磁力軸承透平膨脹壓縮機在天然氣處理上的應用

祁亞玲 李瑩珂 韓淑怡

中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

透平膨脹壓縮機的主要優點是既可回收能量,又可獲得較優的制冷效果。近年來，透平膨脹壓縮機在天然氣處理領域的水露點控制、烴露點控制、輕烴回收、液化等工藝處理過程中被廣泛用做制冷機械[1-2]。

等熵效率是衡量透平膨脹壓縮機熱力學性能的一個重要參數[3-4]。對于向心徑—軸流反作用式透平膨脹壓縮機,其膨脹端效率約為80%～87%,而增壓端效率約為75%～82%。透平膨脹壓縮機的關鍵部件是葉輪和轉子,一般采用閉式整體葉輪,設計主要遵循API STD 617《石油、化學和氣體工業用軸流、離心壓縮機及膨脹機—壓縮機》等相關標準要求。

國外較大型的透平膨脹壓縮機生產企業有法國Cryostar,美國Mafi-Trench、GE、RotoFlow,德國MAN TURBO和日本三菱等[5]；國內有杭州杭氧股份有限公司、開封空分集團有限公司、簡陽瑞特機械設備有限公司等。目前,國產機型的處理規模與國外機型的處理規模差距較大[6-7]。

1 應用現狀

天然氣是易燃易爆氣體,組分十分復雜,一般含有C1～C5、H2S、H2O、N2、CO2、H2、COS、CS2等,對設備的密封和防腐要求高,而且膨脹后的天然氣在腔體內會產生低溫液態重烴,對葉輪沖擊較大,對葉片結構要求極高。目前用于天然氣制冷領域的透平膨脹壓縮機有兩類:一類是采用強制稀油潤滑的滑動軸承型,整機性能非常成熟,應用廣泛;另一類是磁力軸承型,工程應用較少,正處于大力推廣應用階段。目前，世界上兩大磁力軸承廠商是瑞典和法國聯合成立的S2M公司以及美國DOVER/WAUKESHA Bearings公司。

1988年,第一臺工業應用的磁力軸承透平膨脹壓縮機面世[8],現在磁力軸承及控制系統在國外發展迅猛,法國SFP公司和瑞典SKF公司聯合投資成立了S2M公司,對高精度磁力軸承進行了系統研發和升級,目前使用的磁力軸承及控制系統大都是該公司產品。卡塔爾最大的液化天然氣廠中23臺透平膨脹壓縮機都安裝了S2M磁力軸承。但中國尚未掌握該技術,僅有珠海高欄終端項目、中海油惠州100×104t/a乙烯裝置、三金石化聚乙烯裝置、新疆某天然氣輕烴回收裝置應用了引進的磁力軸承透平膨脹壓縮機。透平膨脹壓縮機在國內外天然氣凈化領域的應用情況見表1。

表1 透平膨脹壓縮機在天然氣凈化領域應用情況表

新疆某天然氣輕烴回收裝置使用的磁力軸承透平膨脹壓縮機是目前國內單機處理規模最大的膨脹壓縮機,膨脹端氣體規模1 500×104m3/d,膨脹比1.73,入口溫度-43 ℃,入口壓力6.15 MPa,出口壓力3.45 MPa,出口溫度-69 ℃,膨脹端效率達到85%。增壓端氣體規模1 519×104m3/d,入口溫度28 ℃,入口壓力3.27 MPa,出口壓力3.77 MPa,同軸壓縮端效率為80%。目前2臺磁力軸承透平膨脹壓縮機一直保持無故障連續運行,總體運行平穩,2臺膨脹壓縮機的徑向位移與軸向位移幾乎恒定,偏移量分別為±5 μm、±10 μm[9-11],遠低于油潤滑軸承膨脹壓縮機的振動值20 μm/s。

2 工作原理

磁力軸承透平膨脹壓縮機是一種將磁場原理應用到旋轉軸上,代替油潤滑軸承膨脹壓縮機的新型膨脹壓縮機,是一次技術創新和突破。磁力軸承透平膨脹壓縮機在腔體有限的狹小空間中利用磁場力將轉子懸浮起來,轉子和定子之間沒有機械摩擦,轉速高,效率高,轉子不易損壞,使整機性能更穩定可靠。其關鍵技術在于磁力平衡控制系統和安全停機系統,磁力平衡控制系統可調整和保證轉子在高速運動中不偏離中心空間,安全停機系統可在失電磁場消失情況下防止轉子掉落損壞。磁力軸承的使用壽命取決于電氣系統的壽命,國外廠家標明磁力軸承電主軸的壽命大于20年。

磁力軸承是復雜的機電一體化集合設備,涉及機械設計、轉子動力學、電磁理論、控制理論、數字信號處理等眾多技術領域[12]。磁力軸承透平膨脹壓縮機軸承剖視圖見圖1,整體外觀見圖2。

圖1 磁力軸承透平膨脹壓縮機軸承剖視圖Fig.1 Section view of magnetic bearing of turbo-expander compressor

圖2 磁力軸承透平膨脹壓縮機軸承整體外觀圖Fig.2 Overall appearance of magnetic bearing of turbo-expander compressor

自動推力平衡系統保護止推軸承免受過載和損壞。自動推力平衡系統可感知前后止推軸承上的流動氣壓,并將感知的氣壓進行比較;同時調節壓縮機葉輪后方空穴的壓力,以將轉子系統保持在平衡(中心)位置。該系統使得軸承在適當的方向保持較小的軸向荷載,從而防止振蕩。

引起磁力軸承偏移的原因有:1)懸浮在工藝氣體中的顆粒造成一些內部部件出現嚴重磨損;2)膨脹壓縮機葉輪排氣通道中存在冰塊、沉積重油等沉淀物;3)前后止推軸承之間的壓差達到了預先設定的限值時,自動報警系統被激活。

3 特性

3.1 操作維護簡單

對于油潤滑軸承膨脹壓縮機,由于天然氣中的烴類物質容易和同樣為碳氫化合物的潤滑油互溶[13-15],造成潤滑油品質下降,易導致潤滑油進入工藝系統后污染工藝介質。同時密封氣中的重烴會稀釋潤滑油黏度,使膨脹壓縮機潤滑油失效過快,潤滑油更換頻繁,操作維護工作量大。但是磁力軸承透平膨脹壓縮機不需要潤滑,沒有復雜的供油裝置,不會對工藝過程氣造成任何污染,故障率低,機組檢修維護工作量小。

3.2 機組振動微小

磁力軸承透平膨脹壓縮機的轉子動平衡相對平穩,性能穩定性更為可靠,自動推力平衡保護系統可確保軸承免受過載和損壞。即使轉子在工作中有一定程度的局部損壞而影響了轉子的動平衡,也可以通過該控制系統改變某個位置的磁力使其保持正常運行,一般位移量為5～12 μm。

3.3 能量回收效率高

有研究數據表明,在同樣的制冷量下,油潤滑軸承膨脹壓縮機的損失功率為磁力軸承透平膨脹壓縮機損失功率的3～4倍[6],磁力軸承無摩擦,軸承損失功率低,無輔助系統的用電耗能,而且同軸壓縮端的能量回收效率高,整機使用壽命長。

4 工藝設計要點

4.1 密封氣

密封氣主要起隔絕膨脹端的低溫氣體進入軸承腔體[16],并兼顧冷卻腔體電線圈的作用。密封氣溫度過低或過高都會影響電磁軸承的壽命,故必須確保密封氣氣源的組分、壓力和溫度滿足機組要求,因此密封氣的取氣點至關重要。尤其是在冬、夏季溫度發生較大變化時,需要考慮設置密封氣加熱器和密封氣冷卻器,將密封氣的供氣溫度控制在25～30 ℃。

4.2 工藝氣

需要對工藝氣進行嚴格的預處理,過濾分離出顆粒雜質和液滴,電磁線圈對醇類物質特別敏感,因此系統工藝氣中嚴禁攜帶乙二醇和甲醇等醇類防凍劑,否則會嚴重影響電磁線圈的壽命。有些天然氣凈化工程上游采氣、輸氣管道或凈化廠內的部分低溫管道出現凍堵時會采用注入解凍劑甲醇來緩解,應特別注意醇類注入點的設置。注入醇類后的工藝氣不得進入膨脹壓縮機組,更不能作密封氣使用。

4.3 軟件系統

與油潤滑軸承相比,磁力軸承采用嵌入式傳感器,平衡控制系統對設備的狀態進行實時監測和診斷,在高達30 000～40 000 r/min的轉速下,位移量小于12 μm,具有良好的穩定性。因此磁力軸承對軟件系統要求極高,一旦軟件系統應用的可靠度不夠高,極易造成機組跳車。電磁控制系統技術是最復雜的核心技術,對掉電保護、控制器承載能力、臨界轉速等都要做出及時正確的軟件響應,選用機組時應特別注意軟件系統的可靠性和成熟應用業績。國內某輕烴廠膨脹壓縮機運行一年來因軟件配置方面造成的相關聯鎖跳車高達十多次,最為嚴重的是因備用電池模塊與速度控制模塊自身程序問題導致的多次聯鎖停機。

4.4 旁路J-T閥

在天然氣處理工藝過程中,為了保證全系統安全平穩地連續運行,通常要設置工藝旁路J-T閥[17-20]。

旁路J-T閥的設置有兩個方面的用途。

一是旁路J-T閥僅在膨脹壓縮機開機調試時開啟,膨脹壓縮機關閉后,旁路J-T閥也會關閉,整個工藝系統停機不再運行。這種情況下旁路J-T閥的使用比較單一,工藝正常運行過程中不會單獨開啟該閥,無需設置特殊工況下的閥位,程序控制也很容易實現。

另一種是旁路J-T閥作為膨脹壓縮機組的大旁通,即膨脹壓縮機停機后,工藝系統通過旁路J-T閥制冷繼續運行。這種情況下,需要旁路J-T閥在膨脹壓縮機故障停機的情況下做出快速、準確的閥位響應。因為膨脹壓縮機的入口快速切斷蝶閥關閉時間為0.5 s,只有旁路J-T閥快速動作到指定位置,才能保證透平膨脹壓縮機防喘閥的動作響應及時,防止跳車,保證在膨脹壓縮機停運時,工藝處理可以繼續維持旁路J-T閥制冷,建議可將旁路J-T閥選擇為能夠快速響應的角行程V形切口球形調節閥,并設定開啟的具體閥位。

同時旁路J-T閥與膨脹壓縮機系統的管道布置尤為重要,應結合管道應力分析結果進行調整,膨脹壓縮機出口的含液管道不能過低,不能有U型彎。系統調整為旁路J-T閥運行工況時,要防止旁路J-T閥后的液體逆流進入膨脹壓縮機腔體,造成損壞設備的嚴重后果。

5 結論

1)磁力軸承透平膨脹壓縮機效率高,啟動方便,操作維護簡單,運行可靠度高,應用于大型天然氣制冷分離裝置、LNG裝置中有明顯優勢,是今后透平膨脹壓縮機的發展方向。

2)需要根據工藝氣膨脹后的低溫性質,結合密封氣氣源選擇、旁路J-T閥設置、磁力控制系統、機組振動因素等方面綜合考慮,合理設計,確保磁力軸承透平膨脹壓縮機安全平穩高效運行。

3)目前國內與國外在磁力控制系統方面技術水平差距很大,磁力控制系統基本依靠國外技術,國內還未實現技術突破;在應用過程中需加強人員的技能培訓,提高磁力軸承透平膨脹壓縮機故障的診斷、預防和處理能力。