天然气液化装置冷剂压缩机驱动机选择概论

时间：2024-11-07

范吉全叶林常亮兰天杨永光

中国寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100020

0 前言

大中型天然气液化装置通常采用离心压缩机作为冷剂压缩机,而冷剂压缩机驱动机的选择是液化装置面临的首要关键问题[1-3]。冷剂压缩机有负荷多变的特点,要适应各种不同的工况条件,如原料气组成变化及参数波动、四季环境温度变化、冷剂配置过程组分变化、正常操作时适应负荷调节等等。冷剂压缩机的这些特殊性要求其驱动机需要满足如下条件:

1)工况改变时,要适应可能出现的负荷波动要求。

2)驱动机满足转矩要求,尤其是起动转矩与加速的要求。

3)依托条件和动力来源方便稳定、投资总费用与运行费用最小。

4)可靠性高。

一般而言,用于离心压缩机的驱动机有电机(包括异步电机和同步电机)[4]、内燃气轮机、涡轮机(燃气轮机和蒸汽轮机)[5-7]、膨胀机(包括烟气轮机、液力轮机、螺杆或滑片式膨胀机)等,内燃气轮机、膨胀机由于结构及介质条件限制,一般输出功率较小,不适宜作为大功率驱动机使用,故液化装置冷剂压缩机的驱动机常选用燃气轮机、蒸汽轮机和电机[8-10]。

1 燃气轮机

燃气轮机是以连续流动的燃气作为工作介质带动叶轮高速旋转,将燃气的能量转变为有用功的动力机械。由于燃气轮机系统流程简单,联合蒸汽(或导热油)后循环效率较高,再加上天然气液化工厂中有充足的燃气,所以大型天然气液化装置用大功率离心压缩机的较佳驱动方案为燃气轮机。

图1是一个简单开式等压内燃式燃气轮机的工作原理示意图[2],其中压气机从外界大气中吸入空气,把它压缩成具有较高压力的气体,同时空气的温度也相应升高。再将空气送入燃烧室与喷入的燃气相混合,点火等压燃烧,产生高温烟气。具有高温和较高压力的烟气进入涡轮中膨胀作功,推动涡轮并带动压气机转子一起旋转。这样,燃气轮机就把燃气中的化学能转变成机械功。一般燃气涡轮中所作的机械功大约2/3被用来带动压气机,消耗在提高空气的压力和温度上,其余1/3左右的机械功则通过轴输出去驱动压缩机等从动机械。

工业用燃气轮机按照用途可分为重型、航改型、工业型。重型是由汽轮机技术发展起来的,一般为单轴结构,主要用于发电。航改型是由航空发动机技术发展起来的,一般为分轴结构,多用于驱动机。工业型是吸收了重型和轻型燃气轮机的优点而发展起来的,可用于发电

图1 燃气轮机工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of gas turbine operating principle

和驱动。在实际选择时,选用单轴、双轴还是多轴燃气轮机,取决于系统中负载的变化情况,当系统负载变化不大时,一般选用单轴燃气轮机,如拖动发电机的燃气轮机;当系统负荷变化较大时,可视其具体情况选用双轴或多轴燃气轮机。燃气轮机和蒸汽轮机、内燃气轮机相比较,具有以下优缺点[1]:

1)体积小，重量轻,投资成本较低。机器重量和所占体积往往只有蒸汽轮机或内燃气轮机的几分之一。金属材料消耗少,厂房基建规模小,投资成本仅为蒸汽动力装置的20%～80%左右。

2)燃料适应性强、公害少。可使用重油、煤油等便宜的燃料,甚至可利用废气、余气等。排气比较干净,对空气污染较少。

3)节省水、电、润滑油。不用水或仅需少量的冷却水作工作物质,因此可在缺水地区运行,易作无电源启动,有的用电和润滑油仅占燃料费的1%左右,而蒸汽轮机和内燃气轮机用电和润滑油需占燃料费的6%左右。

4)启动快,自动化程度高。从冷车启动到满负荷只需几十秒到几分种,而蒸汽轮机从启动到满负荷往往需要几十分种到数小时;自动化程度高,便于遥控,甚至现场可不需要操作人员。

5)设备简单,磨损少。

6)无湿汽带来的水击锈蚀问题。

7)循环效率(热效率)高。目前燃气轮机的效率已达到40%,同超高压汽轮机循环系统的效率相当,采用燃气-蒸汽联合循环可使效率达到55%以上,当然需要配套余热回收系统。

燃气轮机具有上述比较优势的同时,也存在不足之处及发展中亟待解决的问题:

1)自身内效率低。目前,燃气轮机的内效率仅相当于低参数蒸汽轮机的内效率,与内燃气轮机和高参数蒸汽轮机相比,燃气轮机的内效率较低。

2)蒸汽轮机是高初压而初温不是太高,但燃气轮机是高初温而初压不太高。燃气的初温愈高作功能力愈大,且热效率愈高,因此研制既耐高温又具有高强度等良好机械性能的材料,是十分重要的问题,设备制造成本高。

3)改进高温叶片和燃烧室壁面的冷却技术,对提高燃气温度有很大的辅助作用。

4)燃用便宜的燃料与废气后,需要对尾气进行处理,以减少环境污染与腐蚀问题。

5)单轴结构燃气轮机变工况性能较差。

6)运行维护水平要求较高。

1.1 国内外燃气轮机概况

由于大功率燃气轮机的设计与制造非常复杂(涉及到耐高温又具有高强度的材料、大型压气机和涡轮的热动性能、高温叶片的制造和燃烧室壁面的冷却技术等)且工业拖动应用少,因此我国在大功率工业拖动燃气轮机方面的成熟度不足,与国外存在较大差距,需要进行大量的研发、工业性试验工作[11-12]。

我国在20世纪50年代后期就自行开发研制大功率燃气轮机,先后有东方汽轮机厂(以下简称“东汽”)、南京汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂、成都发动机集团公司、沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司、中船重工和中航等设计开发过一些产品,这些产品主要用于发电装置[13-14]。

东汽与三菱日立冶金设备制造有限公司(以下简称“三菱日立”)于2003年签署F级重型发电燃气轮机的技术转让协议,以许可证的方式进行合作,合作中三菱日立对中方严格保密高温热部件的相关技术,东汽需向三菱日立采购高温热部件,主要机型见表1。

此外,东汽与德国西门子股份公司(以下简称“西门子”)、川崎重工和美国通用电气公司(以下简称“GE公司”)进行合作,为SGT-700(33/34 MW)燃气轮机、L 20和L 30燃气轮机(18 MW、30 MW)和NAVA LT 16燃气轮机(16 MW)进行配套和系统成套。

表1 东汽-三菱日立协议生产的发电燃气轮机规格表

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

型号频率/Hz燃气轮机功率/MW联合循环功率(1拖1)/MW联合循环效率(1拖1)/(%)H 10050118170>57M 701 DA50145210>51M 701 F50270400>57M 701 F50330490>60M 701 F50360530>61M 701 J50400～565590～830>64

南京汽轮厂从20世纪80年代中期开始与GE公司建立了燃气轮机合作生产关系,与GE公司合作生产6 B(4.2×104kW)与9 E(12.5×104kW)系列发电燃气轮机。根据与GE公司的合作生产协议,燃气轮机转子、喷嘴、燃烧室、轮控盘等部件由GE公司提供,其余部件按GE公司图纸、规范和标准进行生产、装配,整套机组工厂试验数据经GE公司认可后出厂。

哈尔滨汽轮机厂在20世纪80年代和GE公司合作生产9 FA重型发电燃气轮机,功率为20×104kW(联合循环40×104kW),其中热部件需要从GE公司供货且销售需要得到GE公司许可。

上海汽轮机厂(以下简称“上汽”)从20世纪80年代引进西门子技术用于重型燃气轮机联合循环发电机组,共有小F级(功率7.8×104kW)、E级(17× 104kW)、F级(32×104kW)三个规格,由于其技术完全来自国外,销售需要得到西门子许可。2014年,该公司通过国际并购拥有意大利安萨尔多能源公司(以下简称“安萨尔多”)40%的股权,其主要机型见表2。

表2 上汽-安萨尔多协议生产的燃气轮机规格表

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

燃气轮机等级型号轴数量转速/(r·min-1)单机功率/MW单机效率/(%)联合功率/MW联合循环效率/(%)适用燃料F级AE 94.3 A单轴3 00032540.148359.7标准天然气、燃油小F级AE 64.3 A单轴5 4007836.511754.7标准天然气、燃油E级AE 94.2单轴3 00018536.227053.1标准天然气、燃油注:以上数据为ISO工况,不考虑压损。

此外,中船703所1994年引进乌克兰GT 25000舰用燃气轮机，输出功率 25 000 kW,目前已有多台用于西气东输项目驱动压缩机。同时该公司与西门子合作生产中小型燃气轮机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产中小型燃气轮机H 15、H 25、H 80(11×104kW),但核心机仍需要依靠外方,且功率相对偏小。

国外燃气轮机技术得到了长足发展,除用于发电外,机械驱动机型也有较多的选择方案,部分机械驱动燃气轮机参数见表3。

燃气轮机的铭牌功率是在标准大气条件下确定的,称为ISO功率,当现场大气条件偏离标准大气条件时,应按制造厂提供的技术资料对燃气轮机的现场实发功率进行修正。

表3 国外部分机械驱动燃气轮机参数表

Tab.3 Parameters of some mechanical driven gas turbines abroad

公司型号ISO功率/kW热耗率/(kJ·(kW·h)-1)燃气轮机效率/(%)涡轮转速/(r·min-1)排烟温度/℃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西门子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 燃气轮机选择需考虑的因素

1.2.1 ISO工况(标准工作条件)

ISO工况为燃气轮机铭牌功率的基准条件:

1)压气机进口截面处空气进口总压力101.325 kPa(海拔为0 m),空气温度15 ℃,空气相对湿度60%(除采用中间冷却或喷水冷却外,湿度的影响可以忽略)。

2)排气条件是高温燃气出口截面处的静压力为101.325 kPa。

一般燃气轮机厂家样本提供的资料都是在ISO工况下的参数。

1.2.2 进、排气压力损失引起的功率修正

空气进入燃气轮机的压气机之前,一般会经过室外空气过滤器、进气管道、消声器及进气喷水冷却装置等设备,燃气轮机后部通常装有排气消声器、排烟管道波纹补偿器、三通管、烟道阀和余热锅炉等设施。进、排气系统的压力损失应作水力计算确定或按制造厂提供数据确定(通常中小型燃气轮机进气损失在750～1 500 Pa，排气损失在750～1 500 Pa,如有余热锅炉或者废热回收设施则还应加入烟气通过余热锅炉或废热回收设施的压力损失)。因进、排气压力损失引起的功率降低值应按燃气轮机制造厂提供的进、排气压力损失功率下降曲线来确定,估算时可按1%～3%的铭牌功率计算功率降[15-17]。

1.2.3 大气温度和压力引起的功率修正

由于大气温度和压力偏离标准大气条件时会引起燃气轮机压气机进气的质量流量变化,进而影响燃气轮机的功率。现场大气温度按夏季最热月份的平均气温、冬季最冷月份的平均气温和全年月平均气温三个典型气温进行核算,以取得燃气轮机在这三种气温下的现场功率。其功率随气温变化应按制造厂提供的特性曲线或数据进行修正,一般情况下环境温度对燃气轮机的输出功率影响很大,无资料进行估算时,可按每1 ℃ 0.7%～1%功率升降进行估算。大气环境温度低于15 ℃时,在一定范围内,燃气轮机输出功率略有增大,增大值应按制造厂的特性曲线取值。Trent 60在ISO工况下的输出功率随温度变化的曲线见图2,大气压力(或现场海拔高度)对燃气轮机输出功率的影响很大,应按制造厂的特性曲线进行修正。

图2 Trent 60在ISO工况下的输出功率图Fig.2 Output power Trent 60 at ISO conditions

1.2.4 长期运行引起的功率修正

经过长期运行后,由于进入压气机的空气中仍然含有少量灰尘,压气机和燃气轮机的叶片虽然会定期清洗,但仍会产生结垢,燃气轮机叶片在长期高温状态下甚至可能产生变形。这些因素都会引起燃气轮机的功率下降,因此一般燃气轮机机组需要定期进行大修,无资料进行估算时,可按0.5%～2%功率降计。

2 蒸汽轮机

蒸汽轮机是以蒸汽为工作介质,将蒸汽的热能转变为转子旋转的机械能的动力机械,具有单机功率大、转速可变、运转安全、使用寿命长等特点。

2.1 蒸汽轮机的选择

2.1.1 冲动式蒸汽轮机和反动式蒸汽轮机

蒸汽轮机一般分为冲动式蒸汽轮机和反动式蒸汽轮机,前者的效率曲线呈抛物线型,后者的效率曲线呈指数型分布,见图3～4(图3～4中速比x=u/c,u为叶轮圆周速度,c为喷嘴出口汽流速度)。在功率、转速都有变化的变工况条件下,冲动式蒸汽轮机的效率曲线下降幅度较大,反动式蒸汽轮机的效率曲线趋于平缓变化不大。因此,在石油、化工等流程工业领域反动式蒸汽轮机的长期运行效率要明显高于冲动式蒸汽轮机的长期运行效率。在定功率、定转速条件下两者效率相差不大[18-19]。

图3 冲动式蒸汽轮机效率曲线图Fig.3 Efficiency curve of impulse steam turbine

图4 反动式蒸汽轮机效率曲线图Fig.4 Efficiency curve of reaction steam turbine

2.1.2 蒸汽轮机型式选择

流程中常用的蒸汽轮机有凝汽式、抽凝式、背压式等型式,需要结合整个装置的用热综合考虑,还要考虑全厂的蒸汽平衡和蒸汽的梯度利用,尽可能减少能源多次转换而造成能量损失。此外,作为驱动机应满足正常操作调速和开工的要求。

2.1.3 凝汽器选择

凝汽器主要有水冷式和空冷式,目的是在蒸汽轮机排汽侧建立并维持高度真空状态。水源充足的地区优先考虑水冷式,一般寒冷或水源缺乏的地区可考虑空冷式。空冷式也称为干式凝汽系统,按工作原理可分为直接冷却系统、间接冷却射流凝汽系统和间接冷却表面式凝汽系统，见图5。

a)直接冷却系统a)Direct cooling system

b)间接冷却射流凝汽系统b)Indirectly cooled jet condensing system

c)间接冷却表面式凝汽系统c)Indirectly cooled surface condensing system

2.2 LNG装置蒸汽轮机的应用

蒸汽轮机作为离心压缩机的驱动机在国内外应用较为成熟,机器型号齐全,无设计缺口,可选择的厂商较多,工艺调节方便,安全性较高,国外在早期基本负荷型LNG装置中绝大部分使用蒸汽轮机驱动。在我国的一些小型LNG装置中,由于依托条件较好,也采用了蒸汽轮机驱动。

蒸汽轮机的内效率较高,约为65%～85%,但需要复杂的锅炉蒸汽系统和水系统,投资及占地面积较大;在缺水及严寒地区,适应性差。此外,蒸汽循环系统(朗肯循环)的效率不高,约为25%～40%,投资成本和运行费用较高。

我国蒸汽轮机作为驱动机的技术较为成熟。我国杭汽的系列化模块化反动式工业汽轮机技术,可以利用下至0.1 MPa的饱和蒸汽,上至14 MPa的高压蒸汽;可以输出500～150 000 kW的功率,以及 2 200～15 000 r/min的转速。杭汽产品的覆盖范围是:新蒸汽(0.2～14 MPa(a)/540 ℃)、抽汽或排汽(≤4.5 MPa(a))、转速(2 200～15 000 r/min)、输出功率(500～150 000 kW)。这些产品可以很好地满足LNG装置中冷剂压缩机等的驱动需求。

3 电机

电机作为压缩机的驱动机在国内外应用也较为成熟。目前,国内已运行的电机功率已达到 30 000～40 000 kW,最大生产能力可达 75 000 kW。国外运行的电机功率最大已达 100 000 kW。选择电机之前,必须了解冷剂压缩机的工作方式、调速要求、起动转矩要求以及电机的控制要求、安装环境等,以此为基础对电机进行选择。一般选择的顺序是首先确定电机的功率,再依次确定转速、型式、电压、种类等[20]。

3.1 功率选择

正确选择电机功率的原则是应当在电机能胜任生产机械负载要求的前提下,选择最经济合理的电机功率。如果功率选择过大,不仅设备投资会增大,而且电机经常轻载运行,其效率和功率因数均在较低状态,此时设备运行费用高,极不经济。反之,若功率选择过小,电机则经常要过载运行,其使用寿命就会降低。确定电机功率时,要从运行温度、过载能力、启动能力等方面来考虑,一般以发热为最主要考虑的问题。

3.2 转速选择

应根据所拖带压缩机的要求选择电机的转速,必要时可选择高速电机或齿轮增速电机,还可以选择多速电机。

3.3 型式选择

电机通常有异步电机和同步电机,它们的定子绕组相同,主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组,所以需要外加励磁电源,通过滑环引入电流;而异步电机的转子是短路的绕组,靠电磁感应产生电流。相比之下,同步电机较复杂,造价高。同步电机可以通过励磁灵活调节输入侧的电压和电流相位,即功率因数;异步电机的功率因数不可调,一般在0.75～0.90,同步电机效率较异步电机效率稍高,在 2 000 kW以上的电机选型时,一般要考虑选用同步电机。同步电机因为有励磁绕组和滑环,需要操作工人有较高的水平来控制励磁,且相对于异步电机的免维护而言,同步电机维护工作量也较大。所以,现在 2 500 kW以下的电机大多选择异步电机。

此外,当需要改善电网功率因数或者调节电网电压时可考虑同步电机。

4 驱动机选择

4.1 驱动机型式选择

如前所述,离心压缩机通常的驱动方式有蒸汽轮机、燃气轮机和电机驱动。蒸汽轮机优点是:无设计缺口,工作物质安全性好,单机效率高(约50%～85%),易与工艺系统匹配,调节性好;国内外技术相对成熟,易选取,且竟争激烈,交货期短。但蒸汽轮机用水蒸汽作工作介质,需要锅炉系统、冷凝器、给水处理等大型配套辅助设备,投资及占地面积加大。燃气轮机优点是:装置小、重量轻、启动快,自动化程度高,便于遥控;设备简单、磨损少、无湿汽带来的水击锈蚀问题。但燃气轮机供应商少,基本为定型产品,仅较少规格可选;有设计缺口,变工况性能较差、运行维护水平要求较高;输出功率受环境影响较大。电机优点是:无设计缺口,建设工程量少,定期维护频率低,可减少计划关停时间,设备可靠性高。但电机需要建大型中心电厂及变配电设施,增加了资金投入与占地面积,变速驱动时,需要变频器或无极变速液力藕合器等辅助设施,投资加大。作为一般原则,驱动机选择可考虑三个方面:

1)当蒸汽条件具备时,优先考虑蒸汽轮机驱动。

2)当电力条件具备时,优先考虑电机驱动,但对大功率电机及调速设备需要进行可行性分析。

3)当蒸汽及电力条件都不具备时,优先考虑燃气轮机驱动;燃气轮机“断档”时,可考虑“燃气轮机+电机”的复合驱动方式。

燃气轮机系统流程简单,联合蒸汽(或导热油)后循环效率较高,对依托的公用工程要求较少,所以,在蒸汽及电力等依托条件不具备时,大功率离心压缩机的较佳驱动方案为燃气轮机,特别在FLNG装置中,由于空间受限,需要尽可能减少设备,燃气轮机驱动就突出了整个系统的优势。燃气轮机、蒸汽轮机和电机驱动各有其特点,其性能比较见表4。

由表4可见,如果在蒸汽条件或电力条件具备的条件下,电机或蒸汽轮机驱动有一些优势。另外,在不同条件下驱动机自身适应性也有差别,驱动机适应性比较见表5。

表4 驱动机性能比较表

Tab.4 Driver performance comparison

驱动机热效率/(%)提供的功率等级实用性受大气温度的影响投资成本工业型燃气轮机29～34型号有限良好适中较小航改型燃气轮机41～43型号有限(最大型功率较小)良好大最小蒸汽轮机轮机内效率65～85轮机循环效率30～45可变取决于整个蒸汽系统小最高电机无∗可变最好无较高∗∗ 注:∗热耗率取决于发电系统的热耗率;∗∗假设由燃气轮机发电机现场发电。

表5 驱动机适应性比较表

Tab.5 Driver adaptability comparison

型式优势劣势应用场合燃气轮机装置小、重量轻、投资少;启动快,自动化程度高,便于遥控;设备简单,磨损少;无湿汽带来的水击锈蚀问题。CO2排放,热效率低;供应商少,设备制造成本高;变工况性能较差,需要改善;运行维护水平要求较高;输出功率受环境影响较大。典型输出功率范围:3×104～13×104 kW蒸汽轮机无设计缺口;工作物质安全性好,单机效率高;易与工艺系统匹配,调节性好;国内外技术相对成熟,易选取,且竟争激烈,交货期短。用水蒸汽作工作物质,需要锅炉系统、冷凝器、给水处理等大型配套辅助设备,投资及占地面积加大;在缺水及严寒地区,适应性差。适用于较大功率的压缩机驱动(0～13×104 kW);具有方便廉价的蒸汽供应系统;业主特殊要求。电机无设计缺口;配套设施少,建设工程量少;定期维护频率低,可减少计划关停时间;设备可靠性高。需要建大型中心电厂及变配电设施,增加了资金投入与占地面积;开、停车时,对外部电网影响较大;变速驱动时,需要变频器或无极变速液力藕合器等辅助设施,投资加大;需要特殊的防爆措施;目前国内制造最大电机驱动能力为4×104 kW。适用于小功率的压缩机驱动,如BOG压缩机(< 1 000 kW);具有方便廉价的供电系统;适宜偏远、水源不宜得的地区;业主特殊要求。

20世纪70年代以来,国外将燃气轮机、蒸汽轮机和电机用作压缩机驱动机的技术得到了较大发展。现有大型天然气液化装置中,由于大功率燃气轮机和电机技术发展处于初期,所以早期的天然气液化装置大量采用了蒸汽轮机,但自90年代后,燃气轮机得到广泛应用。20世纪70年代以来天然气液化装置冷剂压缩机驱动机的发展趋势见图6。从图6可以看出:

图6 世界天然气液化装置冷剂压缩机驱动机发展趋势柱状图Fig.6 Driver for refrigerant compressor of world natural gas liquefaction unit

1)20世纪70、80年代主要采用蒸汽轮机,最大规模应用到270×104t/a的天然气液化装置上。

2)90年代后大型天然气液化装置的制冷剂压缩机主要采用工业型燃气轮机,航改型燃气轮机直到21世纪才有部分应用。

3)目前在大型天然气液化装置中使用的工业型和航改型燃气轮机都是GE公司的产品,其中工业型燃气轮机的型号有GEFr 5、GEFr 6、GEFr 7、GEFr 9和GE-LM 6000;航改型燃气轮机型号为GE PGT 25+。

4)近年来应用较多的驱动机有GEFr 9、GEFr 7、GEFr 5和GEFr 6。

尽管在一般情况下,燃气轮机在天然气液化装置中作为驱动机有一些优势,但燃气轮机自身价格昂贵,在项目前期研究和工程设计阶段,需要进行全面比较。

4.2 驱动方式选择

驱动方式的选择是一项复杂的工作,需要依据依托条件,考虑一次投资、操作费用、占地面积、技术可行性等方面进行全面技术经济比较。此外,在敏感受限地区,还要考虑设备的可获得性。驱动方式的比较选择见表6,供具体设计时参考。

表6 压缩机驱动方式的比较选择表

Tab.6 Comparative selection of compressor driving modes

4.3 联合驱动

燃气轮机作为驱动机具有系统简单(可就地采用天然气,无须经过能量转化)、重量轻、投资少、启动快、自动化程度高等优势。但燃气轮机均为定型产品,覆盖面较小,存在断档,在压缩机功率一定的情况下,不得不选用很大规格的燃气轮机,往往存在“大马拉小车”的情况,这样,燃气轮机常常不在最佳效率区工作,提高了单位产品的能耗,同时调节性能更差。所以,进入21世纪以来,国外多个项目综合考虑能耗、投资等因素,采用燃气轮机发电由电机驱动压缩机或者燃气轮机+电机联合驱动的方式,如:

1)挪威Hammerfest 430×104t/a的天然气液化装置采用了5台GE-6B燃气轮机发电机组(四开一备)发电后由电机驱动3台冷剂压缩机,见图7。

2)俄罗斯YAMAL 550×104t/a天然气液化装置的冷剂压缩机采用燃气轮机+电机联合驱动的方案,其中预冷压缩机为单缸,功率为26 MW;深冷压缩机为双缸,功率为74 MW(LP 5.2 MW+HP 2.2 MW),采用GEFr 7燃气轮机+24 MW的电机联合驱动,见图8。

图7 Hammerfest 430×104 t/a的天然气液化装置压缩机驱动配置图Fig.7 Drive configuration of compressor for Hammerfest 430×104 t/a natural gas liquefaction unit

图8 YAMAL 550×104 t/a的天然气液化装置压缩机驱动配置图Fig.8 Drive configuration of compressor for YAMAL 550×104 t/a natural gas liquefaction unit