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蒸发气压缩机在液化天然气接收站的应用选型分析

2023-11-08 129 上传者：管理员

摘要：介绍了蒸发气（BOG）处理工艺，通过分析往复式和离心式BOG压缩机的结构形式、流量调节和性能曲线等方面，从技术、现场安装及经济性等角度介绍了液化天然气（LNG）接收站BOG压缩机的选型原则。分析表明，往复式BOG压缩机负荷调节灵活、处理量小，其中的立式迷宫密封式往复压缩机性能可靠、维护成本低，在LNG接收站供气量小的早期阶段应用较广泛。随着LNG接收站整体接收能力的增强，BOG处理量增大，整体齿轮离心式BOG压缩机在大流量、运行可靠性和维护成本等方面凸显优势。为优化资源配置、满足多变的外输工况，举例说明可将离心式压缩机和原有往复式压缩机并联使用，以充分发挥二者的调节优势。

关键词：
压缩机
往复式
液化天然气接收站
离心式
蒸发气
选型
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液化天然气（LNG）具有安全环保、危害可控及热值较高的特点，同时可以作为管道天然气的有益补充。近年来LNG行业发展迅速，我国加强了LNG接收站产业布局，以提高储气调峰能力，增强能源保供[1]。LNG在储存、运输过程中，不可避免会和外界产生热交换。外界能量（如环境温度、大气压等）引入以及设备在进出料过程中压力变化时的闪蒸等因素，会导致LNG气化产生大量的蒸发气（BOG)[2]。BOG压缩机是LNG接收站中的关键设备，能够有效处理BOG并对其增压，其作用是经济有效地回收各种工况与外界环境影响时产生的过量BOG，维持LNG储罐和接收站系统的压力平衡[3]。BOG具有低温、低压和气量波动的特点，对处理BOG的设备材料和结构有严格要求，处理设备应具有良好的可靠性、稳定性和可调节性[4,5]。目前，在国内外建成的大型LNG接收站中，处理BOG的设备主要包括往复式BOG压缩机和离心式BOG压缩机[6]。

1、BOG处理工艺

BOG处理主要采用直接输出和再冷凝2种工艺。直接输出工艺一般利用BOG低压压缩机和高压压缩机组合将BOG加压至外输压力后直接输送至管网，该工艺适用于LNG接收站运行初期[7]。再冷凝工艺是将BOG经BOG低压压缩机加压后进入再冷凝器与过冷的LNG进行冷量交换，BOG全部被液化后经高压泵加压、气化器气化后外输。再冷凝工艺整体功耗较低，但需要足够的气态外输量作为保障[8]。目前国内LNG接收站有2种BOG处理工艺兼顾的案例，以满足多变的外输工况。

2、BOG压缩机简介

2.1 往复式BOG压缩机

往复式BOG压缩机通过活塞做功，使一定容积的气体有序地吸入和排出气缸，以提高其压力。往复式BOG压缩机适应压力范围广，机组一次性投资成本低，但机组结构复杂、易损件多。而且往复式BOG压缩机流量控制不连续，功率损失较大。当前道供气工艺、后续流程等需求出现波动时，需要调节压缩机的流量。一般减小BOG气量的调节方式主要有进气阀卸荷调节、余隙容积调节和旁通调节等[9]。相比这些传统的流量调节方式，在压缩机气阀上增加气量无级调节系统能够实现10%～100%流量连续调节，不过该系统投资昂贵，尚未普及应用[10]。LNG接收站常用低温无油往复式压缩机（图1），根据结构和密封形式不同，分为卧式对置平衡式压缩机（以下简称卧式机）和立式迷宫密封式压缩机（以下简称立式机）2种。立式机在工艺流程、现场安装条件等方面具有优势，在20世纪80年代开始应用在LNG低温领域[11]。卧式机和立式机的主要区别在于活塞运动形式和密封形式的不同，其特点见表1。

图1 低温无油往复式BOG压缩机实物

表1 低温无油往复式BOG压缩机特点

2.2 离心式BOG压缩机

离心式BOG压缩机通过高速回转的叶轮对气体做功，使气体获得动能、静压能和内能，并通过扩压器进一步提升气体的静压能。目前LNG接收站中使用的为整体齿轮离心式BOG压缩机，其实物见图2。

图2 整体齿轮离心式BOG压缩机实物

离心式BOG压缩机由增速齿轮组驱动，在齿轮传动系统中，电机通过大齿轮驱动各级叶轮旋转。叶轮安装在小齿轮轴两端的悬臂伸出端，每个叶轮可配置相应的进口、扩压器和蜗壳，构成单级[12]。整体齿轮离心式BOG压缩机具有压缩级数少、操作弹性大及能耗低的优点，但是机组一次性投资成本较高。

离心式BOG压缩机排出气量连续，为了确保其在经济、平稳可靠的范围内运行，可进行气量调节，具体方式有进出口节流、变转速调节和可调进/出口导叶调节等[13]。

离心式压缩机性能曲线代表着压缩机的运行工作状态，是指导压缩机日常操作的依据之一。根据离心式压缩机工作原理可知，离心式压缩机需在稳定工作区域———喘振边界线和堵塞边界线中间的区域工作[14]。不同入口导叶开度时韩国某离心式压缩机的排气压力-气量曲线见图3（其它离心式压缩机性能曲线变化趋势与此类似）。由图3曲线看出，当考虑上述流量调节方式作用时，进口导叶开度越大，曲线变化越急剧，气量变化范围越小[15]。离心式压缩机在多级串联工作时，稳定工况范围比单级的更窄[16]。这说明离心式BOG压缩机在实际运行时流量不易调节，容易发生喘振和堵塞现象。

图3 不同入口导叶开度时离心式压缩机排气压力-气量特性曲线

3、BOG压缩机选型原则

3.1 离心式和往复式BOG压缩机选型原则

3.1.1 离心式BOG压缩机

进行BOG压缩机选型时，应当结合LNG接收站项目的自身需求及特点，满足工艺适用性、经济性等要求。

从技术上分析，离心式BOG压缩机利用水力部件做功实现气体增压，气体连续压缩、无压力脉动。离心式BOG压缩机的运动部件较少，备品备件消耗少，故障率低，机组连续运转（通常每5 a进行一次大修），具备良好的可靠性和稳定性。离心式BOG压缩机的稳定工况区域比较窄，通过变转速调节、入口/出口导叶等调节方式，流量可达到压缩机负荷的65%～110%。离心式BOG压缩机叶轮尺寸可以制造得很大，在LNG接收站中单台离心式BOG压缩机处理量一般大于10 t/h，但气量调节范围小。

从现场安装与经济性分析，离心式BOG压缩机设计紧凑，占地面积小（安装面积约为往复式BOG压缩机的30%），对基础和厂房配套设施要求低。而且离心式BOG压缩机运输到现场时为整体撬装，无需特殊安装平台，现场安装调试所需时间为1～2个月，节约了成本。虽然离心式BOG机组一次性投资成本较高，但综合考虑，投资成本仍得以节约。

3.1.2 往复式BOG压缩机

从技术上分析，往复式BOG压缩机工作依靠容积变化、活塞做功，排气压力可至高压和超高压。单个设备处理量受限于气缸容量，处理能力一般低于12 t/h。通过入口气阀卸荷调节和余隙容积调节可使压缩机负荷实现0%—25%—50%—75%—100%的流量控制，但会产生气流脉动[17]。压缩机的强烈振动不仅会使运动部件磨损，也会造成管线振动甚至破损泄漏[18]。而且往复式BOG压缩机的活塞密封件需频繁更换，备品、备件消耗较大，机组复杂，维护较难。

从现场安装与经济性分析，往复式BOG压缩机占地面积较大，为分体式安装，需在现场进行管道配置。根据以往经验，安装周期一般为3～4个月。对于进口设备来说，国外厂商服务按天计费，费用高昂。

离心式和往复式BOG压缩机对比见表2。

表2 离心式和往复式BOG压缩机对比

3.1.3 离心式与往复式BOG压缩机并联

在国内LNG接收站已建项目中，BOG压缩机以往复式压缩机为主。2020年之前，我国LNG接收站一般采用的是容量16万m3标准储罐，正常外输运行工况下BOG的产出量在6 t左右，很难达到离心式压缩机稳定工况下对应的工作流量（大于10 t/h）。而往复式压缩机处理量一般小于10 t/h，其处理能力和负荷调整灵活性可以满足LNG接收站项目初期需求。虽然离心式压缩机流量大、运行稳，而且在安装成本、占地面积和维护上优势明显，但其价格高、流量调节能力较弱，在一定程度上限制了整体齿轮离心式BOG压缩机在LNG接收站的应用。

随着我国LNG核心技术迭代优化，以及LNG接收站储气量达到设计年接收能力10%的政策要求，国内LNG接收站新建和扩建项目中呈现出LNG储罐（储罐容量超过20万m3）超大型、一次性建设数量超过4座（甚至形成10余座储罐群）的特点。目前，中国海油盐城“绿能港”在建的6座27万m3LNG储罐是全球单罐容量最大的LNG储罐。随着LNG接收站整体接收能力的逐渐增强，BOG处理量也逐步增大，这为较大处理能力的离心式BOG压缩机提供了合适的应用场所。

对于新建储罐总容量超过80万m3、BOG正常工况处理量达到10 t左右的LNG接收站来说，在不卸船的工况下，1台离心式BOG压缩机即可满足处理量要求。离心式BOG压缩机在国外接收站有少量应用案例，应用场合大多为液化厂和LNG船。在韩国平泽LNG接收站，BOG的峰值流量为156 000 m3/h（标准状态），选择了离心式与往复式压缩机并联运行。自2011年调试成功以来，已经平稳运行至今。通过发挥往复式压缩机负荷调节灵活的优势，既可满足项目投产前期BOG处理量变化频繁且产量较小的需求，又可在供气量和BOG产量稳定后直接以离心式压缩机处理BOG。离心式压缩机的处理能力大，且运行可靠，可在额定工况下连续运行，而往复式压缩机则作为流量波动调节使用。

3.2 卧式机和立式机选型原则

从技术上分析，卧式机的对置水平结构有利于活塞力的平衡，但是其密封元件（活塞环、支撑环等）容易损环。为了防止过度磨损零件，需要限制活塞的速度，这在一定程度上保证了压缩机机组的平稳性和可靠性。立式机的活塞力传导至基础时振动大，平衡性差[19]。根据迷宫式密封原理可以知道，迷宫内部气体速度越大，密封效果越好[20]。因此，相比于卧式机，立式机线速度、转速和出口温度较高，机组的启停对压缩机的可靠性影响较小。

从经济上分析，立式机采用非接触式密封，气缸内无滑动磨损部件，备件主要有气阀元件和填料环，消耗低，维修费用低，但活塞需要整体更换，且机组投资费用高。卧式机投资费用低，维护周期为立式机的2～3倍，但活塞密封件需要定期频繁更换。总体来说，卧式机在平衡性、维护程度及设备价格方面具有优势，处理能力及效率也优于立式机，但磨损部件更换频繁，后期维护费用高。立式机在可靠性及维护成本方面具有优势，由于非接触密封的型式和特点，备品、备件数量少，适用于低温工况各种气体介质，因此立式机在国内LNG接收站应用率更高。

4、BOG压缩机选型案例分析

以某LNG接收站项目为例，对BOG压缩机选型作进一步分析。

该项目一期阶段总共建造有1座16万m3和2座3万m3的LNG全容储罐，现场安装了2台6 t/h低压往复式压缩机和3台5 t/h高压往复式压缩机，并预留接口，现场均采用立式迷宫密封式BOG压缩机。项目二期新建6座22万m3LNG储罐，届时该LNG接收站最小BOG产生量将超过30 t/h。若是以往复式压缩机为主，单台12 t/h处理量基本达到该型式压缩机的上限，需要通过增加设备数量来增加处理能力。但考虑到项目投资费用、场地空间和备品备件等因素，单纯选用往复式压缩机对于该项目的可靠平稳性、经济性有一定的影响。

结合该项目BOG压缩机的初始配置情况，针对项目二期及远期阶段压缩机的配置方案为，考虑增加1台6 t/h往复式压缩机（安装在项目一期的预留接口）和3台16.5 t/h齿轮离心式压缩机，2种类型的压缩机并联运行。其中，6 t/h往复式压缩机与项目一期的2台6 t/h低压往复式压缩机并联操作，3台16.5 t/h齿轮离心式压缩机并联将作为项目二期运行操作的常开主力机型。离心式压缩机运行稳定，但在国内LNG接收站应用较少，而且要求接收站大型化、全年外输量稳定、BOG流量变化小，项目现场缺乏一定的运行和调试经验，需要进一步提高离心式压缩机机组的国产化水平。

5、结束语

BOG压缩机影响整个LNG接收站的平稳运行，选型时要结合压缩机的安全可靠性和操作灵活性，既要考虑项目初期投资成本，还要综合评估压缩机全生命周期内相应的维修成本、运营成本和远期预留等因素。文中对LNG接收站内常用BOG压缩机的选型与应用情况的分析，可为后续新建或扩建LNG接收站项目中BOG压缩机的选型提供参考。

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