低温制冷系统应用案例：海上液化天然气（LNG）再液化装置（五）
十六、航改型燃气轮机。
长期以来，航改型燃气轮机作为海上液化天然气工厂的动力源一直备受关注，相较于传统工业燃气轮机，它展现出诸多显著优势。
首先，在物理特性上，航改型燃气轮机占地面积更小、重量更轻，功率输出却相当可观，大约是工业燃气轮机的一半。这一特点对于海上平台来说尤为重要，因为空间和重量的限制极为严格。
其次，在可靠性和维护方面，航改型燃气轮机展现出高可用性和可靠性。其计划维护时间短，计划外停机时间更是少于0.5%。此外，发动机部件模块化设计，重量轻，可在24小时内完成更换，无需专业技术支持，大大降低了维护成本和停机时间。
再者，从能效和环保角度看，航改型燃气轮机热效率超过40%，远超工业燃气轮机的30%。这意味着在相同功率输出下，航改型燃气轮机能够节省更多燃料，减少碳排放，符合当前绿色、低碳的发展趋势。
然而，尽管航改型燃气轮机具有诸多优势，但在实际应用中，尤其是陆上液化天然气工厂中，其使用并不普遍。这主要是因为大型过程压缩机驱动器对启动和运行可靠性的要求极高，而航空衍生燃气轮机在这方面尚未得到充分验证。
在液化系统的驱动方式选择上，电机驱动或燃气轮机驱动（如图5所示）各有优劣。电机驱动虽然灵活，但40兆瓦至45兆瓦的电动机超出了液化天然气企业和大多数供应商的经验范围，因此存在一定的技术风险。而直接驱动虽然可以提高效率，但燃气轮机的行程将需要关闭长列车，对工厂的可用性产生一定影响。
因此，在选择使用航改型燃气轮机作为直接压缩机驱动时，需要对整个工厂的可用性进行详细评估。尽管电气系统相对复杂，但航改型燃气轮机的高可靠性意味着电机驱动的理由并不像早期研究预期的那样高。未来随着技术的不断进步和经验的积累，航改型燃气轮机在海上液化天然气工厂中的应用前景将更加广阔。
图5 燃气轮机发电机
Fig.5 Power generation package.
十七、发电。
发电环节对于液化天然气生产至关重要，然而这也要求投入大量设备和空间，特别是在需要变频驱动器来精准调控产能时。从设备尺寸、重量、结构钢需求以及相关资本成本等多个维度考量，航空衍生燃气轮机作为直接压缩机驱动器相较于大型发电设备和电机驱动器展现出显著优势。
值得注意的是，电动机驱动方案在能量转换过程中存在损耗，高达8%的轴功率会在发电机、变压器、谐波滤波器和电机等环节流失，这导致总体燃料气体消耗相对较高。而航空衍生燃气轮机则能够避免这些损耗，从而提高能效。
近年来，随着环保意识的提升和能源效率要求的提高，陆上液化天然气工厂的许可人、工程公司和运营商开始重新评估航空衍生燃气轮机的应用。这些燃气轮机不仅热效率高、排放低，而且在发电领域的应用也日益广泛。在最新的评估中，人们还考虑了如何有效地启动和控制工厂。
此外，离心式压缩机作为液化天然气生产中的关键设备，其功率需求大约在40兆瓦左右。当前，许多电机供应商已经能够提供基于同步电机的设计方案或接近开发完成的产品，这些电机具有较宽的速度范围和高效率。电动机驱动的压缩机在反应速度上可能更胜一筹，从而提供更为精准的过程控制。然而，如果液化天然气工厂在相对稳定的进气流量下运行，这种优势可能并不明显。
十八、涡轮膨胀机。
氮气涡轮膨胀机在特定工艺条件、压力比和容量要求下的应用已是业内常规做法。由于这类膨胀机的尺寸通常处于制造商产品范围的高端，因此能够实现非常高的效率。具体来说，膨胀机的等熵效率接近90%，而压缩机（制动端）的多熵效率也接近85%，这充分展示了其在能量转换过程中的高效性能。
值得一提的是，在20世纪90年代初，主动磁轴承技术被引入到径向流入涡轮膨胀器中（如图6所示），如今已成为一种常规技术。相较于传统的油润滑机器，磁轴承技术显著减少了设备的占地面积和重量，简化了操作过程，并确保了氮气不会被润滑油污染，从而提高了整个系统的纯净度和可靠性。
图6 带有AMB的涡轮膨胀机
Fig.6 Turbo-expander with AMB
为了确保膨胀机和压缩机在各种原料气条件下都能保持高效率，我们进行了深入的过程模拟、评估和敏感性研究。通过这些研究，我们成功确定了如何优化氮循环压力，以在各种工作场景下实现设备性能的最大化。这一努力不仅提升了系统的整体效率，也为液化天然气生产的稳定运行提供了有力保障。
十九、机械制冷。
机械制冷在液化天然气生产中有其独特优势。例如，采用双氮膨胀器循环的一个显著好处就是无需额外的制冷系统或制冷剂储存，这大大简化了生产流程。然而，通过冷却进口空气至燃气轮机，我们可以实现发电量高达30%的提升。鉴于液化天然气的生产能力在很大程度上依赖于可用的电力，如果液化设备规模得当，这种电力的增加将直接导致液化天然气产量的相应增长。
当然，我们也需要权衡制冷系统、制冷剂储存系统和进口空气冷却器所带来的额外成本、重量和占地面积与额外LNG生产能力之间的关系。但值得注意的是，冷却系统不仅可用于进口空气，还可应用于原料气和冷却水，以有效降低循环压缩机冷却器下游高压氮气的温度。这种原料气的冷却不仅能提升工艺效率，还能显著减轻分子筛的脱水负荷，从而提高整体生产效能。
此外，利用冷却水对工厂进行冷却也能使液化天然气产量获得几个百分点的提升。在选择制冷剂时，我们必须确保其不可燃（例如，不选用丙烷），并且具有较低的臭氧消耗和温室效应潜力，以符合环保和安全标准。综上所述，通过合理利用机械制冷技术，我们可以在确保生产安全、环保的同时，实现液化天然气产量的有效提升。
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