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济南负压风机价格变速行星齿轮在石油、天然气和石油化工工业中的
变速行星齿轮在石油、天然气和石油化工工业中的应用
卢鹏飞 / 中国石化工程建设公司
摘要：本文首先论述用电动机经变速行星齿轮（VORECON）无级机械变速驱动和控制离心压缩机的优越性。其次简单讨论石油、天然气和石油化工工业中离心压缩机的各种用途。第三，探讨变速行星齿轮（VORECON）的原理、结构、控制和各种优点。第四，介绍 VORECON 在石油、天然气和石油化工工业中的业绩和使用实例。最后推荐变速行星齿轮（VORECON）优先用于天然气输气管道、液化天然气（LNG）、海洋平台和石油化工行业。
1 概述
石油和天然气是当今世界一次能源和化工原料的最重要支柱。石油和天然气作为高效、优质、清洁能源和化工原料，其用途越来越广，需求量不断增加。石油作为最普遍的现代交通燃料外，还能做大宗基本有机化工产品如乙烯、丙烯和苯等的原料。天然气制合成氨和甲醇是国际公认的建设投资少、生产成本低和最具竞争力的原料路线。
离心压缩机是石油、天然气和石油化工过程中的心脏设备，也是耗能大户。 从节能的角度看，离心压缩机调节方式选择的优先顺序如下：（1）变转速调节；（2）入口导叶调节；（3）入口节流出口节流调节；（4）旁路调节。电动机驱动的离心压缩机，用变速行星齿轮（VORECON）实现变转速调节，无级变速，并可扩大稳定工况区，不引起附加损失，也不附加其它机构，且无电磁辐射污染，对压缩机性能控制调节和操作人员的人身安全十分有利。在炼油厂以及石油化工厂中，大型离心压缩机往往选用汽轮机变速调节，也有个别用燃气轮机驱动的。这一点与全厂的蒸汽供应、副产蒸汽的使用和平衡以及全厂能量的充分利用有关，本文不作进一步探讨。作者认为，凡是电动机驱动的大型离心压缩机，采用变速行星齿轮（VORECON）实现变转速调节，节电、投资少、占地少、无污染，是明智的最佳选择。
90年代初，由于燃烧天然气的电站迅速发展，造成电力工业和天然气工业的相互依靠，电价大幅度降低，为采用电动机作为驱动机创造了客观的条件。大功率电动机驱动管道增压离心压缩机的发展，又推动了天然气输送工业的进步。 采用 电动机驱动要比单循环燃气轮机驱动，增加4%–8%工程热效率。对于 采用现代先进技术的发电工程，从天然气燃烧到轴功率输出的工程热效率，包括输送工程中的各种损失，此值可达50%；使用单循环燃气轮机驱动的最高效率达40%,平均效率仅为35%。电动机的运行效率在满负荷时大于 96%，在部分负荷时大于 90% 。因此，操作费用由于工程热效率的提高和部分负荷运行效率高而大为节省 , 电动机的维护费用也远比燃气轮机低得多。更重要的优点是，它能减少噪声20分贝以上，实现无污染气体（ CO 、 CO2 、 NOx 、 SOx ）排放。但是当采用变频电动机驱动时，不能排除电磁辐射对人员的伤害。电力驱动工程的投资费用一般低于同等功率燃气轮机工程25% 到40%，电力驱动工程的可用性大于98% ，是燃气轮机所不能相比拟的。电力驱动工程比燃机工程更容易实现遥控。工程效率高，能降低燃料消耗，减少整个能量工程 CO2 排放量，譬如：挪威油气公司选用的高效率离心压缩机，在整个服役期间，每台平均节省 9 百万美元的燃料费和 CO2 排放的税金。
2 石油、天然气和石油化工工业中的离心压缩机
石油、天然气和石油化工过程中离心压缩机所处的位置见图 1。
2.1液化天然气（ LNG ）
LNG 工厂和接收终端、输出终端的各种离心压缩机列于表 1 。
表1 LNG 工厂和接收终端、输出终端的各种压缩机及其使用特点
序号
用途
压缩机名称
使用特点
1
LNG 工厂
丙烷冷冻压缩机、乙烯冷冻压缩机、甲烷冷冻压缩机
按阶式（CASCADE）液化流程，最终节流后，压力降至 0.1034 MPa, 温度降至 -162 ℃ 。
2
闪蒸气压缩机
多操作点，分子量变化频繁，需要高度灵活性，应采用变转速控制。
3
接收终端
返回气鼓风机
采用变转速控制，加快卸船进度，并使计量更精确。
4
蒸发气压缩机
用变转速控制，具有对付储罐里 LNG 数量变化和周围温度变化所必需的灵活性。
5
输出终端
蒸发气压缩机
装载时含 N2 量有变化，即：具有不同气体组成、不同温度和不同流量。变转速控制比旁路控制节省 20-30% 动力。
液化天然气工厂的原则流程见图 2 所示。
闪蒸气压缩机在 LNG 工厂流程中所处的位置见图 3 。
LNG 接收终端流程中蒸发气（ BOG ）压缩机和返回气鼓风机的位置见图 4 所示。
2.2天然气输送管线
天然气从处理厂出来以后，脱去轻烃类、水和硫化氢，进入输气管道增压站，经增压后出站进行管道输送。 天然气增压压缩机在增压站典型流程中的位置见图 5 所示。
2.3天然气的气举（重注）和重压缩
天然气的气举 ( 重注 ) 是将天然气加压注入油井提升管,减小油柱的重量,使得油田现有压力足够提升油气混和物直到油井平台。
天然气的气举（重注）和天然气重压缩（在海洋平台上）分别见图6及图7 。
配电变压器是供电环节中最重要也是最普遍的一次设备。在我国现行配电网中，有35KV/66KV/110KV/154KV/220KV几个电压等级，以110KV/220KV为主。全国大约有中高压变电站4万个，这个数字还在逐年增长，其中大部分是两台变压器并列运行。
由于变压器在运行中线圈会发热，需要采取冷却措施。小容量变压器可采取干式变压器，自然风冷或强制风冷。大容量变压器一般以油为冷却媒体，必须强制风冷。
变压器运行中初次级线圈和磁芯都会产生热量，变压器油流经这些部位靠热传导作用带走热量，再经排热器将热量散发到环境空气中。或者说，变压器的运行表现为发热和排热两个方面的对立统一体。显然，变压器产生的热量多少与负载大小成正比，而排热好坏与周围环境直接相关。
负载的变化表现为基荷与周期性负荷的叠加。基荷主要为工业负荷，这部分负荷的变化比较缓慢，与当地经济发展有关。负荷的周期性，有（1）一日之内变化的峰谷负荷；（2）一周之内的工作日负荷与周末负荷；（3）一年之内的春灌、夏季制冷、秋收和冬季取暖；（4）长假：五一、十一、春节。这几个周期的相互叠加，就构成了变压器负载的基本变化规律，从而也就决定了变压器发热量的基本变化规律。
排热效率取决于表面积和温差。在同等表面积情况下，温差的大小就决定了排热效率的高低。变压器负载增大时，发热量增多，从而油温升高，进而排热管表面温度升高。由于环境空气一般比排热管表面温度低，形成温差。由于热传导作用，围绕排热管一定厚度内的空气被逐渐加热，这样一来，热量被转移到环境空气中。如果不及时将已被加热的空气移开，温差就会逐渐减小，排热效率又逐渐将下来。这个升温和排热相互作用的过程，最后会达到稳态，也就是排热管表面温度达到一个温度平衡值，此时，单位时间内的发热量和排热量相等。
如果这个温度平衡值维持在较高水平，将使变压器性能下降，甚至达到不可容忍的程度。为了维持较低温度平衡值（45度到55度），必须采取强制风冷措施，加速空气对流。要维持更低的温度水平，需要更大的送风量，但这样做给变压器运行工况带来的好处也就越来越微弱。因此，根据负荷的变化调整送风量并维持合理的温度平衡值，是变压器经济运行的客观需要。
为了安全的需要，变压器冷风机按最大化配置，也就是在满负荷运行并且环境温度达到最高值的情况下，变压器的运行依然是安全的，也即在最大发热量同时温差最小的条件下，强制风冷的送风量，依然满足排热要求。
显而易见，变压器并不是总在满负荷运行，一般负荷率在40%-70%之间。同时，变压器也不会总在最坏排热情况下运行，夏季温度最高可到40C,但冬季只有10C以下,甚至达到零下10C。根据负荷情况和环境温湿度的变化，开启部分风机，这样的控制策略对变压器安全运行是可行的。
冷风机的可利用小时数是有限的，随着投运时间线性递减。在保证变压器排热需要的前提下，适当减少部分冷风机的投运时间,可提高设备使用寿命。
在实际运行操作中，已经设计了手动操作箱，有控制逻辑线路和手动按钮。手动按钮控制冷风机供电回路继电器吸合或放开，从而达到手动控制冷风机投运或切除的目的。如果操作人员根据负载情况和气候条件，及时投切冷风机，可达到既保证变压器可靠运行，又能延长冷风机使用寿命，并起到节约电能的目的。
然而，“及时投切”实施起来有困难。操作人员为了保证变压器可靠运行，习惯上采取冷风机全部投入运行的简化工作模式。这就造成了冷风机过渡运行，容易引发冷风机故障。
为了实现及时投切的目的，采用智能控制技术方案。根据每个季度的气候条件和典型日负荷情况，制定冷风机合理投切策略，智能控制器按照事先制定的控制策略，实施对应冷风机的投切，从而实现无人值守变压器冷风机智能投切。
触摸屏智能控制器通过R485总线外挂输入输出模块，扩展性好，方便进一步与变电站自动化工程结合
可将控制器安装在操作箱中，也可安装在值班室。如果安装在值班室，需要把R485总线（四根信号线）从操作箱引入到值班室，不超过1000米即可。
（１） 及时投切
智能控制器按照事先制定好的控制策略，通过闭合或者分断对应回路的冷风机控制继电器，实现及时投切。
（２） 无人值守
智能控制器自动实施冷风机就地控制，无需人工干预。
（３） 策略控制
某个变压器的负荷变化趋势，操作人员可根据实际运行经验，通过冷风机轮转表格来刻画。在保证变压器可靠运行的前提下，依据季节气候变化规律和负荷变化规律，制定控制策略。
（４） 故障告警
一旦发现某个回路闭合或开断故障，可以声音报警，提示值班人员检修。
（５） 运行记录
冷风机投切及运行状态记录(SOE),便于事后分析，用于控制策略的完善。
（６） 可远程监控
有条件时可以布置通讯电缆，通过控制器通讯口，实现远程监控。
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