天然氣液化裝置冷劑壓縮機驅動機選擇概論

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作為冷劑壓縮機,而冷劑壓縮機驅動機的選擇是液化裝置面臨的首要關鍵問題[1-3]。冷劑壓縮機有負荷多變的特點,要適應各種不同的工況條件,如原料氣組成變化及參數(shù)波動、四季環(huán)境溫度變化、冷劑配置過程組分變化、正常操作時適應負荷調節(jié)等等。冷劑壓縮機的這些特殊性要求其驅動機需要滿足如下條件:

1)工況改變時,要適應可能出現(xiàn)的負荷波動要求。

2)驅動機滿足轉矩要求,尤其是起動轉矩與加速的要求。

3)依托條件和動力來源方便穩(wěn)定、投資總費用與運行費用最小。

4)可靠性高。

一般而言,用于離心壓縮機的驅動機有電機(包括異步電機和同步電機)[4]、內燃氣輪機、渦輪機(燃氣輪機和蒸汽輪機)[5-7]、膨脹機(包括煙氣輪機、液力輪機、螺桿或滑片式膨脹機)等,內燃氣輪機、膨脹機由于結構及介質條件限制,一般輸出功率較小,不適宜作為大功率驅動機使用,故液化裝置冷劑壓縮機的驅動機常選用燃氣輪機、蒸汽輪機和電機[8-10]。

1 燃氣輪機

燃氣輪機是以連續(xù)流動的燃氣作為工作介質帶動葉輪高速旋轉,將燃氣的能量轉變?yōu)橛杏霉Φ膭恿C械。由于燃氣輪機系統(tǒng)流程簡單,聯(lián)合蒸汽(或導熱油)后循環(huán)效率較高,再加上天然氣液化工廠中有充足的燃氣,所以大型天然氣液化裝置用大功率離心壓縮機的較佳驅動方案為燃氣輪機。

圖1是一個簡單開式等壓內燃式燃氣輪機的工作原理示意圖[2],其中壓氣機從外界大氣中吸入空氣,把它壓縮成具有較高壓力的氣體,同時空氣的溫度也相應升高。再將空氣送入燃燒室與噴入的燃氣相混合,點火等壓燃燒,產(chǎn)生高溫煙氣。具有高溫和較高壓力的煙氣進入渦輪中膨脹作功,推動渦輪并帶動壓氣機轉子一起旋轉。這樣,燃氣輪機就把燃氣中的化學能轉變成機械功。一般燃氣渦輪中所作的機械功大約2/3被用來帶動壓氣機,消耗在提高空氣的壓力和溫度上,其余1/3左右的機械功則通過軸輸出去驅動壓縮機等從動機械。

工業(yè)用燃氣輪機按照用途可分為重型、航改型、工業(yè)型。重型是由汽輪機技術發(fā)展起來的,一般為單軸結構,主要用于發(fā)電。航改型是由航空發(fā)動機技術發(fā)展起來的,一般為分軸結構,多用于驅動機。工業(yè)型是吸收了重型和輕型燃氣輪機的優(yōu)點而發(fā)展起來的,可用于發(fā)電

圖1 燃氣輪機工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of gas turbine operating principle

和驅動。在實際選擇時,選用單軸、雙軸還是多軸燃氣輪機,取決于系統(tǒng)中負載的變化情況,當系統(tǒng)負載變化不大時,一般選用單軸燃氣輪機,如拖動發(fā)電機的燃氣輪機;當系統(tǒng)負荷變化較大時,可視其具體情況選用雙軸或多軸燃氣輪機。燃氣輪機和蒸汽輪機、內燃氣輪機相比較,具有以下優(yōu)缺點[1]:

1)體積小，重量輕,投資成本較低。機器重量和所占體積往往只有蒸汽輪機或內燃氣輪機的幾分之一。金屬材料消耗少,廠房基建規(guī)模小,投資成本僅為蒸汽動力裝置的20%～80%左右。

2)燃料適應性強、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,因此可在缺水地區(qū)運行,易作無電源啟動,有的用電和潤滑油僅占燃料費的1%左右,而蒸汽輪機和內燃氣輪機用電和潤滑油需占燃料費的6%左右。

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

5)設備簡單,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。目前燃氣輪機的效率已達到40%,同超高壓汽輪機循環(huán)系統(tǒng)的效率相當,采用燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)可使效率達到55%以上,當然需要配套余熱回收系統(tǒng)。

燃氣輪機具有上述比較優(yōu)勢的同時,也存在不足之處及發(fā)展中亟待解決的問題:

1)自身內效率低。目前,燃氣輪機的內效率僅相當于低參數(shù)蒸汽輪機的內效率,與內燃氣輪機和高參數(shù)蒸汽輪機相比,燃氣輪機的內效率較低。

2)蒸汽輪機是高初壓而初溫不是太高,但燃氣輪機是高初溫而初壓不太高。燃氣的初溫愈高作功能力愈大,且熱效率愈高,因此研制既耐高溫又具有高強度等良好機械性能的材料,是十分重要的問題,設備制造成本高。

3)改進高溫葉片和燃燒室壁面的冷卻技術,對提高燃氣溫度有很大的輔助作用。

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

5)單軸結構燃氣輪機變工況性能較差。

6)運行維護水平要求較高。

1.1 國內外燃氣輪機概況

由于大功率燃氣輪機的設計與制造非常復雜(涉及到耐高溫又具有高強度的材料、大型壓氣機和渦輪的熱動性能、高溫葉片的制造和燃燒室壁面的冷卻技術等)且工業(yè)拖動應用少,因此我國在大功率工業(yè)拖動燃氣輪機方面的成熟度不足,與國外存在較大差距,需要進行大量的研發(fā)、工業(yè)性試驗工作[11-12]。

我國在20世紀50年代后期就自行開發(fā)研制大功率燃氣輪機,先后有東方汽輪機廠(以下簡稱“東汽”)、南京汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠、上海汽輪機廠、成都發(fā)動機集團公司、沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司、中船重工和中航等設計開發(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備制造有限公司(以下簡稱“三菱日立”)于2003年簽署F級重型發(fā)電燃氣輪機的技術轉讓協(xié)議,以許可證的方式進行合作,合作中三菱日立對中方嚴格保密高溫熱部件的相關技術,東汽需向三菱日立采購高溫熱部件,主要機型見表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”)進行合作,為SGT-700(33/34 MW)燃氣輪機、L 20和L 30燃氣輪機(18 MW、30 MW)和NAVA LT 16燃氣輪機(16 MW)進行配套和系統(tǒng)成套。

表1 東汽-三菱日立協(xié)議生產(chǎn)的發(fā)電燃氣輪機規(guī)格表

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

型號頻率/Hz燃氣輪機功率/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80年代中期開始與GE公司建立了燃氣輪機合作生產(chǎn)關系,與GE公司合作生產(chǎn)6 B(4.2×104kW)與9 E(12.5×104kW)系列發(fā)電燃氣輪機。根據(jù)與GE公司的合作生產(chǎn)協(xié)議,燃氣輪機轉子、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)范和標準進行生產(chǎn)、裝配,整套機組工廠試驗數(shù)據(jù)經(jīng)GE公司認可后出廠。

哈爾濱汽輪機廠在20世紀80年代和GE公司合作生產(chǎn)9 FA重型發(fā)電燃氣輪機,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。

上海汽輪機廠(以下簡稱“上汽”)從20世紀80年代引進西門子技術用于重型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組,共有小F級(功率7.8×104kW)、E級(17× 104kW)、F級(32×104kW)三個規(guī)格,由于其技術完全來自國外,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,其主要機型見表2。

表2 上汽-安薩爾多協(xié)議生產(chǎn)的燃氣輪機規(guī)格表

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

燃氣輪機等級型號軸數(shù)量轉速/(r·min-1)單機功率/MW單機效率/(%)聯(lián)合功率/MW聯(lián)合循環(huán)效率/(%)適用燃料F級AE 94.3 A單軸3 00032540.148359.7標準天然氣、燃油小F級AE 64.3 A單軸5 4007836.511754.7標準天然氣、燃油E級AE 94.2單軸3 00018536.227053.1標準天然氣、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年引進烏克蘭GT 25000艦用燃氣輪機，輸出功率 25 000 kW,目前已有多臺用于西氣東輸項目驅動壓縮機。同時該公司與西門子合作生產(chǎn)中小型燃氣輪機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)中小型燃氣輪機H 15、H 25、H 80(11×104kW),但核心機仍需要依靠外方,且功率相對偏小。

國外燃氣輪機技術得到了長足發(fā)展,除用于發(fā)電外,機械驅動機型也有較多的選擇方案,部分機械驅動燃氣輪機參數(shù)見表3。

燃氣輪機的銘牌功率是在標準大氣條件下確定的,稱為ISO功率,當現(xiàn)場大氣條件偏離標準大氣條件時,應按制造廠提供的技術資料對燃氣輪機的現(xiàn)場實發(fā)功率進行修正。

表3 國外部分機械驅動燃氣輪機參數(shù)表

Tab.3 Parameters of some mechanical driven gas turbines abroad

公司型號ISO功率/kW熱耗率/(kJ·(kW·h)-1)燃氣輪機效率/(%)渦輪轉速/(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 燃氣輪機選擇需考慮的因素

1.2.1 ISO工況(標準工作條件)

ISO工況為燃氣輪機銘牌功率的基準條件:

1)壓氣機進口截面處空氣進口總壓力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)排氣條件是高溫燃氣出口截面處的靜壓力為101.325 kPa。

一般燃氣輪機廠家樣本提供的資料都是在ISO工況下的參數(shù)。

1.2.2 進、排氣壓力損失引起的功率修正

空氣進入燃氣輪機的壓氣機之前,一般會經(jīng)過室外空氣過濾器、進氣管道、消聲器及進氣噴水冷卻裝置等設備,燃氣輪機后部通常裝有排氣消聲器、排煙管道波紋補償器、三通管、煙道閥和余熱鍋爐等設施。進、排氣系統(tǒng)的壓力損失應作水力計算確定或按制造廠提供數(shù)據(jù)確定(通常中小型燃氣輪機進氣損失在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施則還應加入煙氣通過余熱鍋爐或廢熱回收設施的壓力損失)。因進、排氣壓力損失引起的功率降低值應按燃氣輪機制造廠提供的進、排氣壓力損失功率下降曲線來確定,估算時可按1%～3%的銘牌功率計算功率降[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準大氣條件時會引起燃氣輪機壓氣機進氣的質量流量變化,進而影響燃氣輪機的功率?，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典型氣溫進行核算,以取得燃氣輪機在這三種氣溫下的現(xiàn)場功率。其功率隨氣溫變化應按制造廠提供的特性曲線或數(shù)據(jù)進行修正,一般情況下環(huán)境溫度對燃氣輪機的輸出功率影響很大,無資料進行估算時,可按每1 ℃ 0.7%～1%功率升降進行估算。大氣環(huán)境溫度低于15 ℃時,在一定范圍內,燃氣輪機輸出功率略有增大,增大值應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)對燃氣輪機輸出功率的影響很大,應按制造廠的特性曲線進行修正。

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 長期運行引起的功率修正

經(jīng)過長期運行后,由于進入壓氣機的空氣中仍然含有少量灰塵,壓氣機和燃氣輪機的葉片雖然會定期清洗,但仍會產(chǎn)生結垢,燃氣輪機葉片在長期高溫狀態(tài)下甚至可能產(chǎn)生變形。這些因素都會引起燃氣輪機的功率下降,因此一般燃氣輪機機組需要定期進行大修,無資料進行估算時,可按0.5%～2%功率降計。

2 蒸汽輪機

蒸汽輪機是以蒸汽為工作介質,將蒸汽的熱能轉變?yōu)檗D子旋轉的機械能的動力機械,具有單機功率大、轉速可變、運轉安全、使用壽命長等特點。

2.1 蒸汽輪機的選擇

2.1.1 沖動式蒸汽輪機和反動式蒸汽輪機

蒸汽輪機一般分為沖動式蒸汽輪機和反動式蒸汽輪機,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、轉速都有變化的變工況條件下,沖動式蒸汽輪機的效率曲線下降幅度較大,反動式蒸汽輪機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)領域反動式蒸汽輪機的長期運行效率要明顯高于沖動式蒸汽輪機的長期運行效率。在定功率、定轉速條件下兩者效率相差不大[18-19]。

圖3 沖動式蒸汽輪機效率曲線圖Fig.3 Efficiency curve of impulse steam turbine

圖4 反動式蒸汽輪機效率曲線圖Fig.4 Efficiency curve of reaction steam turbine

2.1.2 蒸汽輪機型式選擇

流程中常用的蒸汽輪機有凝汽式、抽凝式、背壓式等型式,需要結合整個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換而造成能量損失。此外,作為驅動機應滿足正常操作調速和開工的要求。

2.1.3 凝汽器選擇

凝汽器主要有水冷式和空冷式,目的是在蒸汽輪機排汽側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。空冷式也稱為干式凝汽系統(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裝置蒸汽輪機的應用

蒸汽輪機作為離心壓縮機的驅動機在國內外應用較為成熟,機器型號齊全,無設計缺口,可選擇的廠商較多,工藝調節(jié)方便,安全性較高,國外在早期基本負荷型LNG裝置中絕大部分使用蒸汽輪機驅動。在我國的一些小型LNG裝置中,由于依托條件較好,也采用了蒸汽輪機驅動。

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

我國蒸汽輪機作為驅動機的技術較為成熟。我國杭汽的系列化模塊化反動式工業(yè)汽輪機技術,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裝置中冷劑壓縮機等的驅動需求。

3 電機

電機作為壓縮機的驅動機在國內外應用也較為成熟。目前,國內已運行的電機功率已達到 30 000～40 000 kW,最大生產(chǎn)能力可達 75 000 kW。國外運行的電機功率最大已達 100 000 kW。選擇電機之前,必須了解冷劑壓縮機的工作方式、調速要求、起動轉矩要求以及電機的控制要求、安裝環(huán)境等,以此為基礎對電機進行選擇。一般選擇的順序是首先確定電機的功率,再依次確定轉速、型式、電壓、種類等[20]。

3.1 功率選擇

正確選擇電機功率的原則是應當在電機能勝任生產(chǎn)機械負載要求的前提下,選擇最經(jīng)濟合理的電機功率。如果功率選擇過大,不僅設備投資會增大,而且電機經(jīng)常輕載運行,其效率和功率因數(shù)均在較低狀態(tài),此時設備運行費用高,極不經(jīng)濟。反之,若功率選擇過小,電機則經(jīng)常要過載運行,其使用壽命就會降低。確定電機功率時,要從運行溫度、過載能力、啟動能力等方面來考慮,一般以發(fā)熱為最主要考慮的問題。

3.2 轉速選擇

應根據(jù)所拖帶壓縮機的要求選擇電機的轉速,必要時可選擇高速電機或齒輪增速電機,還可以選擇多速電機。

3.3 型式選擇

電機通常有異步電機和同步電機,它們的定子繞組相同,主要區(qū)別在于轉子的結構。同步電機的轉子上有直流勵磁繞組,所以需要外加勵磁電源,通過滑環(huán)引入電流;而異步電機的轉子是短路的繞組,靠電磁感應產(chǎn)生電流。相比之下,同步電機較復雜,造價高。同步電機可以通過勵磁靈活調節(jié)輸入側的電壓和電流相位,即功率因數(shù);異步電機的功率因數(shù)不可調,一般在0.75～0.90,同步電機效率較異步電機效率稍高,在 2 000 kW以上的電機選型時,一般要考慮選用同步電機。同步電機因為有勵磁繞組和滑環(huán),需要操作工人有較高的水平來控制勵磁,且相對于異步電機的免維護而言,同步電機維護工作量也較大。所以,現(xiàn)在 2 500 kW以下的電機大多選擇異步電機。

此外,當需要改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調節(jié)電網(wǎng)電壓時可考慮同步電機。

4 驅動機選擇

4.1 驅動機型式選擇

如前所述,離心壓縮機通常的驅動方式有蒸汽輪機、燃氣輪機和電機驅動。蒸汽輪機優(yōu)點是:無設計缺口,工作物質安全性好,單機效率高(約50%～85%),易與工藝系統(tǒng)匹配,調節(jié)性好;國內外技術相對成熟,易選取,且竟爭激烈,交貨期短。但蒸汽輪機用水蒸汽作工作介質,需要鍋爐系統(tǒng)、冷凝器、給水處理等大型配套輔助設備,投資及占地面積加大。燃氣輪機優(yōu)點是:裝置小、重量輕、啟動快,自動化程度高,便于遙控;設備簡單、磨損少、無濕汽帶來的水擊銹蝕問題。但燃氣輪機供應商少,基本為定型產(chǎn)品,僅較少規(guī)格可選;有設計缺口,變工況性能較差、運行維護水平要求較高;輸出功率受環(huán)境影響較大。電機優(yōu)點是:無設計缺口,建設工程量少,定期維護頻率低,可減少計劃關停時間,設備可靠性高。但電機需要建大型中心電廠及變配電設施,增加了資金投入與占地面積,變速驅動時,需要變頻器或無極變速液力藕合器等輔助設施,投資加大。作為一般原則,驅動機選擇可考慮三個方面:

1)當蒸汽條件具備時,優(yōu)先考慮蒸汽輪機驅動。

2)當電力條件具備時,優(yōu)先考慮電機驅動,但對大功率電機及調速設備需要進行可行性分析。

3)當蒸汽及電力條件都不具備時,優(yōu)先考慮燃氣輪機驅動;燃氣輪機“斷檔”時,可考慮“燃氣輪機+電機”的復合驅動方式。

燃氣輪機系統(tǒng)流程簡單,聯(lián)合蒸汽(或導熱油)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,大功率離心壓縮機的較佳驅動方案為燃氣輪機,特別在FLNG裝置中,由于空間受限,需要盡可能減少設備,燃氣輪機驅動就突出了整個系統(tǒng)的優(yōu)勢。燃氣輪機、蒸汽輪機和電機驅動各有其特點,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,電機或蒸汽輪機驅動有一些優(yōu)勢。另外,在不同條件下驅動機自身適應性也有差別,驅動機適應性比較見表5。

表4 驅動機性能比較表

Tab.4 Driver performance comparison

驅動機熱效率/(%)提供的功率等級實用性受大氣溫度的影響投資成本工業(yè)型燃氣輪機29～34型號有限良好適中較小航改型燃氣輪機41～43型號有限(最大型功率較小)良好大最小蒸汽輪機輪機內效率65～85輪機循環(huán)效率30～45可變取決于整個蒸汽系統(tǒng)小最高電機無?可變最好無較高?? 注:?熱耗率取決于發(fā)電系統(tǒng)的熱耗率;??假設由燃氣輪機發(fā)電機現(xiàn)場發(fā)電。

表5 驅動機適應性比較表

Tab.5 Driver adaptability comparison

型式優(yōu)勢劣勢應用場合燃氣輪機裝置小、重量輕、投資少;啟動快,自動化程度高,便于遙控;設備簡單,磨損少;無濕汽帶來的水擊銹蝕問題。CO2排放,熱效率低;供應商少,設備制造成本高;變工況性能較差,需要改善;運行維護水平要求較高;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蒸汽輪機無設計缺口;工作物質安全性好,單機效率高;易與工藝系統(tǒng)匹配,調節(jié)性好;國內外技術相對成熟,易選取,且竟爭激烈,交貨期短。用水蒸汽作工作物質,需要鍋爐系統(tǒng)、冷凝器、給水處理等大型配套輔助設備,投資及占地面積加大;在缺水及嚴寒地區(qū),適應性差。適用于較大功率的壓縮機驅動(0～13×104 kW);具有方便廉價的蒸汽供應系統(tǒng);業(yè)主特殊要求。電機無設計缺口;配套設施少,建設工程量少;定期維護頻率低,可減少計劃關停時間;設備可靠性高。需要建大型中心電廠及變配電設施,增加了資金投入與占地面積;開、停車時,對外部電網(wǎng)影響較大;變速驅動時,需要變頻器或無極變速液力藕合器等輔助設施,投資加大;需要特殊的防爆措施;目前國內制造最大電機驅動能力為4×104 kW。適用于小功率的壓縮機驅動,如BOG壓縮機(< 1 000 kW);具有方便廉價的供電系統(tǒng);適宜偏遠、水源不宜得的地區(qū);業(yè)主特殊要求。

20世紀70年代以來,國外將燃氣輪機、蒸汽輪機和電機用作壓縮機驅動機的技術得到了較大發(fā)展?，F(xiàn)有大型天然氣液化裝置中,由于大功率燃氣輪機和電機技術發(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,但自90年代后,燃氣輪機得到廣泛應用。20世紀70年代以來天然氣液化裝置冷劑壓縮機驅動機的發(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驅動機發(fā)展趨勢柱狀圖Fig.6 Driver for refrigerant compressor of world natural gas liquefaction unit

1)20世紀70、80年代主要采用蒸汽輪機,最大規(guī)模應用到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主要采用工業(yè)型燃氣輪機,航改型燃氣輪機直到21世紀才有部分應用。

3)目前在大型天然氣液化裝置中使用的工業(yè)型和航改型燃氣輪機都是GE公司的產(chǎn)品,其中工業(yè)型燃氣輪機的型號有GEFr 5、GEFr 6、GEFr 7、GEFr 9和GE-LM 6000;航改型燃氣輪機型號為GE PGT 25+。

4)近年來應用較多的驅動機有GEFr 9、GEFr 7、GEFr 5和GEFr 6。

盡管在一般情況下,燃氣輪機在天然氣液化裝置中作為驅動機有一些優(yōu)勢,但燃氣輪機自身價格昂貴,在項目前期研究和工程設計階段,需要進行全面比較。

4.2 驅動方式選擇

驅動方式的選擇是一項復雜的工作,需要依據(jù)依托條件,考慮一次投資、操作費用、占地面積、技術可行性等方面進行全面技術經(jīng)濟比較。此外,在敏感受限地區(qū),還要考慮設備的可獲得性。驅動方式的比較選擇見表6,供具體設計時參考。

表6 壓縮機驅動方式的比較選擇表

Tab.6 Comparative selection of compressor driving modes

4.3 聯(lián)合驅動

燃氣輪機作為驅動機具有系統(tǒng)簡單(可就地采用天然氣,無須經(jīng)過能量轉化)、重量輕、投資少、啟動快、自動化程度高等優(yōu)勢。但燃氣輪機均為定型產(chǎn)品,覆蓋面較小,存在斷檔,在壓縮機功率一定的情況下,不得不選用很大規(guī)格的燃氣輪機,往往存在“大馬拉小車”的情況,這樣,燃氣輪機常常不在最佳效率區(qū)工作,提高了單位產(chǎn)品的能耗,同時調節(jié)性能更差。所以,進入21世紀以來,國外多個項目綜合考慮能耗、投資等因素,采用燃氣輪機發(fā)電由電機驅動壓縮機或者燃氣輪機+電機聯(lián)合驅動的方式,如:

1)挪威Hammerfest 430×104t/a的天然氣液化裝置采用了5臺GE-6B燃氣輪機發(fā)電機組(四開一備)發(fā)電后由電機驅動3臺冷劑壓縮機,見圖7。

2)俄羅斯YAMAL 550×104t/a天然氣液化裝置的冷劑壓縮機采用燃氣輪機+電機聯(lián)合驅動的方案,其中預冷壓縮機為單缸,功率為26 MW;深冷壓縮機為雙缸,功率為74 MW(LP 5.2 MW+HP 2.2 MW),采用GEFr 7燃氣輪機+24 MW的電機聯(lián)合驅動,見圖8。

圖7 Hammerfest 430×104 t/a的天然氣液化裝置壓縮機驅動配置圖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驅動配置圖Fig.8 Drive configuration of compressor for YAMAL 550×104 t/a natural gas liquefaction unit

5 結論

天然氣液化裝置冷劑壓縮機驅動機的選擇是該類項目的核心議題,需要考慮被驅動機-冷劑壓縮機的工況特性、建廠依托條件、現(xiàn)場環(huán)境條件、驅動機價格及輔助設施投資總費用、運行費用、設備可獲得性等等,必要時可采用聯(lián)合驅動方式。