再加載提速，進(jìn)入運(yùn)行工況。燃?xì)廨啓C(jī)的正常停機(jī)，機(jī)組經(jīng)歷卸載、減速進(jìn)入怠速狀態(tài)，之后開始5min的冷停機(jī)計(jì)時，5min內(nèi)可以通過復(fù)位改變冷停機(jī)程序重新回到加載；5min后，發(fā)出燃料氣關(guān)閥命令，燃料氣隔離閥關(guān)到位后，工藝氣進(jìn)、出口閥關(guān)閉。燃?xì)廨啓C(jī)的啟動流程見圖1。

變頻電機(jī)的啟動相對簡單，啟動時間也較短，通常只需要 2～3min。機(jī)組進(jìn)入啟動程序，經(jīng)歷短時間的清吹和充壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速很快就可以加載上去，通過齒輪箱帶動壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，幾分鐘內(nèi)達(dá)到運(yùn)行工況。變頻電機(jī)停機(jī)的過程也一樣簡單迅速，所以，變頻電機(jī)機(jī)組的切換相對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的切換要容易操作得多。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)的啟動流程

3 典型故障

由于燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)各自原理的不同，所以常見的典型故障也具有不同的特點(diǎn)。燃?xì)廨啓C(jī)的典型故障通常發(fā)生在圍繞燃燒和做功的一系列過程及輔助設(shè)施上，而變頻電機(jī)的典型故障則集中體現(xiàn)在高速轉(zhuǎn)動傳動過程中的振動和磨損方面。

燃?xì)廨啓C(jī)一個比較典型的故障是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)動力渦輪外殼冒煙，動力渦輪軸承箱安裝面密封膠老化引起熱油氣泄漏是造成這種現(xiàn)象的主要原因。燃?xì)獍l(fā)動機(jī)燃料氣控制器故障也比較常見，由于燃料氣調(diào)節(jié)閥限位開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)失效、閥位無法正確反饋等原因造成機(jī)組故障停機(jī)。

變頻電機(jī)在其高速轉(zhuǎn)動和傳動的過程中，常常由于潤滑油供給不足或供給壓力不夠、潤滑油中含有雜質(zhì)、軸承徑向間隙過小等原因造成軸瓦與主軸面摩擦磨損，其外在表現(xiàn)主要為軸承溫度升高導(dǎo)致報警。變頻電機(jī)比燃?xì)廨啓C(jī)安裝有更多的溫度探頭和振動探頭，尤其是對振動的監(jiān)測更加關(guān)注。

4 維護(hù)與保養(yǎng)

燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)雖然在機(jī)組結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理上存在很大的區(qū)別，但是，對于電路、儀表的檢查和校驗(yàn)，密封氣系統(tǒng)的排污和更換濾芯，潤滑油的更換，以及油冷器、空冷器的清洗工作，兩種機(jī)組的維護(hù)和保養(yǎng)工作大同小異。燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)在維護(hù)與保養(yǎng)上的主要不同點(diǎn)，在于燃?xì)廨啓C(jī)葉輪葉片的針孔探傷和變頻電機(jī)聯(lián)軸器的對中。

燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部的葉輪和葉片是高度精密的部件，其材料的好壞和工藝的精細(xì)程度是反映燃?xì)廨啓C(jī)性能優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)。葉輪和葉片外形的完整性和表面的光潔度很大程度上影響到燃?xì)廨啓C(jī)的性能，因此，對葉輪和葉片的維護(hù)與保養(yǎng)至關(guān)重要。如果有沙塵進(jìn)入到燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部，就可能擦傷及磨損葉輪和葉片，通常采用針孔探傷的方式進(jìn)行檢查。針孔探傷是將一根帶有探頭的細(xì)管伸入燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)部，通過顯示器觀察葉輪和葉片的形狀和表面光潔程度。

變頻電機(jī)與壓縮機(jī)是通過聯(lián)軸器—齒輪箱—聯(lián)軸器連接的，齒輪箱中有兩個大小不一樣的齒輪，其嚙合比通常為 5～6，變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般小于2 000r/min，而通過齒輪箱變速后，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可超過 9 000r/min。將變頻電機(jī)、齒輪箱和壓縮機(jī)連在一起，實(shí)現(xiàn)高速傳動的聯(lián)軸器必須保持高度的同心性。變頻電機(jī)聯(lián)軸器的對中，是變頻電機(jī)維護(hù)和保養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。通常采用精度在0.01mm的儀表，對聯(lián)軸器的同心性進(jìn)行檢驗(yàn)。

燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)周期根據(jù)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時間計(jì)算，以目前我國長輸天然氣管道常用的 30MW 級燃驅(qū)機(jī)組和 20MW 級電驅(qū)機(jī)組為例，燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)維護(hù)與保養(yǎng)相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)維護(hù)與保養(yǎng)相關(guān)參數(shù)

5 費(fèi)用比較

使用變頻電機(jī)引入外電，很大程度上受外電源距離的制約，其所需的投資費(fèi)用大小是影響選用變頻電機(jī)的一個重要因素，當(dāng)外電源距離低于 50km時，使用變頻電機(jī)的一次性投資比使用同等級功率的燃?xì)廨啓C(jī)要低近20%。體積龐大的燃?xì)廨啓C(jī)及其冗多的輔助設(shè)施造成了其安裝費(fèi)用要高于模塊化設(shè)計(jì)的變頻電機(jī)。從運(yùn)行費(fèi)用上看，燃?xì)廨啓C(jī)以管輸天然氣為燃料，將商品氣作為動力消耗，是一種很不經(jīng)濟(jì)而又不得已的做法；而變頻電機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用在很大程度上取決于所依賴的外部電網(wǎng)的電價。由于易損件多、更換維修較頻繁，燃?xì)廨啓C(jī)的維護(hù)費(fèi)用也比變頻電機(jī)要高。除此之外，在一些國家和地區(qū)出于對環(huán)境保護(hù)的要求，燃?xì)廨啓C(jī)需要在廢氣處理上承擔(dān)一部分額外的費(fèi)用或罰款。燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)費(fèi)用比較見表3。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)費(fèi)用比較

6 發(fā)展趨勢

目前，我國已安裝的天然氣管道壓縮機(jī)組中，燃驅(qū)機(jī)組約占 3/4。由于電驅(qū)機(jī)組比燃驅(qū)機(jī)組具有初期投資少、易維護(hù)等優(yōu)勢，并隨著天然氣價格的進(jìn)一步提高，電驅(qū)機(jī)組在未來經(jīng)濟(jì)比選中將更具備優(yōu)勢，選用電驅(qū)機(jī)組比例會逐漸增大。但是，由于我國天然氣資源主要分布在西部，管道大部分途經(jīng)荒蕪地帶，外電依托條件差，一段時間內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)仍將是我國天然氣管道壓縮機(jī)的主要驅(qū)動選型。

目前，國內(nèi)長輸天然氣管道用燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)基本都為進(jìn)口機(jī)組，市場被國外在該領(lǐng)域具備世界先進(jìn)水平的供應(yīng)商所壟斷。盡管如此，隨著各類壓縮機(jī)組在我國天然氣管道上應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，為方便機(jī)組維護(hù)保養(yǎng)，各制造商都加大了在中國配套生產(chǎn)輔助設(shè)備的比例，進(jìn)排氣系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了在國內(nèi)制造。同時，國內(nèi)的壓縮機(jī)組制造商也在積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)與國外供應(yīng)商在研發(fā)領(lǐng)域的合作，并且在西氣東輸管道系統(tǒng)上已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化機(jī)組的應(yīng)用。未來幾年，在西氣東輸管道二線的 5座壓氣站上將投用8套國產(chǎn)化壓縮機(jī)組，其中6套由變頻電機(jī)驅(qū)動、2套由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動。除此之外，還有3座壓氣站嘗試使用進(jìn)口變頻電機(jī)驅(qū)動國產(chǎn)壓縮機(jī)。盡管我國近幾年來對燃?xì)廨啓C(jī)和變頻電機(jī)的重視程度越來越高、科研力度不斷加大、國產(chǎn)化也取得了初步成果，但是，由于在材料和工藝等核心技術(shù)上的欠缺，距離大規(guī)模國產(chǎn)化還任重道遠(yuǎn)。

[1] 盧鵬飛.離心壓縮機(jī)各種變速驅(qū)動機(jī)的比較和選擇[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2005,26(3): 43-49.

[2] 徐鐵軍.燃?xì)廨啓C(jī)在我國天然氣管道行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),2012,25(1): 12-16.