煤制天然气项目设备国产化的探讨

第４３卷第３期２０１５年６月

煤化工

CoalChemicalIndustry

Vol.43No.3Ｊｕｎ．2015

煤制天然气项目设备国产化的探讨

张明１，姜成旭２，范振方２

（1.大唐能源化工有限责任公司，北京100031；

辽宁2.辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，

摘

要

阜新123000）

简述了我国煤化工项目设备国产化的概况，介绍了阜新煤制天然气项目设备国产化的现状，重点

介绍了该项目中甲烷化装置废锅系统、长输管线大型全焊接球阀、大型压缩机组、天然气干燥装置的国产化应用情况，可为国内煤化工项目的设备国产化提供参考。

关键词

煤制天然气，设备，国产化，废热锅炉，全焊接球阀，压缩机，天然气干燥装置

中图分类号：ＴＱ０５

文献标识码：Ａ

１００５－９５９８（２０１５）－０３－００５６－０３文章编号：

煤化工项目关键设备的国产化是降低工程投资、节约外汇、缩短工程建设周期、提供长期便捷售后服务、提高产业竞争能力的重要措施，也是我国煤化工健康发展的重要保障。

“十一五”时期，我国煤化工产业重要装备中，气化炉、变换炉、低温甲醇洗塔器、缠绕式换热器、大型空分设备、离心或往复式压缩机、煤制油反应器、烯烃反应器等装备，以及配套的锁斗阀、煤浆阀、渣水阀等特殊阀门先后实现了国产化［１］，且煤化工成套设备国产化率已达到了９０％。

《装备制造业调整和振兴规划》中要求，“十二五”时期，石化装备制造业要以重点工程建设为依托，以大型煤化工项目等成套设备为重点，推进重大石化装备国产化与自主化。

甲烷化技术等，建设大型煤制天然气生产装置，并同步建设至沈阳、阜新、铁岭等辽中城市群３４４ｋｍ的天然气输送管道，最终目的是实现清洁能源的生产。

动设备是煤化工装置中的重要转动设备，特别是压缩机等大型机组，是煤化工装置中生产化工产品的关键设备，是运送原料或产品的动力设备；静设备是煤化工装置生产过程中的专用静止设备，它是加热、反应、分离、分馏及储运过程中不可缺少的部分［２］。阜动新煤制天然气项目一期工程共有静设备１７４６台，设备１７３０台，共计３４７６台（套），其中，进口设备２５台，国产化率达９９．２８％，做到了目前国内煤制天然气项目设备国产化率最高。特别是大型压缩机组共计１３台（套），全部实现国产化。1.1

甲烷化装置废锅系统的国产化

甲烷化装置是煤制天然气装置中的核心单元，废

1阜新煤制天然气项目设备的国产化情况

辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目是大唐国际

热锅炉、汽包、热力管线以及蒸汽过热器构成的水汽系统是甲烷化装置中热量平衡及余热回收的关键系统。其中采用挠性管板废锅的设计是技术瓶颈，设备材料的选择、制造是国产化的难点。

阜新煤制天然气项目甲烷化系统中，废热锅炉的管板及肘节采用ＡＮＳＹＳ软件进行应力场分析，并应用相应的标准进行强度评定，作为优化结构设计的依据［３］；同时，采用ＡＮＳＹＳ软件进行温度场的数值模拟计算，作为受压元件选材及确定高温局部热防护结构设计

发电股份有限公司的重点工程，设计煤制天然气生产能力４０亿ｍ３／ａ，该项目是我国第（日产１２００万ｍ３）三个经国家发改委核准的煤制天然气项目，以大唐集团蒙东地区丰富的褐煤资源为依托，集煤、电、化一体化的建设模式，主工艺路线采用国内成熟的大型空分技术、国产碎煤加压气化技术、低温甲醇洗净化技术、

收稿日期：２０１５－０３－２１作者简介：张

明（１９６１—），男，山东乳山，高级工程师，硕士，１９８２年本科毕业于山东大学热能动力专业，现从事生产管

理工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｚｆ２００６＠１２６．ｃｏｍ。

２０１５年６月的依据。

张明等：煤制天然气项目设备国产化的探讨－５７－

足使用要求。此次３０台阀门的试制价格比进口阀门便宜三分之一。

上述企业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、防擦伤阀座密封结构设计技术、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［４］，将断裂力学理论首次成功应用于阀体主焊缝ＣＴＯＤ焊缝免热处理的安全性评估，研制了适应于长输天然气管道埋地安装的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。说明国内球阀设计制造企业已成熟掌握全焊接球阀密封、免热处理焊接等制造技术，并拥有配套的试验、检验设备。目前，阜新煤制天然气项目中的长输管线大口径高压全焊接球阀已完全实现国产化。1.3

大型压缩机组的国产化

煤制天然气项目关键压缩机组主要有：大型空分装置的空气压缩机和增压机、净化装置的氨制冷压缩机、甲烷化装置的循环气压缩机、天然气输送中的天然气压缩机等。工艺要求这些压缩机组不设置备用，且压缩机组在安全、满负荷工况下，运行稳定、可靠，这对机组密封装置的可靠性及严密性等均有苛刻的要求。其中压缩机基本级开发的设计、分析，转子扭振分析计算，结构优化设计及密封设计等是技术要点。

阜新煤制天然气项目中的１３套大型压缩机组均由沈阳鼓风机集团公司（以下简称沈鼓）提供。沈鼓开发的三元叶轮设计和流场分析程序，可代替引进程序，新程序不仅可用于亚音速流场，还可用于跨音速流场设计及分析计算，计算精度高、使用简便，大大提高了叶轮设计水平。同时借助ＮＵＭＥＣＡ、ＣＡＥＣＣ６等气体动力学设计软件，先后开发了６个系列近千个基本级，效率平均提高３％~５％，不仅可以覆盖和代替引进的３个系列基本级，而且扩充了使用范围，有效降低了压缩机整体功耗，同时自主开发了大型空分用大流量系列模型级、大型乙烯用高马赫数用基本级等。

在阜新煤制天然气项目的离心式压缩机设计中，ＡＮＳＹＳ分析软件得到全面应用，其中沈鼓开发的转子－轴承－密封系统非线性动力特性分析软件的应用，使其解决转子非线性状态下故障的能力达到国际先进水平。同时，通过与ＲＢＳＰ、ＮＲＢＳＰ和ＲＢＲＤ等软件的配合应用，有效地完成了转子系统运行性能的设计控制；完成了压缩机转子扭振分析软件开发应用，实现平行多轴转子扭振分析计算，缩短了压缩机设计周期；完善了压缩机远程故障诊断系统，实现了大型压缩机现场运行情况的在线监测［５］；解决了在压缩机大型化、高速化发展中所带来的气体激振、流固体耦合

随着国内钢材加工水平的提高，压力容器用钢中硫、磷含量的不断降低，有效提高了压力容器的安全性。国内一些标准对硫、磷含量的规定严于国外有关标准。阜新煤制天然气项目甲烷化废锅所用材质的金属部分主要指压力容器用钢，其主要指标高于美国ＡＳＭＥ要求，综合性能高于国外同等材料的性能，设备所用材质有充分可靠的保证。针对甲烷化废热锅炉特有的金属粉末化现象，保护套管选用高铬镍材料，其他受压元件选用普通的中温抗氢钢或碳钢。高温衬里国内外原来多采用高温耐火砖砌制而成，由于材料和砌制水平不同，破碎现象时有发生；阜新煤制天然气项目采用一次浇注的方式，取得了较好的效果，废热锅炉和蒸汽过热器的衬里浇注料采用两层，与高温工艺气接触部分采用重质耐火浇注料，与金属壁接触部分采用轻质浇注料，保证管箱金属壁温在１４０℃~１６０℃。

废热锅炉、汽包、热力管线以及蒸汽过热器构成的高、中、低三种压力等级的水汽系统，在阜新煤制天然气项目的工艺装置中应用，自动化水平高，综合性能稳定、可靠。该套水汽系统设备的国产化表明甲烷化装置设备全部实现国内设计、制造。1.2

长输管线大型全焊接球阀的国产化

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，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、大口径阀门等设备国产化的要求。

高压大口径全焊接球阀是天然气长输管道关键设备之一，此前，我国天然气长输管道建设中，通径ＮＰＳ４０以上的高压全焊接球阀依赖进口，不仅产品价格昂贵，而且售后服务困难。其中阀座密封结构设计、全焊接球阀的阀体主焊缝焊后免热处理焊接工艺是国外设计制造的技术要点。

阜新煤制天然气项目长输管线干线管道阀门以口径为ＮＰＳ４０／ＮＰＳ４８，压力等级为Ｃｌａｓｓ６００为主。为确保长输管线安全可靠运行，要求阀门具有更高的可靠性、密封性、机械强度，使用寿命连续运行３０年以上，且相关性能长期满足工况要求。为此国内某三家阀门制造商试制了３０台大口径高压全焊接球阀，并于２０１０年５月２７日在北京由国家能源局、中国机械工业联合会、中国石油天然气集团公司联合组织召开了长输管道大口径高压全焊接球阀工业性试验鉴定会，首批试制的３０台阀门顺利完成各项鉴定，说明国内生产的全焊接大口径球阀在天然气长输管线上使用，完全可以替代进口球阀，其各项技术指标均能满

－５８－煤化工２０１５年第３期

作用下的叶轮疲劳特性等难题，提高了压缩机强度及转子稳定性等计算准确程度。

针对阜新煤制天然气项目离心式压缩机组的特殊要求，沈鼓通过对压缩机进气室、扩压器、回流器和排气蜗壳等通流部件内部流场的分析，进行了优化结构设计，减小了压缩机通流部件内部的流动损失，提高了机组效率；离心式压缩机排气蜗壳的优化设计，使整机效率提高了２％；大加（抽）气结构设计，提高了离心式压缩机组的效率；压缩机油站的系列化，使压缩机油站设计周期缩短了３０％，材料成本降低２０％。

另外，阜新煤制天然气项目中循环压缩机、氨制冷压缩机、天然气压缩机均采用国内厂家的干气密封。干气密封满足在全压下启动、停车；工艺气泄漏极低；能承受速度和压力的快速变化［６］。由于干气密封是非接触式运行，使用寿命高；集装式设计易于安装，保护关键密封组件。使用干气密封省去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负载，大大减少了计划外维修费用和生产停车及油品的贮藏。避免了工艺气体被油污染的可能性，也避免了润滑油被污染的可能性，使密封气体泄漏量小，对工况变化适应能力强。同时干气密封具有维护费用低，经济实用性好，密封驱动功率小，密封寿命长，运行稳定可靠等优点，可保证压缩机安全稳定的运行。1.4