在液化天然气工业早期,大多数基荷型LNG液化厂设计都使用蒸汽涡轮机驱动制冷压缩机,而近些年建设的基荷型LNG液化厂设计都使用了工业燃气涡轮机驱动。涡轮机是旋转机器,通过燃烧产生高压气流(代替蒸汽)转动发动机,以轴功率、推力等形式得到动力。发生如此更新换代的原因之一就是去掉蒸汽发生设备和锅炉给水处理设备以减少开支。另外,工业燃气涡轮机被广泛用于发电也是由于其在基荷型LNG液化厂的可靠性已得到了充分改善。
由于LNG液化厂需要经济地开采孤立分散天然气藏,通常优先考虑使用天然气驱动压缩机,但由于天然气的价值不断上升,现在情况已开始转变。在目前的发展中,我们可以看到燃料效率更高的航空涡轮发动机改型的涡轮机和各种电动机都已被用于基荷型LNG液化厂。由于受设备能力及可靠性的限制,基荷型LNG液化厂通常都建设多条生产线。然而,最近一段时期技术的发展开始转向增大主要设备能力方面,例如燃气涡轮压缩驱动机,开始关注大型原动机配置对LNG生产线成本和可靠性产生的影响。需要注意的是,燃气涡轮机的型号规格是一定的(如Frame 5、Frame 6、Frame 7、Frame 9),因此制冷循环的设计必须按照可用的燃气涡轮机功率进行设计,而不能根据制冷循环确定涡轮机规格。涡轮机的排号大,其功率也就大。
1.燃气涡轮机
燃气涡轮机按结构有两种:单轴涡轮和双轴涡轮。
1)单轴燃气涡轮机比双轴燃气涡轮机功率大,因为它们匀速旋转系统惯性好而增加了系统的可靠性和效率,通常用于发电。使用大型涡轮机可减少液化生产线使用的驱动机台数,因而可以减少资金投入。一台大型涡轮机可以驱动液化流程中串联排列在单轴上的多台压缩机。由于单轴涡轮起动时需要的动力较大,需要起动马达(通常也被称为起动/辅助电动机)来起动,在正常运行时可辅助涡轮做功。
2)双轴燃气涡轮机近年来在液化生产线上被广泛安装使用。常被选用的压缩驱动机为双轴工业燃气涡轮机(Frame5,近年来更多地使用Frame7和Frame9),因为涡轮驱动制冷压缩机的动力速度可分开控制,不同于驱动发电机的速度控制。这样在面对工艺不同变化情况时就具备了灵活性。
可获得的燃气涡轮机的型号功率是一定的,因而制冷剂循环必须根据可选燃气涡轮机的功率进行设计。从本质上讲,LNG液化厂的产能受驱动机的型号和机器配置限制。
卡塔尔LNG项目是LNG行业有史以来建设的单线能力最大的。第一条生产线采用了APCI最新的APXTM技术,用三台Frame9燃气涡轮机驱动单线,年产量达780万t。虽然Frame9已在发电工业得到广泛使用,但在基荷型LNG液化厂中使用还是第一次。
2.航改型燃气涡轮机
航改型燃气涡轮机,即由飞机喷气发动机改进的重量较轻的航空涡轮发动机,第一次在2006年初投入商业运营的澳大利亚Darwin基荷型LNG液化厂中被采用。
与传统的大功率燃气涡轮机(比如Frame7和Frame9)相比,航改型涡轮机有如下优点:有较高的热效率及燃料效率;单位功率的NOx和CO2排放较低;模块机组交换可提高液化厂整体上线率,因为传统大功率燃气涡轮发电机组更换通常需要14天或更长,而航改型涡轮发电机组更换在48h之内就能结束;可以不借助大型辅助电动机起动;重量比Frame7和Frame9轻、占地面积比Frame7和Frame9小。
尽管航改型涡轮机有以上优点,但因为其没有双轴型燃气涡轮机,在基荷型LNG液化厂中仍未广泛推广,且这种发动机需要较高的燃料压力,以及需要额外配备燃料气压缩装置,从而增加了资金投入和操作费用。
热效率的提高减少了液化厂对燃料的需求,增加了整体液化厂热效率并减少了温室气体的排放。燃气涡轮机逐步取代了蒸汽涡轮机,是因为燃气涡轮机中不需要蒸汽发生和锅炉给水处理设备,因而大大减少了资金投入。但由于天然气价格不断攀升,因此,减少LNG生产的燃料消耗的益处是显而易见的。在这种情况下,高效航改型涡轮机和所有电动机都有可能产生更大效益。
3.电动机
近来,LNG工业热衷于使用电动机来驱动制冷压缩机,原因是LNG工业需要增大生产线规模、降低燃料气消耗以提高LNG产量和降低温室气体排放量。电动机被广泛地用做燃气涡轮的起动机和辅助机,而世界上第一个“全电动”的LNG工厂现已在挪威建好并投产。
将电力驱动机应用到基荷型LNG厂也可填补因燃气涡轮不同型号间某些设备尺寸的设计缺口。通常电动机利用率较高,因为它需要的维护频率低、故障少,这就提升了整机的可靠性和工艺安全性,并降低了运营成本。选择电动机驱动还可提高工厂整体上线率,其他好处包括厂家多、竞争激烈,交货周期短。
4.压缩驱动机的可获得性问题(www.xing528.com)
以下列举的是一些与采用电动机驱动或燃气涡轮机驱动的压缩机设备可获得性相关的要点。
(1)与燃气涡轮机相关的可获得性
1)可以平行安装更小的成熟设备,通过提高设备可获得性来弥补增加的成本。
2)使用平行压缩驱动机组合方式,压缩机脱机时将不会关停整条生产线,且系统重启时不损失制冷剂。
3)双轴涡轮的速度可变性提高工艺控制能力,从而提高了上线率。
4)一些大型机器设备(大于GE-Frame 5)受到现有型号和交货时间的限制,这可能会耽搁EPC工期。
5)选择燃气涡轮机驱动时,特别是用于扩建项目,常倾向选择熟悉的设计和配置,并将备件标准化,这样能优化和维护程序。
6)液化生产线中使用单一组分制冷剂循环的燃气涡轮驱动机的可获得性与使用混合制冷剂循环的液化生产线达到的可获得性大致相当。
(2)与电动机相关的可获得性
1)可靠的集中供电及较少定期维护提高了生产可获得性。
2)如果液化系统中电动机驱动的电力由按裕量设计(n+1)的自备发电厂提供(n+1)是指满负荷运转所需的驱动机数量加上一台备用),涡轮发电机定时下网将不会导致液化厂停车,由此可减少生产损失,同时提高液化厂整体上线率。
3)电动驱动机可变速和动力范围实现了流程最佳化控制,容易在多变条件下调整产量,并提高了设计灵活性。
4)如需要,电动机驱动方式一天可以多次起动。
5)电动机和压缩机的装配和测试时间比燃气涡轮机及压缩机短,因而可以缩短EPC工期。
6)设备供应商多而竞争激烈,可以减少供货时间,从而缩短EPC工期。
7)电动机驱动会加快工程进度,因为发电厂和液化厂可以分开建设。
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