提高BOG壓縮機運行可靠性的方法

陳功劍，杜文峰，趙順喜，段秋曉，史 濤

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建莆田351100)

提高BOG壓縮機運行可靠性的方法

陳功劍，杜文峰，趙順喜，段秋曉，史 濤

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司，福建莆田351100)

BOG壓縮機是LNG接收站的關(guān)鍵設(shè)備之一，提高BOG壓縮機的運行可靠度對保障LNG接收站外輸具有重要意義。以接收站進口的立式和臥式壓縮機為分析對象，從壓縮機的設(shè)備結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合接收站的工藝流程，對BOG壓縮機的氣缸部分、輔助部分、運動部分、機體部分和驅(qū)動機構(gòu)及控制系統(tǒng)進行故障分析，采用參數(shù)法、振聲法、油液法等措施來防止BOG壓縮機出現(xiàn)故障，使BOG壓縮機能夠安全平穩(wěn)運行。

BOG壓縮機;設(shè)備可靠性;液化天然氣

LN G 接收站卸船和非卸船期間都將產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣(BOG)。BOG處理系統(tǒng)中無論再冷凝工藝還是直接冷凝工藝，BOG壓縮機均是關(guān)鍵設(shè)備［1－2］。BOG壓縮機入口BOG溫度一般在－100℃以下。國內(nèi)LNG接收站使用的均是國外進口的壓縮機，且目前尚無BOG壓縮機故障分析方面的統(tǒng)計技術(shù)資料，BOG壓縮機運行可靠性方面的資料也不是很完善。為了提高BOG壓縮機運行的可靠性，借鑒氣體壓縮機成熟的經(jīng)驗［3－4］，結(jié)合BOG壓縮機自身的獨特性能，即從易燃易爆氣體壓縮機共性出發(fā)又結(jié)合低溫壓縮機自身特性，分析BOG壓縮機結(jié)構(gòu)特性、壓縮機可能出現(xiàn)的故障及故障解決方式，并找出避免故障出現(xiàn)的可靠性措施。

1 BOG壓縮機基本構(gòu)成及特性分析

圖1是進口立式和臥式BOG壓縮機氣缸、運動部分及機體部分的結(jié)構(gòu)圖。BOG壓縮機系統(tǒng)由以下四大部分構(gòu)成:

1)氣缸部分 包括汽缸、活塞、活塞桿、氣閥等，它們共同組成了BOG壓縮機氣體的可變工作容積。

2)運動部分及機體部分 包括曲軸、連桿、十字頭、機身、機體等，組成了能量的傳遞機構(gòu)，通過安裝在機體內(nèi)的曲軸連桿機構(gòu)，把驅(qū)動機構(gòu)的圓周運動轉(zhuǎn)化成活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)式運動。同時，機體還為安裝氣缸和其它零部件提供支座。

3)輔助部分 包括潤滑系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、緩沖罐、冷卻系統(tǒng)等，它是保證BOG壓縮機安全、經(jīng)濟、可靠運行所必需的輔助設(shè)備和系統(tǒng)。

4)驅(qū)動機構(gòu)及控制系統(tǒng) 它是用來驅(qū)動并控制壓縮機運行的動力設(shè)備，驅(qū)動機構(gòu)由交直流電機、內(nèi)燃機、蒸汽機、渦輪機等及相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成。

2 故障分析

以上述BOG壓縮機的四大部分為分析對象，逐一討論導(dǎo)致BOG壓縮機停機的原因。

2.1 氣缸部分

在日常壓縮機運行中，氣缸部分導(dǎo)致壓縮機停機的機率非常高，某些天然氣站場由于氣閥引起壓縮機停車的比例甚至高達50%左右，加強對氣缸部分的故障分析是維護BOG壓縮機安全正常運行的關(guān)鍵之一。

2.1.1 氣閥

往復(fù)式壓縮機運行的可靠性與經(jīng)濟性很大程度上取決于氣閥的好壞，這是由于氣閥工作的好壞直接影響著壓縮機的各種重要性能指標，如排氣量、耗電量、運轉(zhuǎn)率等。質(zhì)量差的氣閥的能量損失可以占到壓縮機軸功率的20%左右。同時，氣閥是一種易損件，其使用壽命很短，直接影響到了BOG壓縮機的運轉(zhuǎn)率。氣閥壽命主要受兩個參數(shù)的影響，即閥隙馬赫數(shù)Ma(即閥隙氣體平均流速與當?shù)匾羲僦?和氣閥升程。

閥隙馬赫數(shù)可由下式進行計算，一般不宜超過0.2［5］。

式中:R—氣體常數(shù)，kg·m/(kg·K);V—氣體通過閥隙的平均流速，m/s;a—音速，m/s;k—氣體等熵指數(shù);T—當前溫度，K。

氣體通過氣閥的相對壓力損失δ與閥隙馬赫數(shù)Ma有如下關(guān)系:

式中:λ—曲拐半徑與連桿半徑長度之比;θ—曲柄轉(zhuǎn)角，(°)。

由公式(1)和(2)分析可知，λ、θ、R均可視為定值，只要保證壓縮機入口氣體流速在合理范圍內(nèi)，那么，壓縮機的馬赫數(shù)穩(wěn)定，氣體通過氣閥的相對壓力損失值就能穩(wěn)定，從而有效地維護氣閥使用壽命。

升程是氣閥設(shè)計與選用的另一個關(guān)鍵參數(shù)。增加升程，可以減小馬赫數(shù)、降低能耗。但過高的升程要求彈簧力較低，這會造成過小的彈簧力，很難保障閥片在較大的升程內(nèi)及時關(guān)閉。通常升程一般不宜大于閥座環(huán)形通道寬度的1/2或閥孔道半徑的1/2，而且過大的升程閥片對升程限制器的撞擊速度也較大，很容易造成閥片壽命的下降。因此氣閥維護過程中應(yīng)合理選擇閥門，設(shè)置適宜的閥片升程，保障氣閥安全有效地長期運行。

2.1.2 活塞環(huán)、壓力填料、活塞桿

BOG壓縮機通常采用無油潤滑，活塞環(huán)是由非金屬自潤滑材料(如填充聚四氟乙烯(PTFE))等制造，磨損量由公式(3)計算［6］。

式中:h—徑向磨損量，m;K—磨損因數(shù)，m3/(N·m)，與材料有關(guān);p—活塞環(huán)與氣缸間的接觸壓力，Pa;v—活塞環(huán)的平均速度，m/s;t—磨損時間，s。

由公式(3)可知，活塞環(huán)隨接觸壓力p、平均速度v的增加而磨損加大，即pv值對活塞環(huán)磨損量影響最直接。在一定范圍內(nèi)，磨損量與pv值成正比，超過一定值后，磨損量急劇增加，直至燒損?？梢?，當材料一定時，BOG壓縮機活塞環(huán)的使用壽命與pv值有直接關(guān)系，pv值越大，磨損量越大，活塞環(huán)壽命降低越嚴重。在已經(jīng)投產(chǎn)的LNG接收站中，BOG壓縮機調(diào)節(jié)負荷采用卸荷閥調(diào)節(jié)，這樣就能夠控制活塞的運行速度，從而保證pv在合理范圍內(nèi)，防止活塞環(huán)出現(xiàn)泄漏或燒結(jié)。填料問題也是引起壓縮機故障停機的重要原因之一。

2.2 輔助部分

輔助部分是保證壓縮機安全、經(jīng)濟、可靠運行所必需的輔助設(shè)備和系統(tǒng)。監(jiān)控潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的介質(zhì)溫度和壓力，是保證壓縮機本體部分潤滑良好、溫度適宜的重要措施。

工藝問題引起的壓縮機事故停車也是非常重要的因素之一，應(yīng)該引起足夠的重視。本文將工藝問題歸納到輔助部分進行討論分析。工藝問題可能產(chǎn)生如下的問題:

1)BOG壓縮機入口緩沖罐內(nèi)BOG閃蒸，導(dǎo)致BOG冷凝成LNG，或緩沖罐內(nèi)液位過高，造成BOG壓縮機入口溫度急劇下降，氣缸內(nèi)發(fā)生液擊現(xiàn)象，發(fā)生“當、當、當”的異常聲響。

2)曲軸箱內(nèi)加油過多、壓縮機耗油量過大、曲軸箱中潤滑油起沫，導(dǎo)致氣缸中產(chǎn)生敲擊聲。

3)操作人員錯誤地關(guān)閉了潤滑、管路、緩沖罐或冷卻等系統(tǒng)的閥門，導(dǎo)致了BOG壓縮機的異常停車。

2.3 運動部分、機體部分、驅(qū)動機構(gòu)及控制系統(tǒng)

曲軸的主要問題是曲軸出現(xiàn)磨損、活塞作用力不平衡、軸系不對中等，嚴重情況下出現(xiàn)曲軸彎曲和扭曲變形以及出現(xiàn)裂紋甚至斷裂失效。十字頭和連桿部分的磨損、受力不平衡及斷裂、運動部分之間連接處的螺絲松動等故障，都會引起B(yǎng)OG壓縮機劇烈振動而導(dǎo)致停車。

運動部分產(chǎn)生的問題主要是由于運動部件安裝維護過程不完善、潤滑與冷卻系統(tǒng)的故障引起的。運動部分、機體部分和驅(qū)動部分故障會導(dǎo)致油壓、油溫、振動出現(xiàn)異常。因此在BOG壓縮機控制系統(tǒng)采用了可編程控制器(PLC)系統(tǒng)進行了遠程顯示、報警或連鎖停機?？刂葡到y(tǒng)的檢測點選取了NG的溫度和壓力、主軸承和潤滑油壓力、溫度等變量。

3 BOG壓縮機故障預(yù)防措施分析

從BOG壓縮機故障分析可以發(fā)現(xiàn)，BOG壓縮機各個故障之間并不是單一的，而是相互影響的，如氣閥故障發(fā)現(xiàn)不及時或處理不當會引起B(yǎng)OG壓縮機出口壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致出口管路系統(tǒng)的振動，管路壓力的振動又進一步加劇氣閥的振動，氣閥繼續(xù)振動導(dǎo)致氣閥失效，引發(fā)壓縮機停車。因此需要重點觀察BOG壓縮機易發(fā)生故障部件的運行情況，又需要密切關(guān)注BOG壓縮機各個部分之間的相互聯(lián)系。從壓縮機原理出發(fā)，采取參數(shù)法、振聲法和油液法來預(yù)防BOG壓縮機發(fā)生故障。

3.1 參數(shù)法

參數(shù)法是將BOG壓縮機的各個部分的性能參數(shù)值進行處理，然后同基準參數(shù)數(shù)值進行比較，得到分析結(jié)果(如BOG壓縮機出口NG溫度、壓力是否偏高等)，從而發(fā)現(xiàn)壓縮機零件或BOG壓縮機整體是否存在故障，并判斷故障部分發(fā)生故障的原因，在引發(fā)停車甚至嚴重事故之前將壓縮機的故障排除。參數(shù)設(shè)定或獲取的方法通常有熱力法和電力法，BOG壓縮機主要選用了熱力法。BOG壓縮機的熱力參數(shù)主要有:潤滑油溫度、潤滑壓力、壓縮機入口NG壓力和溫度、壓縮機出口NG壓力和溫度等。通過觀察這些參數(shù)變化情況，及時發(fā)現(xiàn)壓縮機的故障，預(yù)防事故的發(fā)生。圖2為參數(shù)法監(jiān)控BOG壓縮機正常運行的示意圖，從進程儀表、潤滑油系統(tǒng)儀表、負荷系統(tǒng)儀表、冷卻水系統(tǒng)儀表、壓縮機電機儀表等五個方面分別進行監(jiān)控，以防止BOG壓縮機意外停車，保證壓縮機安全平穩(wěn)工作。

3.2 振聲法

壓縮機在運行中，由于各種力的作用會產(chǎn)生振動和噪音，當壓縮機內(nèi)部零件或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時，BOG壓縮機的動力學(xué)性能就會發(fā)生不同程度的變化，因此可以通過對壓縮機外部的振動信號、噪音信號的測量分析來監(jiān)測壓縮機內(nèi)部的狀態(tài)變化，以此分析判斷壓縮機的故障原因、部位、程度、性質(zhì)，并及時對壓縮機進行維護保養(yǎng)。BOG壓縮機振動的測量點主要選擇壓縮機驅(qū)動機構(gòu)(電機)的軸承、曲軸等。BOG壓縮機振動報警分為普通報警、高報警、高高報警，當中控DCS發(fā)現(xiàn)振動報警后，應(yīng)及時讓操作人員到現(xiàn)場確認報警，并采取措施，防止設(shè)備故障的進一步發(fā)展。

3.3 油液法

壓縮機運行中相接觸的摩擦副的相對運動都會產(chǎn)生磨損，壓縮機系統(tǒng)在不同的運行階段，潤滑油的衰敗程度會有所不同。產(chǎn)生的磨損微粒含有豐富的信息，這些信息包含磨損微粒的數(shù)量、尺寸與分布、形貌等，因此，潤滑油中包含了壓縮機設(shè)備的重要信息。油液法就是通過采集BOG壓縮機使用的潤滑油為樣品，利用現(xiàn)代分析手段檢測樣品的性能和樣品所攜帶的磨損微粒，定性和定量地評價被潤滑設(shè)備的磨損情況，并預(yù)測分析其發(fā)展趨勢。油液分析包括潤滑油性能衰敗分析和磨損微粒分析。該法的實施包括取樣、樣品制備、獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)、形成診斷結(jié)論等步驟。油液法對于檢測BOG壓縮機曲軸箱內(nèi)運動機構(gòu)的磨損狀況是一種較為理想的輔助手段。

4 結(jié)論

BOG壓縮機是LNG接收站的核心設(shè)備，通過BOG壓縮機不斷將儲罐中的BOG回收壓縮后，輸送到再冷凝器與深冷LNG混合，從而回收BOG，并使儲罐的壓力控制在合理的范圍之內(nèi)，因此，只有掌握BOG壓縮機設(shè)計類型、BOG壓縮機的結(jié)構(gòu)、運行中的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，才能保證BOG壓縮機安全平穩(wěn)運行，減少BOG的直接放空。提高BOG壓縮機運行的可靠性不能從單一方面考慮，而是需要全面的考慮，尤其當壓縮機已經(jīng)投產(chǎn)，工藝條件的變化是影響壓縮機運行可靠性最大的因素之一，這就要求工藝人員及時根據(jù)參數(shù)變化做出操作上的調(diào)整，并結(jié)合機、電、儀表人員，隨時發(fā)現(xiàn)故障，隨時排除，保障BOG壓縮機可靠地運行。

［1］ 劉浩，金國強.LNG接收站BOG氣體處理工藝［J］.2006，16(1):13－16.

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［6］ 張文祥，李延斌.無油潤滑壓縮機活塞環(huán)的設(shè)計及計算［J］.壓縮機技術(shù)，2000(4):3－4.

Reliability Method of BOG Compressor Operations

CHEN Gong-jian，DU Wen-feng，ZHAO Shun-xi，DUAN Qiu-xiao，SHI Tao
(CNOOC －FUJIAN LNG CO.，LTD，Putian 351100，F(xiàn)ujian，China)

To advance the reliability of BOG compressor，which was one of the key equipments in LNG terminal，was important for LNG exporting safety.Failure analysis relating to importing vertical and horizontal compressor which focus on BOG compressor cylinder parts，auxiliary parts，moving parts，body parts，drive mechanism and control system were carried out，This was based on combined structure of compressor and process in LNG terminal.It can be concluded that the method of parameters，vibration，and oil can prevent BOG compressor failure.In this way，the BOG compressor can run safe and stable.

BOG compressor;equipment reliability;liquefied natural gas(LNG)

TE964

B

1008-9446(2011)04-0034-04

2011-06-26

陳功劍(1982－)，男，河北武漢人，中海福建天然氣有限責(zé)任公司助理工程師，碩士，主要從事液化天然氣集輸工作。