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濟(jì)南負(fù)壓風(fēng)機(jī)價格變速行星齒輪在石油、天然氣和石油化工工業(yè)中的


變速行星齒輪在石油、天然氣和石油化工工業(yè)中的應(yīng)用

盧鵬飛 / 中國石化工程建設(shè)公司

摘要：本文首先論述用電動機(jī)經(jīng)變速行星齒輪（VORECON）無級機(jī)械變速驅(qū)動和控制離心壓縮機(jī)的優(yōu)越性。其次簡單討論石油、天然氣和石油化工工業(yè)中離心壓縮機(jī)的各種用途。第三，探討變速行星齒輪（VORECON）的原理、結(jié)構(gòu)、控制和各種優(yōu)點。第四，介紹 VORECON 在石油、天然氣和石油化工工業(yè)中的業(yè)績和使用實例。最后推薦變速行星齒輪（VORECON）優(yōu)先用于天然氣輸氣管道、液化天然氣（LNG）、海洋平臺和石油化工行業(yè)。

1 概述

　　石油和天然氣是當(dāng)今世界一次能源和化工原料的最重要支柱。石油和天然氣作為高效、優(yōu)質(zhì)、清潔能源和化工原料，其用途越來越廣，需求量不斷增加。石油作為最普遍的現(xiàn)代交通燃料外，還能做大宗基本有機(jī)化工產(chǎn)品如乙烯、丙烯和苯等的原料。天然氣制合成氨和甲醇是國際公認(rèn)的建設(shè)投資少、生產(chǎn)成本低和最具競爭力的原料路線。

　　離心壓縮機(jī)是石油、天然氣和石油化工過程中的心臟設(shè)備，也是耗能大戶。 從節(jié)能的角度看，離心壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式選擇的優(yōu)先順序如下：（1）變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；（2）入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)；（3）入口節(jié)流出口節(jié)流調(diào)節(jié)；（4）旁路調(diào)節(jié)。電動機(jī)驅(qū)動的離心壓縮機(jī)，用變速行星齒輪（VORECON）實現(xiàn)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，無級變速，并可擴(kuò)大穩(wěn)定工況區(qū)，不引起附加損失，也不附加其它機(jī)構(gòu)，且無電磁輻射污染，對壓縮機(jī)性能控制調(diào)節(jié)和操作人員的人身安全十分有利。在煉油廠以及石油化工廠中，大型離心壓縮機(jī)往往選用汽輪機(jī)變速調(diào)節(jié)，也有個別用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的。這一點與全廠的蒸汽供應(yīng)、副產(chǎn)蒸汽的使用和平衡以及全廠能量的充分利用有關(guān)，本文不作進(jìn)一步探討。作者認(rèn)為，凡是電動機(jī)驅(qū)動的大型離心壓縮機(jī)，采用變速行星齒輪（VORECON）實現(xiàn)變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，節(jié)電、投資少、占地少、無污染，是明智的最佳選擇。

　　90年代初，由于燃燒天然氣的電站迅速發(fā)展，造成電力工業(yè)和天然氣工業(yè)的相互依靠，電價大幅度降低，為采用電動機(jī)作為驅(qū)動機(jī)創(chuàng)造了客觀的條件。大功率電動機(jī)驅(qū)動管道增壓離心壓縮機(jī)的發(fā)展，又推動了天然氣輸送工業(yè)的進(jìn)步。 采用 電動機(jī)驅(qū)動要比單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動，增加4%–8%工程熱效率。對于 采用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的發(fā)電工程，從天然氣燃燒到軸功率輸出的工程熱效率，包括輸送工程中的各種損失，此值可達(dá)50%；使用單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的最高效率達(dá)40%,平均效率僅為35%。電動機(jī)的運行效率在滿負(fù)荷時大于 96%，在部分負(fù)荷時大于 90% 。因此，操作費用由于工程熱效率的提高和部分負(fù)荷運行效率高而大為節(jié)省 , 電動機(jī)的維護(hù)費用也遠(yuǎn)比燃?xì)廨啓C(jī)低得多。更重要的優(yōu)點是，它能減少噪聲20分貝以上，實現(xiàn)無污染氣體（ CO 、 CO2 、 NOx 、 SOx ）排放。但是當(dāng)采用變頻電動機(jī)驅(qū)動時，不能排除電磁輻射對人員的傷害。電力驅(qū)動工程的投資費用一般低于同等功率燃?xì)廨啓C(jī)工程25% 到40%，電力驅(qū)動工程的可用性大于98% ，是燃?xì)廨啓C(jī)所不能相比擬的。電力驅(qū)動工程比燃機(jī)工程更容易實現(xiàn)遙控。工程效率高，能降低燃料消耗，減少整個能量工程 CO2 排放量，譬如：挪威油氣公司選用的高效率離心壓縮機(jī)，在整個服役期間，每臺平均節(jié)省 9 百萬美元的燃料費和 CO2 排放的稅金。

2 石油、天然氣和石油化工工業(yè)中的離心壓縮機(jī)
　　石油、天然氣和石油化工過程中離心壓縮機(jī)所處的位置見圖 1。

2.1液化天然氣（ LNG ）

　　LNG 工廠和接收終端、輸出終端的各種離心壓縮機(jī)列于表 1 。

表1 LNG 工廠和接收終端、輸出終端的各種壓縮機(jī)及其使用特點

序號

用途

壓縮機(jī)名稱

使用特點

1

LNG 工廠

丙烷冷凍壓縮機(jī)、乙烯冷凍壓縮機(jī)、甲烷冷凍壓縮機(jī)

按階式（CASCADE）液化流程，最終節(jié)流后，壓力降至 0.1034 MPa, 溫度降至 -162 ℃ 。

2

閃蒸氣壓縮機(jī)

多操作點，分子量變化頻繁，需要高度靈活性，應(yīng)采用變轉(zhuǎn)速控制。

3

接收終端

返回氣鼓風(fēng)機(jī)

采用變轉(zhuǎn)速控制，加快卸船進(jìn)度，并使計量更精確。

4

蒸發(fā)氣壓縮機(jī)

用變轉(zhuǎn)速控制，具有對付儲罐里 LNG 數(shù)量變化和周圍溫度變化所必需的靈活性。

5

輸出終端

蒸發(fā)氣壓縮機(jī)

裝載時含 N2 量有變化，即：具有不同氣體組成、不同溫度和不同流量。變轉(zhuǎn)速控制比旁路控制節(jié)省 20-30% 動力。

　　液化天然氣工廠的原則流程見圖 2 所示。

　

　　閃蒸氣壓縮機(jī)在 LNG 工廠流程中所處的位置見圖 3 。

　　LNG 接收終端流程中蒸發(fā)氣（ BOG ）壓縮機(jī)和返回氣鼓風(fēng)機(jī)的位置見圖 4 所示。

2.2天然氣輸送管線

　　天然氣從處理廠出來以后，脫去輕烴類、水和硫化氫，進(jìn)入輸氣管道增壓站，經(jīng)增壓后出站進(jìn)行管道輸送。 天然氣增壓壓縮機(jī)在增壓站典型流程中的位置見圖 5 所示。

2.3天然氣的氣舉（重注）和重壓縮

　　天然氣的氣舉 ( 重注 ) 是將天然氣加壓注入油井提升管,減小油柱的重量,使得油田現(xiàn)有壓力足夠提升油氣混和物直到油井平臺。
　　天然氣的氣舉（重注）和天然氣重壓縮（在海洋平臺上）分別見圖6及圖7 。


　配電變壓器是供電環(huán)節(jié)中最重要也是最普遍的一次設(shè)備。在我國現(xiàn)行配電網(wǎng)中，有35KV/66KV/110KV/154KV/220KV幾個電壓等級，以110KV/220KV為主。全國大約有中高壓變電站4萬個，這個數(shù)字還在逐年增長，其中大部分是兩臺變壓器并列運行。
由于變壓器在運行中線圈會發(fā)熱，需要采取冷卻措施。小容量變壓器可采取干式變壓器，自然風(fēng)冷或強制風(fēng)冷。大容量變壓器一般以油為冷卻媒體，必須強制風(fēng)冷。
變壓器運行中初次級線圈和磁芯都會產(chǎn)生熱量，變壓器油流經(jīng)這些部位靠熱傳導(dǎo)作用帶走熱量，再經(jīng)排熱器將熱量散發(fā)到環(huán)境空氣中�；蛘哒f，變壓器的運行表現(xiàn)為發(fā)熱和排熱兩個方面的對立統(tǒng)一體。顯然，變壓器產(chǎn)生的熱量多少與負(fù)載大小成正比，而排熱好壞與周圍環(huán)境直接相關(guān)。
負(fù)載的變化表現(xiàn)為基荷與周期性負(fù)荷的疊加�；芍饕獮楣I(yè)負(fù)荷，這部分負(fù)荷的變化比較緩慢，與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。負(fù)荷的周期性，有（1）一日之內(nèi)變化的峰谷負(fù)荷；（2）一周之內(nèi)的工作日負(fù)荷與周末負(fù)荷；（3）一年之內(nèi)的春灌、夏季制冷、秋收和冬季取暖；（4）長假：五一、十一、春節(jié)。這幾個周期的相互疊加，就構(gòu)成了變壓器負(fù)載的基本變化規(guī)律，從而也就決定了變壓器發(fā)熱量的基本變化規(guī)律。
排熱效率取決于表面積和溫差。在同等表面積情況下，溫差的大小就決定了排熱效率的高低。變壓器負(fù)載增大時，發(fā)熱量增多，從而油溫升高，進(jìn)而排熱管表面溫度升高。由于環(huán)境空氣一般比排熱管表面溫度低，形成溫差。由于熱傳導(dǎo)作用，圍繞排熱管一定厚度內(nèi)的空氣被逐漸加熱，這樣一來，熱量被轉(zhuǎn)移到環(huán)境空氣中。如果不及時將已被加熱的空氣移開，溫差就會逐漸減小，排熱效率又逐漸將下來。這個升溫和排熱相互作用的過程，最后會達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也就是排熱管表面溫度達(dá)到一個溫度平衡值，此時，單位時間內(nèi)的發(fā)熱量和排熱量相等。
如果這個溫度平衡值維持在較高水平，將使變壓器性能下降，甚至達(dá)到不可容忍的程度。為了維持較低溫度平衡值（45度到55度），必須采取強制風(fēng)冷措施，加速空氣對流。要維持更低的溫度水平，需要更大的送風(fēng)量，但這樣做給變壓器運行工況帶來的好處也就越來越微弱。因此，根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)整送風(fēng)量并維持合理的溫度平衡值，是變壓器經(jīng)濟(jì)運行的客觀需要。
為了安全的需要，變壓器冷風(fēng)機(jī)按最大化配置，也就是在滿負(fù)荷運行并且環(huán)境溫度達(dá)到最高值的情況下，變壓器的運行依然是安全的，也即在最大發(fā)熱量同時溫差最小的條件下，強制風(fēng)冷的送風(fēng)量，依然滿足排熱要求。
顯而易見，變壓器并不是總在滿負(fù)荷運行，一般負(fù)荷率在40%-70%之間。同時，變壓器也不會總在最壞排熱情況下運行，夏季溫度最高可到40C,但冬季只有10C以下,甚至達(dá)到零下10C。根據(jù)負(fù)荷情況和環(huán)境溫濕度的變化，開啟部分風(fēng)機(jī)，這樣的控制策略對變壓器安全運行是可行的。
冷風(fēng)機(jī)的可利用小時數(shù)是有限的，隨著投運時間線性遞減。在保證變壓器排熱需要的前提下，適當(dāng)減少部分冷風(fēng)機(jī)的投運時間,可提高設(shè)備使用壽命。
在實際運行操作中，已經(jīng)設(shè)計了手動操作箱，有控制邏輯線路和手動按鈕。手動按鈕控制冷風(fēng)機(jī)供電回路繼電器吸合或放開，從而達(dá)到手動控制冷風(fēng)機(jī)投運或切除的目的。如果操作人員根據(jù)負(fù)載情況和氣候條件，及時投切冷風(fēng)機(jī)，可達(dá)到既保證變壓器可靠運行，又能延長冷風(fēng)機(jī)使用壽命，并起到節(jié)約電能的目的。
然而，“及時投切”實施起來有困難。操作人員為了保證變壓器可靠運行，習(xí)慣上采取冷風(fēng)機(jī)全部投入運行的簡化工作模式。這就造成了冷風(fēng)機(jī)過渡運行，容易引發(fā)冷風(fēng)機(jī)故障。
為了實現(xiàn)及時投切的目的，采用智能控制技術(shù)方案。根據(jù)每個季度的氣候條件和典型日負(fù)荷情況，制定冷風(fēng)機(jī)合理投切策略，智能控制器按照事先制定的控制策略，實施對應(yīng)冷風(fēng)機(jī)的投切，從而實現(xiàn)無人值守變壓器冷風(fēng)機(jī)智能投切。
觸摸屏智能控制器通過R485總線外掛輸入輸出模塊，擴(kuò)展性好，方便進(jìn)一步與變電站自動化工程結(jié)合
可將控制器安裝在操作箱中，也可安裝在值班室。如果安裝在值班室，需要把R485總線（四根信號線）從操作箱引入到值班室，不超過1000米即可。
（１） 及時投切
　　智能控制器按照事先制定好的控制策略，通過閉合或者分?jǐn)鄬?yīng)回路的冷風(fēng)機(jī)控制繼電器，實現(xiàn)及時投切。
（２） 無人值守
　　智能控制器自動實施冷風(fēng)機(jī)就地控制，無需人工干預(yù)。
（３） 策略控制
　　某個變壓器的負(fù)荷變化趨勢，操作人員可根據(jù)實際運行經(jīng)驗，通過冷風(fēng)機(jī)輪轉(zhuǎn)表格來刻畫。在保證變壓器可靠運行的前提下，依據(jù)季節(jié)氣候變化規(guī)律和負(fù)荷變化規(guī)律，制定控制策略。
（４） 故障告警
　　一旦發(fā)現(xiàn)某個回路閉合或開斷故障，可以聲音報警，提示值班人員檢修。
（５） 運行記錄
　　冷風(fēng)機(jī)投切及運行狀態(tài)記錄(SOE),便于事后分析，用于控制策略的完善。
（６） 可遠(yuǎn)程監(jiān)控
有條件時可以布置通訊電纜，通過控制器通訊口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。


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