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，越來越多的燃氣輪機和變頻電機將得到應(yīng)用，并將推動壓縮機組國產(chǎn)化的進程。

燃氣輪機和變頻電機是長輸天然氣管道兩種常用的壓縮機驅(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組約220套，總裝機功率約5 000MW，其中燃氣輪機驅(qū)動的機組數(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臺燃氣輪機和38臺變頻電機驅(qū)動的壓縮機組，主要為30MW級燃驅(qū)機組和20MW級電驅(qū)機組，其中，除西氣東輸管道二線高陵壓氣站為國產(chǎn)機型外，其他站場均為進口機型。目前，應(yīng)用于天然氣管道的壓縮機驅(qū)動國產(chǎn)機型還有冀-寧（青山—安平）聯(lián)絡(luò)線的4臺7.1MW變頻電機及沁水煤層氣管道的4臺較小功率變頻電機。

1 結(jié)構(gòu)及特性

燃氣輪機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的一種長輸天然氣管道站場常見驅(qū)動方式。燃氣輪機主要由燃氣發(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)。燃氣輪機具有輸出功率大、可與離心式壓縮機直連等優(yōu)點，并且燃料氣取自于管輸天然氣，供應(yīng)可靠。但是，燃氣輪機也存在體積大、易損件多、故障率高、維護保養(yǎng)難、廢氣排放量大等缺點，同時，熱效率低且輸出功率受環(huán)境因素影響很大。

變頻電機通過聯(lián)軸器和齒輪箱間接驅(qū)動壓縮機，是另一種長輸天然氣管道站場常見驅(qū)動方式。變頻電機主要由變頻器和交流電動機組成，同時，配備控制、潤滑油等輔助系統(tǒng)。變頻電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、易損件少、可靠性高、維護費用低等優(yōu)點，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進行循環(huán)冷卻。

燃氣輪機和變頻電機的優(yōu)缺點比較見表1。

表1 燃氣輪機和變頻電機優(yōu)缺點比較

2 啟機和停機

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

燃氣輪機的啟動過程比較復(fù)雜，啟動時間也比較長，通常需要30min至1h。在清吹充壓、啟動燃氣發(fā)生器、點火燃燒、啟動動力透平達到一定轉(zhuǎn)速后，需要保持在此怠速狀態(tài)下暖機 15～30min（停機3h以內(nèi)啟機，只需暖機2min；停機3h以上啟機，環(huán)境溫度高于零度時，暖機 15min；環(huán)境溫度低于零度時，暖機30min），之后再加載提速，進入運行工況。燃氣輪機的正常停機，機組經(jīng)歷卸載、減速進入怠速狀態(tài)，之后開始5min的冷停機計時，5min內(nèi)可以通過復(fù)位改變冷停機程序重新回到加載；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、出口閥關(guān)閉。燃氣輪機的啟動流程見圖1。

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

圖1 燃氣輪機的啟動流程

3 典型故障

由于燃氣輪機和變頻電機各自原理的不同，所以常見的典型故障也具有不同的特點。燃氣輪機的典型故障通常發(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。

燃氣輪機一個比較典型的故障是燃氣發(fā)動機動力渦輪外殼冒煙，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。燃氣發(fā)動機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)傳動機構(gòu)失效、閥位無法正確反饋等原因造成機組故障停機。

變頻電機在其高速轉(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。變頻電機比燃氣輪機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 維護與保養(yǎng)

燃氣輪機和變頻電機雖然在機組結(jié)構(gòu)和運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，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，兩種機組的維護和保養(yǎng)工作大同小異。燃氣輪機和變頻電機在維護與保養(yǎng)上的主要不同點，在于燃氣輪機葉輪葉片的針孔探傷和變頻電機聯(lián)軸器的對中。

燃氣輪機燃氣發(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程度是反映燃氣輪機性能優(yōu)劣的重要參考指標。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氣輪機的性能，因此，對葉輪和葉片的維護與保養(yǎng)至關(guān)重要。如果有沙塵進入到燃氣發(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行檢查。針孔探傷是將一根帶有探頭的細管伸入燃氣發(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。

變頻電機與壓縮機是通過聯(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，變頻電機的轉(zhuǎn)速一般小于2 000r/min，而通過齒輪箱變速后，壓縮機的轉(zhuǎn)速可超過 9 000r/min。將變頻電機、齒輪箱和壓縮機連在一起，實現(xiàn)高速傳動的聯(lián)軸器必須保持高度的同心性。變頻電機聯(lián)軸器的對中，是變頻電機維護和保養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。通常采用精度在0.01mm的儀表，對聯(lián)軸器的同心性進行檢驗。

燃氣輪機和變頻電機的維護和保養(yǎng)周期根據(jù)機組累計運行時間計算，以目前我國長輸天然氣管道常用的 30MW 級燃驅(qū)機組和 20MW 級電驅(qū)機組為例，燃氣輪機和變頻電機維護與保養(yǎng)相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 燃氣輪機和變頻電機維護與保養(yǎng)相關(guān)參數(shù)

5 費用比較

使用變頻電機引入外電，很大程度上受外電源距離的制約，其所需的投資費用大小是影響選用變頻電機的一個重要因素，當外電源距離低于 50km時，使用變頻電機的一次性投資比使用同等級功率的燃氣輪機要低近20%。體積龐大的燃氣輪機及其冗多的輔助設(shè)施造成了其安裝費用要高于模塊化設(shè)計的變頻電機。從運行費用上看，燃氣輪機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)濟而又不得已的做法；而變頻電機的運行費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，燃氣輪機的維護費用也比變頻電機要高。除此之外，在一些國家和地區(qū)出于對環(huán)境保護的要求，燃氣輪機需要在廢氣處理上承擔一部分額外的費用或罰款。燃氣輪機和變頻電機費用比較見表3。

表3 燃氣輪機和變頻電機費用比較

6 發(fā)展趨勢

目前，我國已安裝的天然氣管道壓縮機組中，燃驅(qū)機組約占 3/4。由于電驅(qū)機組比燃驅(qū)機組具有初期投資少、易維護等優(yōu)勢，并隨著天然氣價格的進一步提高，電驅(qū)機組在未來經(jīng)濟比選中將更具備優(yōu)勢，選用電驅(qū)機組比例會逐漸增大。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)燃氣輪機仍將是我國天然氣管道壓縮機的主要驅(qū)動選型。

目前，國內(nèi)長輸天然氣管道用燃氣輪機和變頻電機基本都為進口機組，市場被國外在該領(lǐng)域具備世界先進水平的供應(yīng)商所壟斷。盡管如此，隨著各類壓縮機組在我國天然氣管道上應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，為方便機組維護保養(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)均實現(xiàn)了在國內(nèi)制造。同時，國內(nèi)的壓縮機組制造商也在積極引進先進技術(shù)，加強與國外供應(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)成功實現(xiàn)了國產(chǎn)化機組的應(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)化壓縮機組，其中6套由變頻電機驅(qū)動、2套由燃氣輪機驅(qū)動。除此之外，還有3座壓氣站嘗試使用進口變頻電機驅(qū)動國產(chǎn)壓縮機。盡管我國近幾年來對燃氣輪機和變頻電機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。

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

[2] 徐鐵軍.燃氣輪機在我國天然氣管道行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].燃氣輪機技術(shù),2012,25(1): 12-16.