磁力轴承透平膨胀压缩机在天然气处理上的应用

祁亚玲 李莹珂 韩淑怡

中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

透平膨胀压缩机的主要优点是既可回收能量,又可获得较优的制冷效果。近年来，透平膨胀压缩机在天然气处理领域的水露点控制、烃露点控制、轻烃回收、液化等工艺处理过程中被广泛用做制冷机械[1-2]。

等熵效率是衡量透平膨胀压缩机热力学性能的一个重要参数[3-4]。对于向心径—轴流反作用式透平膨胀压缩机,其膨胀端效率约为80%～87%,而增压端效率约为75%～82%。透平膨胀压缩机的关键部件是叶轮和转子,一般采用闭式整体叶轮,设计主要遵循API STD 617《石油、化学和气体工业用轴流、离心压缩机及膨胀机—压缩机》等相关标准要求。

国外较大型的透平膨胀压缩机生产企业有法国Cryostar,美国Mafi-Trench、GE、RotoFlow,德国MAN TURBO和日本三菱等[5]；国内有杭州杭氧股份有限公司、开封空分集团有限公司、简阳瑞特机械设备有限公司等。目前,国产机型的处理规模与国外机型的处理规模差距较大[6-7]。

1 应用现状

天然气是易燃易爆气体,组分十分复杂,一般含有C1～C5、H2S、H2O、N2、CO2、H2、COS、CS2等,对设备的密封和防腐要求高,而且膨胀后的天然气在腔体内会产生低温液态重烃,对叶轮冲击较大,对叶片结构要求极高。目前用于天然气制冷领域的透平膨胀压缩机有两类:一类是采用强制稀油润滑的滑动轴承型,整机性能非常成熟,应用广泛;另一类是磁力轴承型,工程应用较少,正处于大力推广应用阶段。目前，世界上两大磁力轴承厂商是瑞典和法国联合成立的S2M公司以及美国DOVER/WAUKESHA Bearings公司。

1988年,第一台工业应用的磁力轴承透平膨胀压缩机面世[8],现在磁力轴承及控制系统在国外发展迅猛,法国SFP公司和瑞典SKF公司联合投资成立了S2M公司,对高精度磁力轴承进行了系统研发和升级,目前使用的磁力轴承及控制系统大都是该公司产品。卡塔尔最大的液化天然气厂中23台透平膨胀压缩机都安装了S2M磁力轴承。但中国尚未掌握该技术,仅有珠海高栏终端项目、中海油惠州100×104t/a乙烯装置、三金石化聚乙烯装置、新疆某天然气轻烃回收装置应用了引进的磁力轴承透平膨胀压缩机。透平膨胀压缩机在国内外天然气净化领域的应用情况见表1。

表1 透平膨胀压缩机在天然气净化领域应用情况表

新疆某天然气轻烃回收装置使用的磁力轴承透平膨胀压缩机是目前国内单机处理规模最大的膨胀压缩机,膨胀端气体规模1 500×104m3/d,膨胀比1.73,入口温度-43 ℃,入口压力6.15 MPa,出口压力3.45 MPa,出口温度-69 ℃,膨胀端效率达到85%。增压端气体规模1 519×104m3/d,入口温度28 ℃,入口压力3.27 MPa,出口压力3.77 MPa,同轴压缩端效率为80%。目前2台磁力轴承透平膨胀压缩机一直保持无故障连续运行,总体运行平稳,2台膨胀压缩机的径向位移与轴向位移几乎恒定,偏移量分别为±5 μm、±10 μm[9-11],远低于油润滑轴承膨胀压缩机的振动值20 μm/s。

2 工作原理

磁力轴承透平膨胀压缩机是一种将磁场原理应用到旋转轴上,代替油润滑轴承膨胀压缩机的新型膨胀压缩机,是一次技术创新和突破。磁力轴承透平膨胀压缩机在腔体有限的狭小空间中利用磁场力将转子悬浮起来,转子和定子之间没有机械摩擦,转速高,效率高,转子不易损坏,使整机性能更稳定可靠。其关键技术在于磁力平衡控制系统和安全停机系统,磁力平衡控制系统可调整和保证转子在高速运动中不偏离中心空间,安全停机系统可在失电磁场消失情况下防止转子掉落损坏。磁力轴承的使用寿命取决于电气系统的寿命,国外厂家标明磁力轴承电主轴的寿命大于20年。

磁力轴承是复杂的机电一体化集合设备,涉及机械设计、转子动力学、电磁理论、控制理论、数字信号处理等众多技术领域[12]。磁力轴承透平膨胀压缩机轴承剖视图见图1,整体外观见图2。

图1 磁力轴承透平膨胀压缩机轴承剖视图Fig.1 Section view of magnetic bearing of turbo-expander compressor

图2 磁力轴承透平膨胀压缩机轴承整体外观图Fig.2 Overall appearance of magnetic bearing of turbo-expander compressor

自动推力平衡系统保护止推轴承免受过载和损坏。自动推力平衡系统可感知前后止推轴承上的流动气压,并将感知的气压进行比较;同时调节压缩机叶轮后方空穴的压力,以将转子系统保持在平衡(中心)位置。该系统使得轴承在适当的方向保持较小的轴向荷载,从而防止振荡。

引起磁力轴承偏移的原因有:1)悬浮在工艺气体中的颗粒造成一些内部部件出现严重磨损;2)膨胀压缩机叶轮排气通道中存在冰块、沉积重油等沉淀物;3)前后止推轴承之间的压差达到了预先设定的限值时,自动报警系统被激活。

3 特性

3.1 操作维护简单

对于油润滑轴承膨胀压缩机,由于天然气中的烃类物质容易和同样为碳氢化合物的润滑油互溶[13-15],造成润滑油品质下降,易导致润滑油进入工艺系统后污染工艺介质。同时密封气中的重烃会稀释润滑油黏度,使膨胀压缩机润滑油失效过快,润滑油更换频繁,操作维护工作量大。但是磁力轴承透平膨胀压缩机不需要润滑,没有复杂的供油装置,不会对工艺过程气造成任何污染,故障率低,机组检修维护工作量小。

3.2 机组振动微小

磁力轴承透平膨胀压缩机的转子动平衡相对平稳,性能稳定性更为可靠,自动推力平衡保护系统可确保轴承免受过载和损坏。即使转子在工作中有一定程度的局部损坏而影响了转子的动平衡,也可以通过该控制系统改变某个位置的磁力使其保持正常运行,一般位移量为5～12 μm。

3.3 能量回收效率高

有研究数据表明,在同样的制冷量下,油润滑轴承膨胀压缩机的损失功率为磁力轴承透平膨胀压缩机损失功率的3～4倍[6],磁力轴承无摩擦,轴承损失功率低,无辅助系统的用电耗能,而且同轴压缩端的能量回收效率高,整机使用寿命长。

4 工艺设计要点

4.1 密封气

密封气主要起隔绝膨胀端的低温气体进入轴承腔体[16],并兼顾冷却腔体电线圈的作用。密封气温度过低或过高都会影响电磁轴承的寿命,故必须确保密封气气源的组分、压力和温度满足机组要求,因此密封气的取气点至关重要。尤其是在冬、夏季温度发生较大变化时,需要考虑设置密封气加热器和密封气冷却器,将密封气的供气温度控制在25～30 ℃。

4.2 工艺气

需要对工艺气进行严格的预处理,过滤分离出颗粒杂质和液滴,电磁线圈对醇类物质特别敏感,因此系统工艺气中严禁携带乙二醇和甲醇等醇类防冻剂,否则会严重影响电磁线圈的寿命。有些天然气净化工程上游采气、输气管道或净化厂内的部分低温管道出现冻堵时会采用注入解冻剂甲醇来缓解,应特别注意醇类注入点的设置。注入醇类后的工艺气不得进入膨胀压缩机组,更不能作密封气使用。

4.3 软件系统

与油润滑轴承相比,磁力轴承采用嵌入式传感器,平衡控制系统对设备的状态进行实时监测和诊断,在高达30 000～40 000 r/min的转速下,位移量小于12 μm,具有良好的稳定性。因此磁力轴承对软件系统要求极高,一旦软件系统应用的可靠度不够高,极易造成机组跳车。电磁控制系统技术是最复杂的核心技术,对掉电保护、控制器承载能力、临界转速等都要做出及时正确的软件响应,选用机组时应特别注意软件系统的可靠性和成熟应用业绩。国内某轻烃厂膨胀压缩机运行一年来因软件配置方面造成的相关联锁跳车高达十多次,最为严重的是因备用电池模块与速度控制模块自身程序问题导致的多次联锁停机。

4.4 旁路J-T阀

在天然气处理工艺过程中,为了保证全系统安全平稳地连续运行,通常要设置工艺旁路J-T阀[17-20]。

旁路J-T阀的设置有两个方面的用途。

一是旁路J-T阀仅在膨胀压缩机开机调试时开启,膨胀压缩机关闭后,旁路J-T阀也会关闭,整个工艺系统停机不再运行。这种情况下旁路J-T阀的使用比较单一,工艺正常运行过程中不会单独开启该阀,无需设置特殊工况下的阀位,程序控制也很容易实现。

另一种是旁路J-T阀作为膨胀压缩机组的大旁通,即膨胀压缩机停机后,工艺系统通过旁路J-T阀制冷继续运行。这种情况下,需要旁路J-T阀在膨胀压缩机故障停机的情况下做出快速、准确的阀位响应。因为膨胀压缩机的入口快速切断蝶阀关闭时间为0.5 s,只有旁路J-T阀快速动作到指定位置,才能保证透平膨胀压缩机防喘阀的动作响应及时,防止跳车,保证在膨胀压缩机停运时,工艺处理可以继续维持旁路J-T阀制冷,建议可将旁路J-T阀选择为能够快速响应的角行程V形切口球形调节阀,并设定开启的具体阀位。

同时旁路J-T阀与膨胀压缩机系统的管道布置尤为重要,应结合管道应力分析结果进行调整,膨胀压缩机出口的含液管道不能过低,不能有U型弯。系统调整为旁路J-T阀运行工况时,要防止旁路J-T阀后的液体逆流进入膨胀压缩机腔体,造成损坏设备的严重后果。

5 结论

1)磁力轴承透平膨胀压缩机效率高,启动方便,操作维护简单,运行可靠度高,应用于大型天然气制冷分离装置、LNG装置中有明显优势,是今后透平膨胀压缩机的发展方向。

2)需要根据工艺气膨胀后的低温性质,结合密封气气源选择、旁路J-T阀设置、磁力控制系统、机组振动因素等方面综合考虑,合理设计,确保磁力轴承透平膨胀压缩机安全平稳高效运行。

3)目前国内与国外在磁力控制系统方面技术水平差距很大,磁力控制系统基本依靠国外技术,国内还未实现技术突破;在应用过程中需加强人员的技能培训,提高磁力轴承透平膨胀压缩机故障的诊断、预防和处理能力。