摘 要

摘　要：要提高中國天然氣管道建設(shè)運營效益，實現(xiàn)管道壓縮機組和大口徑閥門等關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化是基礎(chǔ)。為此，中國石油天然氣股份有限公司聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)企業(yè)，建立了國產(chǎn)化技術(shù)研發(fā)體

摘　要：要提高中國天然氣管道建設(shè)運營效益，實現(xiàn)管道壓縮機組和大口徑閥門等關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化是基礎(chǔ)。為此，中國石油天然氣股份有限公司聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)企業(yè)，建立了國產(chǎn)化技術(shù)研發(fā)體系和新產(chǎn)品分級試驗體系，并成功開發(fā)了20MW級電驅(qū)壓縮機組、30MW級燃驅(qū)壓縮機組和高壓大口徑全焊接球閥：①電驅(qū)機組研制圍繞三大主體單元組織實施，研發(fā)的25MVA單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速裝置在國際同類產(chǎn)品中容量最大，研發(fā)的4800r／min超高速防爆電機功率達22MW，研發(fā)的PCL800型離心壓縮機工作點效率高、流量調(diào)節(jié)范圍寬；②燃驅(qū)機組研制分兩步走，圍繞進口GT25000燃氣輪機開發(fā)輔助配套系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，配套國產(chǎn)壓縮機形成產(chǎn)品一，同時開展燃氣輪機自主研發(fā)，替換進口燃氣輪機，形成產(chǎn)品二；③圍繞焊接和密封兩項技術(shù)難點開展攻關(guān)，開發(fā)的40英寸Class600、48英寸Class600和48英寸Class900三種規(guī)格兩站安裝方式的高壓大口徑全焊接球閥已全面替代進口產(chǎn)品。結(jié)論認為，壓縮機組和閥門的成功國產(chǎn)化帶動了裝備制造行業(yè)、天然氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展，對于推動企業(yè)自主創(chuàng)新、提升企業(yè)核心競爭力、促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等方面都具有重大意義和作用。

關(guān)鍵詞：天然氣管道  裝備  國產(chǎn)化  變頻調(diào)速裝置  電動機  燃氣輪機  壓縮機組  球閥  中國石油天然氣股份有限公司

The core pipeline equipment localization process and application prospects in China

Abstract：To improve the economic efficiency of natural gas pipelines，we must realize the localization of core equipments such as a compressor set and a large diameter welded ball valve．For this purpose，PetroChina in alliance with other related enterprises established an equipment-localization R&D system and a new product testing system and successfully developed a 20-MW class motordriven compressor unit．a 30-MW class gas turbine driven compressor unit，and a high pressure and large-diameter welded ball valve．First，the motor-driven compressor R&D focused on three main units．The developed frequency control device structure is the cascaded multilevel with a capacity of 25 MVA．The developed anti-explosion dynamo with a motor speed of 4800 rpm can produce the power of 22MW．The developed compressor is PCL800 with features of a high efficiency and a wide flow operating point adj ustment range．Second,there were two steps of the R&D of a GT-driven compressor unit(product A+product B)：we focused on the imported GT25000 gas turbine and integrated its especially auxiliary supporting systems and control systems with China made compressors to develop the product A：simultaneously,we also carried out the R&D of the product B of a gas turbine which would replace the imported one．Third，aiming to solve the problems of sealing and welding，we developed the high pressure and large-diameter all welded hall valves in full replace of the same kind of imported products with three different sizes：NPS40 Class600，NPS48 Class600，and NPS48 Class900．

Keywords：natural gas pipeline，equipment，nationalization production，frequency control devices，motor，gas turbine，centrifugal compressor，large-diameter ball valve，PetroChina

據(jù)統(tǒng)計，全球陸上天然氣有99％都依靠管道輸送。在我國，天然氣管道建設(shè)始于20世紀70年代，但發(fā)展緩慢；從2000年開始，以西氣東輸工程一線為標志的天然氣管道建設(shè)進入大發(fā)展時期，累計投產(chǎn)管道里程超過16000km；“十二五”期間，我國天然氣管道建設(shè)又迎來了一個新的高潮，先后建成或建沒了以西氣東輸二線、西氣東輸三線、中緬天然氣管道為標志的大型骨干天然氣管道，預(yù)計新投產(chǎn)的管道里程將超過21000km(不含城市管網(wǎng))，超過了之前年份的總和。這些管道在國內(nèi)將塔里木、柴達木、長慶、川渝等4大主要氣源地聯(lián)通成網(wǎng)，在周邊將西北中亞、東北俄羅斯、東南緬甸以及沿海進口LNG接收站等連接成網(wǎng)，并以地下儲氣庫作為調(diào)峰儲氣支持手段^[1]，形成了我國天然氣管道新格局(表1)?？v觀現(xiàn)代天然氣管道技術(shù)的特點，輸送壓力等級高——以10MPa和12MPa為主，應(yīng)用鋼材等級高——X70鋼和X80鋼被廣泛使用^[2-3]，輸送流量大——干線管道天然氣輸送量在100×10⁸m³／a以上。如采用上述技術(shù)，就要求干線管道每隔150～170km需設(shè)置一座由2～4臺壓縮機組組成的壓氣站^[4-5]，以保持管道高壓大流量輸送；每隔30km設(shè)置一座閥室，以便在緊急時刻和管道維修時截斷使用。隨著天然氣這種清潔能源逐漸在我國工業(yè)和民用方面被廣泛推廣和普及，中國石油天然氣股份有限公司(以下簡稱中國石油)按照國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃，還將建設(shè)西氣東輸三線、四線、五線以及多座配套地下儲氣庫，這些重大工程對高速燃氣輪機驅(qū)動離心壓縮機組、高速直聯(lián)變頻調(diào)速驅(qū)動離心壓縮機組、天然氣發(fā)動機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組、電機驅(qū)動往復(fù)式壓縮機組以及高壓大口徑全焊接球閥需求量巨大^[6]。而目前這些設(shè)備的核心技術(shù)、產(chǎn)品定價權(quán)以及后續(xù)技術(shù)服務(wù)均被少數(shù)發(fā)達國家所掌握，開展相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化研制和推廣應(yīng)用，無論是對天然氣管道建設(shè)運營企業(yè)，還是對裝備制造企業(yè)，都具有顯著的緊迫性。

 

1　天然氣管道裝備國產(chǎn)化在新形勢下的意義

1．1　符合國家關(guān)于管道設(shè)備國產(chǎn)化的政策要求

近年來，國家為推動裝備制造業(yè)發(fā)展出臺了一系列規(guī)劃綱要和措施性文件，如《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》(2006年)、《關(guān)于落實國務(wù)院加快振興裝備制造業(yè)的若干意見有關(guān)進口稅收政策的通知》(2007年)等，并且在天然氣管道建設(shè)項目批復(fù)文件中明確提出逐步實現(xiàn)管道鋼管、增壓機組、大口徑閥門等國產(chǎn)化的要求。

1．2　保障國家能源安全

我國已經(jīng)初步建成東北、西北、西南和沿海能源進口戰(zhàn)略通道，天然氣管道輸送核心設(shè)備全部依賴進口，在正常的貿(mào)易往來中，我們可以比較容易地獲取保障管道平穩(wěn)運行的技術(shù)裝備、售后服務(wù)、備品備件等；而一旦出現(xiàn)非常情況，壓縮機組的故障輕則導(dǎo)致管道輸量降低，重則導(dǎo)致管道停輸、氣田停產(chǎn)，而線路閥室故障甚至?xí)苯釉斐赏］斖．a(chǎn)。因此，推進天然氣管道裝備國產(chǎn)化還具有保障國家能源安全的戰(zhàn)略意義。

1．3　有效提高天然氣管道行業(yè)效益

輸氣管道的運行可靠性和經(jīng)濟性很大程度上取決于其所采用的壓縮機組的性能。壓氣站的投資占輸氣管道總投資的20％～25％，運行費用占管道總運行費用的40％～50％，而其中壓縮機組的投資占壓氣站總投資的一半以上，壓縮機組的能耗占壓氣站運行費用的70％左右。因此，在輸氣管道設(shè)計中選擇技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理、服務(wù)保障上性價比高的設(shè)備和供貨商對于降低天然氣管道工程建設(shè)投資、提高運營效益具有顯著的現(xiàn)實意義。

1．4　能夠推動裝備制造業(yè)發(fā)展

天然氣管道用壓縮機組主要以30MW級燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組和20MW級變頻調(diào)速電動機驅(qū)動離心壓縮機組為主，干線管道閥門以口徑為40／48英寸(1英寸＝2.54cm，下同)、壓力等級為Class600／900為主。目前在我國，這類機電儀控以及材料等各個專業(yè)高度集成的裝備大都依賴于進口，開展國產(chǎn)化研發(fā)制造，對于推動我國裝備制造業(yè)發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新性社會具有重大意義。

2　天然氣管道裝備國產(chǎn)化的突破口和所取得的成績

2．1　選擇“三大件”作為突破口

早在西氣東輸一線增輸工程上，中國石油就提出國外投標商必須與國內(nèi)壓縮機廠商開展合作，確保至少有一臺壓縮機由國內(nèi)制造，最終實現(xiàn)了定遠站一臺壓縮機由沈陽鼓風(fēng)機集團公司制造的目標。以此為契機，中國石油認真落實國家能源局有關(guān)天然氣管道裝備國產(chǎn)化要求，聯(lián)合國內(nèi)裝備制造企業(yè)，積極推動20MW級變頻調(diào)速同步電機驅(qū)動離心壓縮機組、30MW級燃氣輪機驅(qū)動離心壓縮機組和40／48英寸Class600／900全焊接球閥國產(chǎn)化進程。到目前為止，已經(jīng)實現(xiàn)管道高壓大口徑全焊接球閥全部替代進口產(chǎn)品(圖1、表2)、20Mw級電驅(qū)壓縮機組投產(chǎn)并平穩(wěn)運行萬余小時(圖2、表3)、30 Mw級燃驅(qū)壓縮機組完成產(chǎn)品試制等待現(xiàn)場應(yīng)用的良好局面(圖3、表4) ^[7]。

 

 

 

 

 

 

2．2　技術(shù)路線與研發(fā)思路

通過對國內(nèi)相關(guān)裝備制造企業(yè)進行廣泛調(diào)研、技術(shù)交流以及現(xiàn)場考察，確立了三大項核心裝備國產(chǎn)化研發(fā)方案和關(guān)鍵技術(shù)指標。

1)20MW級電驅(qū)壓縮機組：突破國內(nèi)通行的低轉(zhuǎn)速電機配增速齒輪箱建議，采用高速直聯(lián)驅(qū)動方案，確定電機轉(zhuǎn)速為4800r／min，功率等級為l8～22MW；變頻裝置為電壓源型，多電平單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，容量為25MVA；壓縮機為PCL800系列，開展型譜化研制。

2)30MW級電驅(qū)壓縮機組：研發(fā)工作分為兩個階段，形成兩個產(chǎn)品，其中產(chǎn)品一為進口燃氣輪機+國產(chǎn)壓縮機+國產(chǎn)輔助配套系統(tǒng)；產(chǎn)品二為國產(chǎn)高速燃氣輪機+國產(chǎn)壓縮機+國產(chǎn)輔助配套系統(tǒng)。

3)高壓大口徑全焊接球閥：確定開展40英寸Class600、48英寸Class600、48英寸Class900全焊接球閥新產(chǎn)品試制。

為確保國產(chǎn)化研制成功并能廣泛推廣應(yīng)用，中國石油西氣東輸管道公司(以下簡稱西氣東輸公司)與參研企業(yè)簽訂研制合同，確立了國產(chǎn)化研發(fā)技術(shù)體系和測試試驗體系。

按照確定的研發(fā)目標和關(guān)鍵技術(shù)指標，西氣東輸公司組織制定了《20MW級高速直聯(lián)變頻電驅(qū)壓縮機組國產(chǎn)化試制技術(shù)條件》《30MW級燃氣輪機驅(qū)動離心壓縮機組國產(chǎn)化試制技術(shù)條件》和《高壓大口徑全焊接球閥國產(chǎn)化試制技術(shù)條件》，形成了國產(chǎn)化試制技術(shù)體系，作為新產(chǎn)品研制的技術(shù)規(guī)范和驗收重要標準。

為解決將缺乏驗證和成熟度的研制產(chǎn)品直接應(yīng)用于大型天然氣管道輸氣系統(tǒng)帶來的輸氣運行風(fēng)險問題，創(chuàng)新性形成了電驅(qū)機組、燃驅(qū)機組和高壓大口徑全焊接球閥研制應(yīng)用分級試驗體系：即主體單元工廠測試、整機工廠72h聯(lián)機帶負荷試驗以及投產(chǎn)后4000h工業(yè)性應(yīng)用試驗，以全面檢驗評估分系統(tǒng)和成套設(shè)備的安全性、可用性和可靠性。三階段試驗順次支撐、逐項控制、持續(xù)改進，確保了國產(chǎn)化裝置的研制成功、成套完善、整體先進和快速成功推廣。

2．3　所取得的成績

2．3．1 20MW級電驅(qū)壓縮機組

所研制的25MVA變頻裝置，為國際同類產(chǎn)品中容量最大的。國內(nèi)首次研制成功IEGT、IGBT兩種方案的H橋級聯(lián)式大功率變頻系統(tǒng)；開發(fā)了功率單元水冷散熱系統(tǒng)水路快速插拔與自動閉鎖技術(shù)^[8]；首創(chuàng)采用基于擴展卡爾曼濾波算法(EKF)的無刷勵磁同步機無速度傳感器矢量控制技術(shù)；采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的電機效率自動識別優(yōu)化磁通技術(shù)。

研制了20MW級國內(nèi)最大容量防爆同步電機；新型勵磁機實現(xiàn)電機無滑環(huán)變頻啟動及運行，滿足防爆要求；轉(zhuǎn)子、勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足5040r／rain超高速運行要求；特殊結(jié)構(gòu)全阻尼設(shè)計有效削弱氣隙諧波，確保轉(zhuǎn)子表面無過熱點；電機及勵磁機三軸承軸系設(shè)計保證電機在轉(zhuǎn)速3120～5040r／min之間平穩(wěn)運行，軸振參數(shù)值優(yōu)于API標準。

研制了PCL800系列管線離心壓縮機，工作點效率達87.5％，流量調(diào)節(jié)范圍介于43％～150％；形成了專用模型級型譜；開發(fā)了高穩(wěn)定性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，壓縮機軸振低于15mm，優(yōu)于API標準。

全新開發(fā)了機組控制系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)、UMD保安系統(tǒng)等，成功研發(fā)了成套完善、系統(tǒng)可用的電驅(qū)壓縮機組。

2．3．2 30MW級燃驅(qū)壓縮機組

1)產(chǎn)品一：研發(fā)突破了燃驅(qū)機組機帶燃料氣系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，針對一臺引進的具有低排放特性的燃機，自主研制成功與其相匹配的機帶燃料氣系統(tǒng)，并能通過“假啟動”聯(lián)調(diào)方式對燃料氣系統(tǒng)進行功能驗證，開發(fā)機組控制系統(tǒng)和輔助配套系統(tǒng)。

2)產(chǎn)品二：研制了國產(chǎn)30MW級燃氣輪機，解決了高速燃氣輪機設(shè)計、制造、測試等核心技術(shù)，目前已經(jīng)通過工廠第一階段測試，為燃驅(qū)機組全國產(chǎn)化打下了堅實的基礎(chǔ)。

2．3．3  高壓大口徑全焊接球閥

創(chuàng)新了基于管線球閥實際載荷分析計算的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)^[9]、防擦傷閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)^[10-11]、滿足閥門主焊縫要求的低殘余應(yīng)力、低溫特殊自動焊焊接技術(shù)，將斷裂力學(xué)理論首次成功應(yīng)用于閥體主焊縫不進行熱處理的安全性評估，研制了適應(yīng)于地面和埋地安裝的3種規(guī)格2種驅(qū)動形式的5種高壓大口徑全焊接球閥新產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)指標均達到國際同類產(chǎn)品的水平。

2．4　運行狀況

目前國產(chǎn)高壓大口徑全焊接球閥已經(jīng)全面替代進口產(chǎn)品，國產(chǎn)20MW級電驅(qū)壓縮機組也在西氣東輸二線東段投產(chǎn)應(yīng)用5臺套，機組累計運行時間超過18000h，運行狀態(tài)良好，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，各項技術(shù)指標均達到技術(shù)條件的要求。

3　與進口產(chǎn)品和服務(wù)對比分析

天然氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化研制的定位和起點都比較高，產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)和性能的確定上都充分考慮了后續(xù)產(chǎn)品能夠與國外廠商同臺競標。因此，在設(shè)備技術(shù)參數(shù)、技術(shù)服務(wù)便捷性和備品備件保障方面都具有較大的優(yōu)勢。

對比管道同類壓縮機組各項參數(shù)，變頻裝置具有功率單元旁路功能，保障系統(tǒng)可靠性，多電平電壓源型結(jié)構(gòu)，不需安裝諧波濾波器，對電纜無特殊要求；電機功率因數(shù)在0.96以上，優(yōu)于同類產(chǎn)品；壓縮機在效率、流量調(diào)節(jié)范圍和軸振參數(shù)方面，均優(yōu)于同類產(chǎn)品；國產(chǎn)球閥在焊接技術(shù)、試驗檢測技術(shù)等方面優(yōu)于同類產(chǎn)品。綜合機組和閥門的設(shè)計、試驗以及運行情況看，“總體性能達到國際先進，部分指標國際領(lǐng)先”。

在技術(shù)服務(wù)便捷性上，國產(chǎn)化后，相同的語言、文化背景使得用戶和廠商溝通交流更加順暢，對于快速提高用戶設(shè)備運行維護水平、廠商協(xié)助解決設(shè)備保障都具有重要作用。

在備品備件供應(yīng)保障上，一方面，省去了繁瑣的國際采購程序和部分進口設(shè)備國內(nèi)采購代理環(huán)節(jié)，可以有效減少資金占用和采購成本；另一方面，以國產(chǎn)設(shè)備供貨商為依托，減少備品備件的庫存量，可以提高天然氣管道的運營效益。

與此同時，也要注意到，國內(nèi)廠商在與國外廠商競爭中也存在一定的差距，主要表現(xiàn)在設(shè)備技術(shù)資料標準化、用戶培訓(xùn)系統(tǒng)化和售后服務(wù)規(guī)范化等方面。設(shè)備技術(shù)資料不完整、不齊全，廠商對設(shè)備運行操作和維護保養(yǎng)的經(jīng)驗和要求還未完全實現(xiàn)文字化、標準化，存在不同的工程師有不同建議和解釋的現(xiàn)象，給用戶帶來一定的困擾。多數(shù)廠商還未建立系統(tǒng)的用戶培訓(xùn)體系，沒有統(tǒng)一的培訓(xùn)師資隊伍和教材，造成培訓(xùn)內(nèi)容缺乏專業(yè)性、培訓(xùn)質(zhì)量參差不齊。多數(shù)廠商還未形成完善的售后服務(wù)管理機制和團隊，在建立規(guī)范的故障診斷排除、設(shè)備升級服務(wù)、新技術(shù)推介等全方位用戶服務(wù)保障方面還有提升空間。

4　天然氣管道裝備國產(chǎn)化展望

電驅(qū)壓縮機組、燃驅(qū)壓縮機組和高壓大口徑全焊接球閥國產(chǎn)化是繼天然氣管道X70、X80鋼管國產(chǎn)化后的又一巨大成就，既關(guān)乎國家能源安全、民族工業(yè)進步，又關(guān)乎企業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展、居民用氣成本。

在西氣東輸二線及支干線應(yīng)用7臺套20MW級電驅(qū)壓縮機組^[12]、2臺套30MW級燃驅(qū)壓縮機和30臺套高壓大口徑全焊接球閥的基礎(chǔ)上，已確定在西氣東輸三線西段推廣應(yīng)用12臺套電驅(qū)壓縮機組、3臺套30 MW級燃驅(qū)壓縮機組和50％高壓大口徑全焊接球閥，東段壓縮機組(規(guī)劃設(shè)計40余臺套)和高壓大口徑全焊接球閥全部國產(chǎn)，后續(xù)規(guī)劃建設(shè)的西氣東輸四線、五線以及其他天然氣管道工程也全部國產(chǎn)化。

在推廣應(yīng)用現(xiàn)有國產(chǎn)化科技成果的基礎(chǔ)上，中國石油于2013年又啟動了新一輪天然氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化項目，涉及天然氣調(diào)壓裝置、閥門執(zhí)行機構(gòu)、流量計、軸流閥、旋塞閥等。這些國產(chǎn)化設(shè)備將應(yīng)用于西氣東輸三線、四線、五線等天然氣長輸管道。

與發(fā)達國家相比，我國的天然氣管道建設(shè)還處于起步階段，以“政產(chǎn)學(xué)研用”模式為平臺，不斷深入開展天然氣長輸管道相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化研制和推廣應(yīng)用，必將帶動裝備制造行業(yè)、天然氣行業(yè)的良性發(fā)展，在推動企業(yè)自主創(chuàng)新、提升核心競爭力、促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等方面都具有重要作用和重大意義。

 

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本文作者：黃澤俊  高順華  王世君

作者單位：中國石油北京油氣調(diào)控中心

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