摘 要：要提高中国天然气管道建设运营效益，实现管道压缩机组和大口径阀门等关键设备的国产化是基础。为此，中国石油天然气股份有限公司联合国内相关企业，建立了国产化技术研发体系和新产品分级试验体系，并成功开发了20MW级电驱压缩机组、30MW级燃驱压缩机组和高压大口径全焊接球阀：①电驱机组研制围绕三大主体单元组织实施，研发的25MVA单元串联多电平结构变频调速装置在国际同类产品中容量最大，研发的4800r／min超高速防爆电机功率达22MW，研发的PCL800型离心压缩机工作点效率高、流量调节范围宽；②燃驱机组研制分两步走，围绕进口GT25000燃气轮机开发辅助配套系统和电控系统，配套国产压缩机形成产品一，同时开展燃气轮机自主研发，替换进口燃气轮机，形成产品二；③围绕焊接和密封两项技术难点开展攻关，开发的40英寸Class600、48英寸Class600和48英寸Class900三种规格两站安装方式的高压大口径全焊接球阀已全面替代进口产品。结论认为，压缩机组和阀门的成功国产化带动了装备制造行业、天然气行业产业链的良性发展，对于推动企业自主创新、提升企业核心竞争力、促进产业转型升级等方面都具有重大意义和作用。
关键词：天然气管道 装备 国产化 变频调速装置 电动机 燃气轮机 压缩机组 球阀 中国石油天然气股份有限公司
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
据统计，全球陆上天然气有99％都依靠管道输送。在我国，天然气管道建设始于20世纪70年代，但发展缓慢；从2000年开始，以西气东输工程一线为标志的天然气管道建设进入大发展时期，累计投产管道里程超过16000km；“十二五”期间，我国天然气管道建设又迎来了一个新的高潮，先后建成或建没了以西气东输二线、西气东输三线、中缅天然气管道为标志的大型骨干天然气管道，预计新投产的管道里程将超过21000km(不含城市管网)，超过了之前年份的总和。这些管道在国内将塔里木、柴达木、长庆、川渝等4大主要气源地联通成网，在周边将西北中亚、东北俄罗斯、东南缅甸以及沿海进口LNG接收站等连接成网，并以地下储气库作为调峰储气支持手段[1]，形成了我国天然气管道新格局(表1)。纵观现代天然气管道技术的特点，输送压力等级高——以10MPa和12MPa为主，应用钢材等级高——X70钢和X80钢被广泛使用[2-3]，输送流量大——干线管道天然气输送量在100×108m3／a以上。如采用上述技术，就要求干线管道每隔150～170km需设置一座由2～4台压缩机组组成的压气站[4-5]，以保持管道高压大流量输送；每隔30km设置一座阀室，以便在紧急时刻和管道维修时截断使用。随着天然气这种清洁能源逐渐在我国工业和民用方面被广泛推广和普及，中国石油天然气股份有限公司(以下简称中国石油)按照国家能源战略规划，还将建设西气东输三线、四线、五线以及多座配套地下储气库，这些重大工程对高速燃气轮机驱动离心压缩机组、高速直联变频调速驱动离心压缩机组、天然气发动机驱动往复式压缩机组、电机驱动往复式压缩机组以及高压大口径全焊接球阀需求量巨大[6]。而目前这些设备的核心技术、产品定价权以及后续技术服务均被少数发达国家所掌握，开展相关设备国产化研制和推广应用，无论是对天然气管道建设运营企业，还是对装备制造企业，都具有显著的紧迫性。
1 天然气管道装备国产化在新形势下的意义
1．1 符合国家关于管道设备国产化的政策要求
近年来，国家为推动装备制造业发展出台了一系列规划纲要和措施性文件，如《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》(2006年)、《关于落实国务院加快振兴装备制造业的若干意见有关进口税收政策的通知》(2007年)等，并且在天然气管道建设项目批复文件中明确提出逐步实现管道钢管、增压机组、大口径阀门等国产化的要求。
1．2 保障国家能源安全
我国已经初步建成东北、西北、西南和沿海能源进口战略通道，天然气管道输送核心设备全部依赖进口，在正常的贸易往来中，我们可以比较容易地获取保障管道平稳运行的技术装备、售后服务、备品备件等；而一旦出现非常情况，压缩机组的故障轻则导致管道输量降低，重则导致管道停输、气田停产，而线路阀室故障甚至会直接造成停输停产。因此，推进天然气管道装备国产化还具有保障国家能源安全的战略意义。
1．3 有效提高天然气管道行业效益
输气管道的运行可靠性和经济性很大程度上取决于其所采用的压缩机组的性能。压气站的投资占输气管道总投资的20％～25％，运行费用占管道总运行费用的40％～50％，而其中压缩机组的投资占压气站总投资的一半以上，压缩机组的能耗占压气站运行费用的70％左右。因此，在输气管道设计中选择技术上先进、经济上合理、服务保障上性价比高的设备和供货商对于降低天然气管道工程建设投资、提高运营效益具有显著的现实意义。
1．4 能够推动装备制造业发展
天然气管道用压缩机组主要以30MW级燃气轮机驱动压缩机组和20MW级变频调速电动机驱动离心压缩机组为主，干线管道阀门以口径为40／48英寸(1英寸＝2.54cm，下同)、压力等级为Class600／900为主。目前在我国，这类机电仪控以及材料等各个专业高度集成的装备大都依赖于进口，开展国产化研发制造，对于推动我国装备制造业发展、建设创新性社会具有重大意义。
2 天然气管道装备国产化的突破口和所取得的成绩
2．1 选择“三大件”作为突破口
早在西气东输一线增输工程上，中国石油就提出国外投标商必须与国内压缩机厂商开展合作，确保至少有一台压缩机由国内制造，最终实现了定远站一台压缩机由沈阳鼓风机集团公司制造的目标。以此为契机，中国石油认真落实国家能源局有关天然气管道装备国产化要求，联合国内装备制造企业，积极推动20MW级变频调速同步电机驱动离心压缩机组、30MW级燃气轮机驱动离心压缩机组和40／48英寸Class600／900全焊接球阀国产化进程。到目前为止，已经实现管道高压大口径全焊接球阀全部替代进口产品(图1、表2)、20Mw级电驱压缩机组投产并平稳运行万余小时(图2、表3)、30 Mw级燃驱压缩机组完成产品试制等待现场应用的良好局面(图3、表4) [7]。
2．2 技术路线与研发思路
通过对国内相关装备制造企业进行广泛调研、技术交流以及现场考察，确立了三大项核心装备国产化研发方案和关键技术指标。
1)20MW级电驱压缩机组：突破国内通行的低转速电机配增速齿轮箱建议，采用高速直联驱动方案，确定电机转速为4800r／min，功率等级为l8～22MW；变频装置为电压源型，多电平单元串联结构，容量为25MVA；压缩机为PCL800系列，开展型谱化研制。
2)30MW级电驱压缩机组：研发工作分为两个阶段，形成两个产品，其中产品一为进口燃气轮机+国产压缩机+国产辅助配套系统；产品二为国产高速燃气轮机+国产压缩机+国产辅助配套系统。
3)高压大口径全焊接球阀：确定开展40英寸Class600、48英寸Class600、48英寸Class900全焊接球阀新产品试制。
为确保国产化研制成功并能广泛推广应用，中国石油西气东输管道公司(以下简称西气东输公司)与参研企业签订研制合同，确立了国产化研发技术体系和测试试验体系。
按照确定的研发目标和关键技术指标，西气东输公司组织制定了《20MW级高速直联变频电驱压缩机组国产化试制技术条件》《30MW级燃气轮机驱动离心压缩机组国产化试制技术条件》和《高压大口径全焊接球阀国产化试制技术条件》，形成了国产化试制技术体系，作为新产品研制的技术规范和验收重要标准。
为解决将缺乏验证和成熟度的研制产品直接应用于大型天然气管道输气系统带来的输气运行风险问题，创新性形成了电驱机组、燃驱机组和高压大口径全焊接球阀研制应用分级试验体系：即主体单元工厂测试、整机工厂72h联机带负荷试验以及投产后4000h工业性应用试验，以全面检验评估分系统和成套设备的安全性、可用性和可靠性。三阶段试验顺次支撑、逐项控制、持续改进，确保了国产化装置的研制成功、成套完善、整体先进和快速成功推广。
2．3 所取得的成绩
2．3．1 20MW级电驱压缩机组
所研制的25MVA变频装置，为国际同类产品中容量最大的。国内首次研制成功IEGT、IGBT两种方案的H桥级联式大功率变频系统；开发了功率单元水冷散热系统水路快速插拔与自动闭锁技术[8]；首创采用基于扩展卡尔曼滤波算法(EKF)的无刷励磁同步机无速度传感器矢量控制技术；采用基于人工神经网络理论的电机效率自动识别优化磁通技术。
研制了20MW级国内最大容量防爆同步电机；新型励磁机实现电机无滑环变频启动及运行，满足防爆要求；转子、励磁机、旋转整流盘结构设计满足5040r／rain超高速运行要求；特殊结构全阻尼设计有效削弱气隙谐波，确保转子表面无过热点；电机及励磁机三轴承轴系设计保证电机在转速3120～5040r／min之间平稳运行，轴振参数值优于API标准。
研制了PCL800系列管线离心压缩机，工作点效率达87.5％，流量调节范围介于43％～150％；形成了专用模型级型谱；开发了高稳定性转子结构，压缩机轴振低于15mm，优于API标准。
全新开发了机组控制系统、干气密封系统、UMD保安系统等，成功研发了成套完善、系统可用的电驱压缩机组。
2．3．2 30MW级燃驱压缩机组
1)产品一：研发突破了燃驱机组机带燃料气系统设计技术，针对一台引进的具有低排放特性的燃机，自主研制成功与其相匹配的机带燃料气系统，并能通过“假启动”联调方式对燃料气系统进行功能验证，开发机组控制系统和辅助配套系统。
2)产品二：研制了国产30MW级燃气轮机，解决了高速燃气轮机设计、制造、测试等核心技术，目前已经通过工厂第一阶段测试，为燃驱机组全国产化打下了坚实的基础。
2．3．3 高压大口径全焊接球阀
创新了基于管线球阀实际载荷分析计算的整体结构设计技术[9]、防擦伤阀座密封结构设计技术[10-11]、满足阀门主焊缝要求的低残余应力、低温特殊自动焊焊接技术，将断裂力学理论首次成功应用于阀体主焊缝不进行热处理的安全性评估，研制了适应于地面和埋地安装的3种规格2种驱动形式的5种高压大口径全焊接球阀新产品，相关技术指标均达到国际同类产品的水平。
2．4 运行状况
目前国产高压大口径全焊接球阀已经全面替代进口产品，国产20MW级电驱压缩机组也在西气东输二线东段投产应用5台套，机组累计运行时间超过18000h，运行状态良好，系统稳定、可靠，各项技术指标均达到技术条件的要求。
3 与进口产品和服务对比分析
天然气管道关键设备国产化研制的定位和起点都比较高，产品技术参数和性能的确定上都充分考虑了后续产品能够与国外厂商同台竞标。因此，在设备技术参数、技术服务便捷性和备品备件保障方面都具有较大的优势。
对比管道同类压缩机组各项参数，变频装置具有功率单元旁路功能，保障系统可靠性，多电平电压源型结构，不需安装谐波滤波器，对电缆无特殊要求；电机功率因数在0.96以上，优于同类产品；压缩机在效率、流量调节范围和轴振参数方面，均优于同类产品；国产球阀在焊接技术、试验检测技术等方面优于同类产品。综合机组和阀门的设计、试验以及运行情况看，“总体性能达到国际先进，部分指标国际领先”。
在技术服务便捷性上，国产化后，相同的语言、文化背景使得用户和厂商沟通交流更加顺畅，对于快速提高用户设备运行维护水平、厂商协助解决设备保障都具有重要作用。
在备品备件供应保障上，一方面，省去了繁琐的国际采购程序和部分进口设备国内采购代理环节，可以有效减少资金占用和采购成本；另一方面，以国产设备供货商为依托，减少备品备件的库存量，可以提高天然气管道的运营效益。
与此同时，也要注意到，国内厂商在与国外厂商竞争中也存在一定的差距，主要表现在设备技术资料标准化、用户培训系统化和售后服务规范化等方面。设备技术资料不完整、不齐全，厂商对设备运行操作和维护保养的经验和要求还未完全实现文字化、标准化，存在不同的工程师有不同建议和解释的现象，给用户带来一定的困扰。多数厂商还未建立系统的用户培训体系，没有统一的培训师资队伍和教材，造成培训内容缺乏专业性、培训质量参差不齐。多数厂商还未形成完善的售后服务管理机制和团队，在建立规范的故障诊断排除、设备升级服务、新技术推介等全方位用户服务保障方面还有提升空间。
4 天然气管道装备国产化展望
电驱压缩机组、燃驱压缩机组和高压大口径全焊接球阀国产化是继天然气管道X70、X80钢管国产化后的又一巨大成就，既关乎国家能源安全、民族工业进步，又关乎企业协调发展、居民用气成本。
在西气东输二线及支干线应用7台套20MW级电驱压缩机组[12]、2台套30MW级燃驱压缩机和30台套高压大口径全焊接球阀的基础上，已确定在西气东输三线西段推广应用12台套电驱压缩机组、3台套30 MW级燃驱压缩机组和50％高压大口径全焊接球阀，东段压缩机组(规划设计40余台套)和高压大口径全焊接球阀全部国产，后续规划建设的西气东输四线、五线以及其他天然气管道工程也全部国产化。
在推广应用现有国产化科技成果的基础上，中国石油于2013年又启动了新一轮天然气管道关键设备国产化项目，涉及天然气调压装置、阀门执行机构、流量计、轴流阀、旋塞阀等。这些国产化设备将应用于西气东输三线、四线、五线等天然气长输管道。
与发达国家相比，我国的天然气管道建设还处于起步阶段，以“政产学研用”模式为平台，不断深入开展天然气长输管道相关设备国产化研制和推广应用，必将带动装备制造行业、天然气行业的良性发展，在推动企业自主创新、提升核心竞争力、促进产业转型升级等方面都具有重要作用和重大意义。
参考文献
[1]范莉，黄泽俊，樊绪平，等．西气东输管道运行调峰技术[J]．天然气工业，2007，27(12)：130-132．
FAN Li，HUANG Zejun，FAN Xuping，et al．Peak shaving technology for west-to-east natural gas transmission pipeline[J]．Natural Gas Industry，2007，27(12)：l30-132．
[2]杨锋平，罗金恒，赵新伟，等．输气管道高强度试压方法及其在X80管道上的实践[J]．石油学报，2013，34(6)：l206-1211．
YANG Fengping，LUO Jinheng，ZHAO Xinwei，et al．A new method for high-strength pressure testing in gas pipelines and its application to the X80 gas pipeline in China[J]．Acta Petrolei Sinica，2013，34(6)：1206-1211．
[3]李鹤林，吉玲，康田伟．西气东输一、二线管道工程的几项重大技术进步[J]．天然气工业，2010，30(4)：1-9．
IA Helin，JI Ling，KANG Tianwei．Significant technical progress in the West-East Gas Pipeline projects-Line One and Line Two[J]．Natural Gas Industry，2010，30(4)：1-9．
[4]徐铁军．天然气管道压缩机组及其在国内的应用与发展[J]．油气储运，2011，30(5)：321-326．
XU Tiejun．Natural gas pipeline compressor and its application and development in China[J]．Oil＆Gas Storage and Transportation，2011，30(5)：321-326．
[5]孙启敬．燃气轮机压缩机组在西气东输管道上的应用[J]．燃气轮机技术，2006，19(1)：30-32．
SUN Qijing．The application of gas turbine compressor set in the pipeline of western gas piping to east[J]．Gas Turbine Technology，2006，19(1)：30-32．
[6]吉桂明，吴穷，王冲，等．燃驱压缩机组／泵组技术和应用的现状及展望[J]．热能动力工程，2011，26(3)：259-264．
JI Guiming，WU Qiong，WANG Chong，et al．Status and prospect of gas turbine compressor set／pump technology and applications[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2011，26(3)：259-264．
[7]王保群，林燕红，焦中良．我国天然气管道现状与发展方向[J]．国际石油经济，2013，2l(8)：76-79．
WANG Baoqun，LIN Yanhong，JIAO Zhongliang．Status and development direction of China’s natural gas pipeline[J]．International Petroleum Economics，2013，21(8)：76-79．
[8]WANG Wenlong，ZHANG Haitao，ZHANG Yu，et al．Research on a 25MVA／10kV high power motor driving system based on IEGT power modules[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems，20-23 August 2011，Beijing，China．Beijing：ICEMS，2011．
[9]朱喜平，郭存杰，付京晶，等．长输天然气管道球阀的结构特点与应用[J]．管道技术与设备，2008(3)：36-37．
ZHU Xiping，GUO Cunjie，FU Jingjing，et al．Structure feature and application of ball valve of long distance gas pipeline[J]．Pipeline Technology and Equipment，2008(3)：36-37．
[10]曾品其，谢贻林，曾友和，等．楔紧式多密封焊接阀颈全焊球阀：中国，ZL2010 2 0676593.0[P]．2011-10-05．
ZENG Pinqi，XIE Yilin，ZENG Youhe，et al．Wedged multi hermetic welded neck for full welded ball valve：Chinese patent ZL2010 2 0676593.0[P]．2011-10-05．
[11]朱喜平．天然气管道球阀的维护及故障排除技术[J]．天然气工业，2005，25(7)：102-104．
ZHU Xiping．Maintenance and troubleshooting of ball valves for gas pipelines[J]．Natural Gas Industry，2005，25(7)：102-104．
[12]蒋万全．“中国心脏”西二线强劲启动[N]．中国石油报．2012-11-07(1)．
JIANG Wanquan．Arterial Line Two of West to East Pipeline starts powerfully[N]．China Petroleum Daily，2012-11-O7(1)．
本文作者：黄泽俊 高顺华 王世君
作者单位：中国石油北京油气调控中心
中国石油西气东输管道公司
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
