液化天然气冷能利用透平发电机组结构设计方案分析

覃小文 李志明 张文祥 袁晓旭 魏小龙 廖茹霞

(1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000；2.东方电气风电有限公司，四川618000)

为了方便运输天然气，一般需要把天然气做液化处理。常压下，天然气的液化温度通常为-163℃，1 t天然气液化大约需耗电850 kW·h。而在天然气的接收站和气化站，通常需要再次将天然气通过气化器气化后才能使用，而液化的天然气在气化时会放出大量的冷能，传统LNG气化工艺中，一般情况下这部分冷能会被天然气气化器中的空气和海水(或河水)带走，大量的高品位冷能由此浪费，造成能源流失。若能通过一定手段，把这部分流失的冷能合理回收利用起来，将会取得非常可观的环保效益以及经济效益[1]。

如果可以将液化天然气拥有的冷量能转化为电力(假定转换过程中没有任何损失)，每1 t液化天然气可利用的冷能发电折合电量约为240 kW·h。因此，如果可以通过某种特定的工艺技术，将这部分具有较高利用价值的冷能利用起来发电，不仅可以节省能源，还可以提高经济效益。虽然目前LNG冷能回收利用方案很多，但仍存在冷能利用效率不高、LNG冷能未梯级利用、动设备较多、流程复杂等问题。

以下将对LNG冷能利用透平发电的基本原理(朗肯循环)和结构设计进行对比分析，讨论透平与电机之间不同布置型式的优缺点。

1 基本原理

通常，LNG冷能发电系统的冷源来自液态天然气，热源来自河水或是海水。

朗肯循环采用丙烷(有机工质)为介质的气体作为热源(有机郎肯循环发电技术是通过使用沸点较低的有机工质，利用温度较低的热源实现郎肯循环发电的技术。系统主要由换热器、循环泵、透平和发电机组成)[2]，将低温的液态天然气加热到0℃供下一级使用，冷却的丙烷流体经增压泵增压，换热器升温，再进入透平膨胀做功发电。排气可作为加热天然气的热源循环使用或经过存储罐存储起来供其他民用。LNG冷能利用系统基本原理见图1。

图1 LNG冷能利用丙烷工质透平发电系统基本原理图Figure 1 Basic principle of LNG cold energy utilization turbine power generation system with propane working medium

2 主要设备及主要系统功能

透平发电机组风险识别见表1。LNG冷能利用透平发电机组主要设备及系统见表2。

3 LNG冷能利用透平发电机组设计方案

针对LNG冷能利用透平发电机组，主要从机电耦合程度、密封、轴系和轴承选型等方面，对透平与电机分体式、一体式布置方案型式进行分析。

表1 透平发电机组风险识别Table 1 Risk identification of turbine power generator set

表2 LNG冷能利用透平发电机组主要设备及系统Table 2 Main devices and systems of LNG cold energy utilization turbine power generator set

3.1 透平与电机分体式方案

3.1.1 透平与电机分体式布置

透平与电机分体式布置见图2。

3.1.2 透平与电机分体式布置设计特点

(1)机电耦合程度低；

(2)电机-透平各自独立布置；

(3)独立转子，采用联轴器连接；

(4)电机侧两个径向轴承+汽机侧两个径向轴承+1个推力轴承；

(5)跨距为<4600 mm(参考值)；

(6)轴端采用干气密封设计，解决透平密封问题，密封结构示意图见图3；

(7)主阀立式、调阀卧式以缩短轴向空间，主阀流速为60 ms，调阀流速为80 ms，阀门材料为ZG230-450，阀门设计示意图见图4；

(8)轴流式设计，可向更大功率等级过渡；

(9)成熟的结构设计+可靠性保障；

(10)整体、快捷式发货。

图2 透平与电机分体式布置示意图Figure 2 Distribution of split-type turbine and motor

图3 密封结构示意图
Figure 3 Seal configuration

图4 阀门设计示意图
Figure 4 Valve design

3.2 透平与电机一体式方案

3.2.1 透平与电机一体式结构

电机布置示意图见图5。透平与电机一体式布置示意图见图6。

3.2.2 透平与电机一体式方案设计特点

透平与电机一体式方案设计特点见表3。

1—磁中心指示器 2—仅用于起吊透风罩，不能起吊整个电机 3—主接线盒 4—轴承、绕组测温接线盒 5—加热器接线盒 6—加热器盖板 7—接地螺栓M12，两个，斜对称图5 电机布置示意图Figure 5 Motor distribution

图6 透平与电机一体式布置示意图
Figure 6 Distribution of integrated turbine and motor

表3 透平与电机一体式方案设计特点Table 3 Design characteristics of integrated turbine and motor scheme

3.2.3 透平与电机一体式方案优势

(1)封闭式外壳设计，无泄漏问题；

(2)无润滑油系统、无润滑油冷却系统；

(3)与透平采用一体化转子，有效缩短总跨距。

3.2.4 透平与电机一体式方案设计难点

(1)此方案是全新设计，研发周期长。

(2)发电机设计方需与磁浮轴承配合设计，配合周期长。

(3)丙烷工质需防爆取证。

(4)该方案优势明显、创新性强、技术难度较大，初步技术方案配合周期较长。

3.2.5 磁浮轴承结构

经调研发现：磁浮轴承广泛应用于电机、压缩机、透平领域。磁浮轴承电机有23 MW在运行业绩；磁浮轴承多运用于有机工质领域，可用于丙烷、天然气等。磁浮轴承结构示意图见图7。磁轴承方案相关业绩见表4。

图7 磁浮轴承结构示意图Figure 7 Configuration of magnetic levitation bearing

表4 磁轴承方案相关业绩Table 4 Achievements of magnetic levitation bearing scheme

4 结论

不管是从机组安全性考虑，或是研发周期、基建成本考虑等，透平与发电机分体式布置相对一体式布置型式均具有一定的优势。