当前位置:首页> 新闻中心> 科研动态
21世纪的输气管道压缩技术

     目前,美国的设备制造商、管道作业者、政府管理机构和研究所,都把注意力集中到如何改进压缩技术上,以适应政府立法和作业者运营的需要。
展望21世纪的压缩技术,将比已往更加有效,更有利于环境。美国能源部(DOE)已经向天然气工业提出了挑战,要求在2010年以前开发出制动热效率为50%、氮氧化物(NOx)排放量为0.14g/kWh以下的大型固定式往复发动机。平均把一台发动机的设定功率定为1 ?3.5MW,即可以38%?42%的效率将燃料转化为有效能源,并使NOx排放量保持在1.5g/kWh的水平上。
为达到这一目标而探索解决方法的研究工作现正在进行。而且,这一目标是处于日益发展的技术所能够达到的范围之内。
 

  1.开发大型固定式新型往复发动机的总体目标

  最近由位于得克萨斯州圣安东尼奥的美国西南研究所(SWRI)领导的完全合作式的调研工作,已经把管道上使用的大型固定式往复式燃气发动机作为调研项目。由美国运输部和天然气工业共同出资研究的这种先进的往复式发动机系统(ARES),其研究的重点集中在如何采用现代技术,才能提供其效率在20%以上、又能把NOx排放量削减90%以上的1 ?3.5MW的发动机这一目标上。ARES发动机将具有65%以上的涡轮增压效率和优于91%的机械效率。此种发动机的性能特征将得到大大改善,其中包括:24bar的功率密度,220bar的最高汽缸压力和15° ?18°的曲柄角燃烧范围。相比之下,目前往复式发动机的功率密度为12 ?14bar,最高汽缸压力100bar, 25° ?30°的曲柄角燃烧范围。具有高技术的ARES发动机,将有可能通过排放物的后处理和涡轮混合这两个过程,从废气中再衍生出附加的能量。
这种发动机的制造商正在规划一个多项开发计划,以适应总体目标的要求。今后3 ?4年内,制造商将利用后处理技术来达到使NOx最终排放量为0.14g/kWh并使中间效率为45%~46%的最终目标。之后,随着技术状况的提高,对发动机进行附加的改进,将会在2010年的时限内使发动机的制动热效率达到50%的目标。

  2.发动机小型点火系统的研发

  DOE现正提供研究基金,计划在科罗拉多州大学(CSU)发动机和能量转换实验室(EECL)建立一个研究项目,以便开发出富有创新精神的发动机柴油点火技术,并在今后三五年内付诸实施。以不到1%的少量柴油作为点火的引燃燃料,而以天然气作为主要发动机燃料的这种“双燃料燃气发动机”一旦研制成功,即可使燃料消耗量削减5%,并降低NOx排放量和环境治理费用。据管道研究协会国际(PCRI)估计,采用这种发动机新型点火系统后,一台发动机每年可节省燃料费1.5万美元,使NOx排放量控制资金节约15美元/hp,使1台发动机点火系统的维护费用大约每年可降低1万美元。

  3.激光点火系统的研究

  DOE还开展了另外两项研究:一个是激光点火(LI)的研究项目;另一个是点火系统的改进和“寄生损失衰减”(LI)的研究。
激光点火研究的重点放在点火系统的改进上,它将利用固态的激光点火源,使之在一系列的仿真实验中得出基本的燃烧数据。该项研究的结果将是能在大功率商用发动机上激光点火。这种实验数据将有助于对点火过程的根本认识,从而支持计算机模拟的,并最终证明把激光点火作为一种有效的长寿命点火技术的潜力。

  4.涡轮增压式往复发动机的计算机模拟软件

  发动机系统的设计也将采取另一种高技术手段,即采用堪萨斯大学(KSU)国家燃气机械实验室(NGML)开发的“涡轮增压式往复发动机计算机模拟”(FRECS)软件。随着这种软件的开发成功,工程师和作业者即可选择发动机的组件,甚至在购买第一块组件之前先行开展设计和试验。预计经过两年的工作之后,FRECS软件将成为用户必备的、以程序可编控制器(PC)为基础的常用软件。

  5.在线压缩

  DOE已着手一些新型发动机的开发,其中包括在下一轮管道基础设施的改进项目中采用在线电力驱动的涡轮压缩技术。这一计划是根据埃伊帕索(EIPaso)和德莱塞-兰德(Dresser-Rand)及其它公司的建议而制订的。采用这种成本低、维护量低的“在线电动机驱动的压缩机”(IEMDC),就能够提高现有压缩机站的效率。其办法是:保持各压缩机站之间的天然气压力,或者用电动机组替换沿管道每隔10英里布置的现有压缩设备。采用电动机作原动机的好处是:它能按照需要进行变速,因而具有快速而且可靠的冲压、关闭和再启动能力,从而使氮氧化物(NOx)向周围环境的排放量得以消除。
实际上,电动压缩机组是适合于输气管道上使用的。不过,为了向偏远地区提供充分的电力,这种新型电动机组仍需要配以天然气燃料电池。显然,采用电动压缩机组是一个系统的解决方法。随着一些机组需要更换,这种功率的设置就只有在大型压缩机站上进行了。按照传统的站间距一半的距离(即25?40英里而不是50?80英里的间距)并以串联方式布置的两个机组,就能够在以大约70%的厂房建筑和设备安装费用来建设一个压缩机站的情况下,提供同样的启动功率。费用的削减完全是可能的,因IEMDC压缩机并不像传统机组那样必须具有燃料供应系统、润滑油系统、消声器和排放物控制设备,而且管道压缩用的站场管汇仿佛“迷宫”似的布网还可砍掉一半。
大大减少压缩机站上的管汇布置并使相关的压力损耗削减多达30%,就可使一座压缩机站的基建费用降低20万?50万美元,还能有更大的费用节约。根据燃料气的价格为2美元/MMBTU来计算,因降低压力损耗而节约的费用就可使一座压缩机站每年节省多达6万美元。