长输天然气管道不同压缩机驱动方式的比较

艾勇 张福坤 吴全 王占黎

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油西气东输管道公司）

我国天然气管道建设方兴未艾，随着中亚、中缅、中俄等进口天然气管道的建成投产和陆续规划建设，以及国内天然气管网的不断完善，越来越多的燃气轮机和变频电机将得到应用，并将推动压缩机组国产化的进程。

燃气轮机和变频电机是长输天然气管道两种常用的压缩机驱动方式，截止2013年底，我国（包括中亚—中国天然气管道）安装投产的长输天然气管道压缩机组约220套，总装机功率约5 000MW，其中燃气轮机驱动的机组数量约占 75%。我国陕-京（陕西—北京）输气管道系统和西气东输管道系统干线上已投用93台燃气轮机和38台变频电机驱动的压缩机组，主要为30MW级燃驱机组和20MW级电驱机组，其中，除西气东输管道二线高陵压气站为国产机型外，其他站场均为进口机型。目前，应用于天然气管道的压缩机驱动国产机型还有冀-宁（青山—安平）联络线的4台7.1MW变频电机及沁水煤层气管道的4台较小功率变频电机。

1 结构及特性

燃气轮机是利用管输天然气作为燃料，与压缩空气混合燃烧，产生高温高压气体膨胀做功来带动压缩机的一种长输天然气管道站场常见驱动方式。燃气轮机主要由燃气发生器和动力透平组成，同时，配备空气过滤、燃料气、润滑油等辅助系统。燃气轮机具有输出功率大、可与离心式压缩机直连等优点，并且燃料气取自于管输天然气，供应可靠。但是，燃气轮机也存在体积大、易损件多、故障率高、维护保养难、废气排放量大等缺点，同时，热效率低且输出功率受环境因素影响很大。

变频电机通过联轴器和齿轮箱间接驱动压缩机，是另一种长输天然气管道站场常见驱动方式。变频电机主要由变频器和交流电动机组成，同时，配备控制、润滑油等辅助系统。变频电机具有结构紧凑、易损件少、可靠性高、维护费用低等优点，并且效率高、对环境敏感程度小，无废气排放。但是，由于受外部电网的限制，变频电机只适用于有充足电力供应的地区，同时，需要消耗大量经过过滤后的地下水对变频器和电动机进行循环冷却。

燃气轮机和变频电机的优缺点比较见表1。

表1 燃气轮机和变频电机优缺点比较

2 启机和停机

燃气轮机和变频电机在停机后，通常需要做好预热备用，即，马达控制中心柜各开关位置不变，仪表风供应正常，控制柜处于通电待机状态，润滑油温度在允许启动温度以上，整个机组处于待启动状态，可以随时投入运行。只有处于预热备用状态的燃气轮机和变频电机才能启动，对于首次投用或者由于故障、保养而退出预热备用的机组，必须先进行预热备用。而燃气轮机和变频电机在启机和停机的过程上存在着很大的不同。

燃气轮机的启动过程比较复杂，启动时间也比较长，通常需要30min至1h。在清吹充压、启动燃气发生器、点火燃烧、启动动力透平达到一定转速后，需要保持在此怠速状态下暖机 15～30min（停机3h以内启机，只需暖机2min；停机3h以上启机，环境温度高于零度时，暖机 15min；环境温度低于零度时，暖机30min），之后再加载提速，进入运行工况。燃气轮机的正常停机，机组经历卸载、减速进入怠速状态，之后开始5min的冷停机计时，5min内可以通过复位改变冷停机程序重新回到加载；5min后，发出燃料气关阀命令，燃料气隔离阀关到位后，工艺气进、出口阀关闭。燃气轮机的启动流程见图1。

变频电机的启动相对简单，启动时间也较短，通常只需要 2～3min。机组进入启动程序，经历短时间的清吹和充压，电机的转速很快就可以加载上去，通过齿轮箱带动压缩机高速旋转，几分钟内达到运行工况。变频电机停机的过程也一样简单迅速，所以，变频电机机组的切换相对燃气轮机机组的切换要容易操作得多。

图1 燃气轮机的启动流程

3 典型故障

由于燃气轮机和变频电机各自原理的不同，所以常见的典型故障也具有不同的特点。燃气轮机的典型故障通常发生在围绕燃烧和做功的一系列过程及辅助设施上，而变频电机的典型故障则集中体现在高速转动传动过程中的振动和磨损方面。

燃气轮机一个比较典型的故障是燃气发动机动力涡轮外壳冒烟，动力涡轮轴承箱安装面密封胶老化引起热油气泄漏是造成这种现象的主要原因。燃气发动机燃料气控制器故障也比较常见，由于燃料气调节阀限位开关传动机构失效、阀位无法正确反馈等原因造成机组故障停机。

变频电机在其高速转动和传动的过程中，常常由于润滑油供给不足或供给压力不够、润滑油中含有杂质、轴承径向间隙过小等原因造成轴瓦与主轴面摩擦磨损，其外在表现主要为轴承温度升高导致报警。变频电机比燃气轮机安装有更多的温度探头和振动探头，尤其是对振动的监测更加关注。

4 维护与保养

燃气轮机和变频电机虽然在机组结构和运行原理上存在很大的区别，但是，对于电路、仪表的检查和校验，密封气系统的排污和更换滤芯，润滑油的更换，以及油冷器、空冷器的清洗工作，两种机组的维护和保养工作大同小异。燃气轮机和变频电机在维护与保养上的主要不同点，在于燃气轮机叶轮叶片的针孔探伤和变频电机联轴器的对中。

燃气轮机燃气发生器内部的叶轮和叶片是高度精密的部件，其材料的好坏和工艺的精细程度是反映燃气轮机性能优劣的重要参考指标。叶轮和叶片外形的完整性和表面的光洁度很大程度上影响到燃气轮机的性能，因此，对叶轮和叶片的维护与保养至关重要。如果有沙尘进入到燃气发生器内部，就可能擦伤及磨损叶轮和叶片，通常采用针孔探伤的方式进行检查。针孔探伤是将一根带有探头的细管伸入燃气发生器内部，通过显示器观察叶轮和叶片的形状和表面光洁程度。

变频电机与压缩机是通过联轴器—齿轮箱—联轴器连接的，齿轮箱中有两个大小不一样的齿轮，其啮合比通常为 5～6，变频电机的转速一般小于2 000r/min，而通过齿轮箱变速后，压缩机的转速可超过 9 000r/min。将变频电机、齿轮箱和压缩机连在一起，实现高速传动的联轴器必须保持高度的同心性。变频电机联轴器的对中，是变频电机维护和保养的重要环节。通常采用精度在0.01mm的仪表，对联轴器的同心性进行检验。

燃气轮机和变频电机的维护和保养周期根据机组累计运行时间计算，以目前我国长输天然气管道常用的 30MW 级燃驱机组和 20MW 级电驱机组为例，燃气轮机和变频电机维护与保养相关参数见表2。

表2 燃气轮机和变频电机维护与保养相关参数

5 费用比较

使用变频电机引入外电，很大程度上受外电源距离的制约，其所需的投资费用大小是影响选用变频电机的一个重要因素，当外电源距离低于 50km时，使用变频电机的一次性投资比使用同等级功率的燃气轮机要低近20%。体积庞大的燃气轮机及其冗多的辅助设施造成了其安装费用要高于模块化设计的变频电机。从运行费用上看，燃气轮机以管输天然气为燃料，将商品气作为动力消耗，是一种很不经济而又不得已的做法；而变频电机的运行费用在很大程度上取决于所依赖的外部电网的电价。由于易损件多、更换维修较频繁，燃气轮机的维护费用也比变频电机要高。除此之外，在一些国家和地区出于对环境保护的要求，燃气轮机需要在废气处理上承担一部分额外的费用或罚款。燃气轮机和变频电机费用比较见表3。

表3 燃气轮机和变频电机费用比较

6 发展趋势

目前，我国已安装的天然气管道压缩机组中，燃驱机组约占 3/4。由于电驱机组比燃驱机组具有初期投资少、易维护等优势，并随着天然气价格的进一步提高，电驱机组在未来经济比选中将更具备优势，选用电驱机组比例会逐渐增大。但是，由于我国天然气资源主要分布在西部，管道大部分途经荒芜地带，外电依托条件差，一段时间内燃气轮机仍将是我国天然气管道压缩机的主要驱动选型。

目前，国内长输天然气管道用燃气轮机和变频电机基本都为进口机组，市场被国外在该领域具备世界先进水平的供应商所垄断。尽管如此，随着各类压缩机组在我国天然气管道上应用规模的不断扩大，为方便机组维护保养，各制造商都加大了在中国配套生产辅助设备的比例，进排气系统、过滤系统、支撑结构及控制系统等辅助系统均实现了在国内制造。同时，国内的压缩机组制造商也在积极引进先进技术，加强与国外供应商在研发领域的合作，并且在西气东输管道系统上已经成功实现了国产化机组的应用。未来几年，在西气东输管道二线的 5座压气站上将投用8套国产化压缩机组，其中6套由变频电机驱动、2套由燃气轮机驱动。除此之外，还有3座压气站尝试使用进口变频电机驱动国产压缩机。尽管我国近几年来对燃气轮机和变频电机的重视程度越来越高、科研力度不断加大、国产化也取得了初步成果，但是，由于在材料和工艺等核心技术上的欠缺，距离大规模国产化还任重道远。

[1] 卢鹏飞.离心压缩机各种变速驱动机的比较和选择[J].石油化工设备技术,2005,26(3): 43-49.

[2] 徐铁军.燃气轮机在我国天然气管道行业的应用现状[J].燃气轮机技术,2012,25(1): 12-16.