LNG 工藝中壓縮機(jī)的選型研究

李瑩珂 蒲黎明 祁亞玲 王 科 姜 寧

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

LNG 生產(chǎn)是天然氣發(fā)展領(lǐng)域的一場革命，LNG 相對于成品油和CNG，具有更加安全清潔、便于運輸使用等特點。 通過LNG 的開發(fā)及引進(jìn)，實施LNG 替代石油，既有利于緩解國內(nèi)大中城市的空氣污染，又能夠獲得更好的經(jīng)濟(jì)回報，有利于能源供應(yīng)方式的多元化，提高天然氣的利用程度，從更廣的領(lǐng)域加快能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整，保障國家能源安全［1-7］。 我國已經(jīng)進(jìn)入LNG 快速發(fā)展的時期， 截止2013 年12 月已經(jīng)建成湖北500×104m3/d（120×104t/a）、哈納斯300×104m3/d、泰安260×104m3/d、延長50×104m3/d、安塞200×104m3/d、廣安100×104m3/d 等80 多座LNG 工廠。 建成投產(chǎn)廣東大鵬、福建莆田、上海洋山港、江蘇如東、大連新港、河北唐山、天津浮式等多個LNG 接收站，浙江寧波、山東青島、廣東珠海等LNG接收站正在建設(shè)中，預(yù)計到2015 年中國東南沿海將建成LNG 接收站10 多個， 總接收能力將超過4 500×104t/a（約合600×108m3/a）［1-7］。 壓縮機(jī)是LNG 液化工廠和接收站工程的核心轉(zhuǎn)動設(shè)備，主要用于LNG 液化工廠中原料氣、分子篩脫水裝置的再生氣、天然氣液化制冷劑和閃蒸氣（BOG），以及接收站中BOG 增壓過程。因此，在LNG工廠中選擇合適的壓縮機(jī)及壓縮機(jī)的驅(qū)動方式、冷卻方式非常重要。

圖1 壓縮機(jī)的基本型式

圖2 壓縮機(jī)的適用范圍

1 壓縮機(jī)類型及適用范圍

壓縮機(jī)種類繁多，按作用原理可分為容積式和速度式兩大類，具體分類見圖1。由于不同類型的壓縮機(jī)特點不同，適用于不同的生產(chǎn)條件。 在LNG 液化工廠和接收站中主要采用往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)。 這三種壓縮機(jī)在石油、天然氣加工、制冷等領(lǐng)域中占非常重要的地位，其適用范圍見圖2［8］。

2 LNG 處理過程中常用壓縮機(jī)選型原則

LNG 處理過程中常用的三種壓縮機(jī)優(yōu)缺點見表1，LNG 處理常見工藝中壓縮機(jī)的選型原則如下：

a）判斷氣體的組成與潔凈度。 在氣體中硫含量和水含量較高、含有固體顆粒時采用往復(fù)式壓縮機(jī)或螺桿式壓縮機(jī)，因為離心式壓縮機(jī)對介質(zhì)潔凈度要求較高；

表1 LNG 處理過程中常用的三種壓縮機(jī)特點

b）考慮氣體流量的變化。 若氣量穩(wěn)定，則可以考慮離心機(jī)，若氣量變化較大，考慮選擇往復(fù)式壓縮機(jī)或螺桿式壓縮機(jī)。

c）考慮壓縮比。 出口壓力高于2.5 MPa，采用往復(fù)式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)。

d）考慮投資成本。 壓縮機(jī)型式選定以后，需要結(jié)合整體工藝流程來確定壓縮機(jī)數(shù)量。 離心式壓縮機(jī)由于可靠性與穩(wěn)定性較高，一般不需要考慮備機(jī)。 螺桿式壓縮機(jī)機(jī)穩(wěn)定性也較好， 應(yīng)用于制冷系統(tǒng)時一般不考慮備機(jī)。 往復(fù)式壓縮機(jī)可靠性低，維修量大，必須考慮備機(jī)。

3 LNG 處理過程中壓縮機(jī)選型

基于上述選型原則，LNG 處理常見工藝中壓縮機(jī)的選型結(jié)果如下。

3.1 原料氣增壓和輸送

LNG 工廠的原料氣來源有管輸氣， 也有氣田氣、煤制氣、煤層氣等。 當(dāng)原料氣需要增壓后輸送或者由于原料氣壓力較低，需要增壓至適宜液化的壓力時，則需設(shè)置原料氣增壓壓縮機(jī)。 原料氣壓縮機(jī)選擇需考慮的主要因素是原料氣介質(zhì)情況。 若原料氣為管道氣或煤制氣，介質(zhì)潔凈度較高，輸氣量大且穩(wěn)定，一般選擇離心式壓縮機(jī)。 若原料氣為氣田氣、煤層氣，介質(zhì)較臟需要輸送至預(yù)處理系進(jìn)行凈化， 且氣田氣的處理氣量變化較大，離心機(jī)的適應(yīng)能力差則需要選擇往復(fù)式壓縮機(jī)［9］。

3.2 分子篩再生氣增壓

LNG 工廠的原料氣預(yù)處理部分中，分子篩脫水裝置的再生氣壓縮機(jī)由于再生氣量一般較小， 氣壓比較小，在常用的兩塔脫水工藝中，再生氣量不連續(xù)，且需要再生氣量回流來保證壓縮機(jī)的連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此再生氣壓縮機(jī)一般選擇往復(fù)式壓縮機(jī)。 目前，國內(nèi)天然氣輕烴回收工廠的再生氣壓縮機(jī)已有采用高速旋轉(zhuǎn)離心式壓縮機(jī)先例，但該類壓縮機(jī)為進(jìn)口產(chǎn)品，可供選擇廠家少、應(yīng)用業(yè)績少。

3.3 制冷劑壓縮機(jī)

液化裝置是LNG 工廠的核心，制冷劑壓縮機(jī)是液化裝置的關(guān)鍵設(shè)備。 同時制冷劑一般由一種或幾種組分構(gòu)成，組成相對簡單，潔凈度高且流量穩(wěn)定，因此制冷劑壓縮機(jī)可按照壓縮機(jī)功率劃分來選型。 大型液化裝置制冷劑壓縮機(jī)功率較大（N＞5 000 kW），選擇離心式壓縮機(jī)。中型液化裝置的制冷劑壓縮機(jī)（1 500 kW ＜N＜5 000 kW）可以選擇低溫往復(fù)式壓縮機(jī)（臥式或者立式迷宮型壓縮機(jī)）。 小型的制冷系統(tǒng)（N＜1 500 kW）可選擇螺桿式低溫壓縮機(jī)。

3.4 閃蒸氣（BOG）壓縮機(jī)

在天然氣液化節(jié)流、LNG 儲存以及裝卸等過程中均會產(chǎn)生BOG，BOG 具有低壓、 低溫以及氣量波動大的特點。 在BOG 壓縮機(jī)的設(shè)計選型中需要充分考慮其特點，進(jìn)行多方案對比［10］。

LNG 工廠BOG 壓縮機(jī)的選型需結(jié)合工廠規(guī)模和建設(shè)水平進(jìn)行， 根據(jù)BOG 是否加熱以及加熱的程度可分為超低溫（如-150 ℃）、低溫（如-30 ℃）以及常溫（如0～20 ℃）運行方案。 BOG 溫度越高，能耗越高，相應(yīng)的壓縮機(jī)投資越低。 由于我國超低溫閃蒸氣壓縮機(jī)技術(shù)尚處于開發(fā)階段，僅個別廠家有少量業(yè)績，而進(jìn)口超低溫臥式往復(fù)壓縮機(jī)和立式迷宮式壓縮機(jī)價格高、 生產(chǎn)工期長，國內(nèi)大量LNG 工廠采用低溫以及常溫運行方案。 采用低溫和常溫方案，排氣壓力較低時適宜選擇螺桿式壓縮機(jī)，通過滑閥實現(xiàn)壓縮機(jī)10%～100%的負(fù)荷調(diào)節(jié)，適應(yīng)BOG 氣量波動大的特點，且無需設(shè)置備機(jī)；排氣壓力較高時受到螺桿壓縮機(jī)排氣壓力的限制，多采用往復(fù)式壓縮機(jī)。

LNG 接收站一般需設(shè)置2 臺及以上壓縮機(jī)， 便于LNG 卸船時多機(jī)運行，非卸船工況時單機(jī)運行，通常不對BOG 進(jìn)行加熱，有超低溫（如-150 ℃）臥式往復(fù)壓縮機(jī)以及立式迷宮式壓縮機(jī)供選擇，兩種機(jī)型均有成熟業(yè)績。

4 驅(qū)動機(jī)的選擇

LNG 工藝中再生氣壓縮機(jī)、BOG 壓縮機(jī)及小型的制冷劑壓縮機(jī)功率較小，可選擇使用電動機(jī)或者燃?xì)獍l(fā)動機(jī)驅(qū)動，且以電動機(jī)居多。在大型LNG 工廠中，原料氣壓縮機(jī)與冷劑壓縮機(jī)往往功率較大，其壓縮機(jī)的驅(qū)動方式有燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、電動機(jī)三種可供選擇［11-13］。

燃?xì)廨啓C(jī)是采用天然氣為燃料的驅(qū)動機(jī)，其燃料來源較為便利。自20 世紀(jì)70 年代以來，燃?xì)廨啓C(jī)廣泛用作基地型LNG 工廠的驅(qū)動機(jī)， 國內(nèi)鄯善、 廣匯以及海南LNG 工廠均有采用。 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度很高，熱能損失很大，存在著能源整體效率較低、運行可靠性差的不足。同時燃?xì)廨啓C(jī)的效率對負(fù)荷的變化非常敏感，當(dāng)負(fù)荷低于額定負(fù)荷的70%時，燃?xì)廨啓C(jī)的效率顯著降低。另外燃?xì)廨啓C(jī)的檢修周期間隔較短，檢修費用高。 相對于其他驅(qū)動方式，燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計制造技術(shù)復(fù)雜，定型和完善的周期長，目前各主要燃?xì)廨啓C(jī)制造廠商的產(chǎn)品均是按標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，不能提供與壓縮機(jī)軸功率緊密配合的非標(biāo)燃?xì)廨啓C(jī)，因此在選擇燃?xì)廨啓C(jī)做驅(qū)動設(shè)備時需要進(jìn)行壓縮機(jī)匹配性研究。

工業(yè)汽輪機(jī)利用蒸汽作為驅(qū)動來源，汽輪機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、功率大、經(jīng)濟(jì)性好、性能優(yōu)良的優(yōu)點，20 世紀(jì)60～80 年代時已在基本負(fù)荷型LNG 工程中普遍用于冷劑壓縮機(jī)的驅(qū)動機(jī)。 相對于燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)化的特點，蒸汽輪機(jī)的部件通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高，設(shè)計和制造成本低，生產(chǎn)周期短，且汽輪機(jī)型號多樣化，可以根據(jù)壓縮機(jī)軸功率的需求進(jìn)行設(shè)計，使壓縮機(jī)與汽輪機(jī)的配合達(dá)到最優(yōu)化。 由于汽輪機(jī)效率較低，且LNG 工廠中一般缺乏蒸汽來源，限制了汽輪機(jī)在缺乏淡水的LNG 工廠中的應(yīng)用。

采用電動機(jī)驅(qū)動的特點是設(shè)備簡單、可靠、易于維修；無固定大修期，可頻繁啟動、噪音低、無灰塵、無粉塵污染；在輕載狀態(tài)下消耗很低；一次投資較低，使用壽命長，安裝維修費用低。但在LNG 工廠中，大型電動機(jī)的啟動往往需要增加變頻器（或液力耦合），大型變頻器+電動機(jī)需要大容量電廠的配合，還需要較多的大功率輸電線路、輸配電等設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜。

因此，LNG 工廠中大功率的冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動方式的選擇需要對外界條件、經(jīng)濟(jì)投資等因素進(jìn)行綜合考慮后才能確定。

5 壓縮機(jī)冷卻方式的選擇

壓縮機(jī)冷卻方式主要有風(fēng)冷、水冷、風(fēng)冷+水冷、水冷+水冷四種方式。 風(fēng)冷主要是空氣通過空氣冷卻器帶走熱量，主要用于年平均氣溫低于25 ℃的地區(qū)以及無水或缺水地區(qū)，冷卻后的氣體溫度高于環(huán)境溫度10～15 ℃，但是不適用于溫度較高的濕熱地區(qū)，同時空冷裝置占地較大。 水冷主要采用循環(huán)水經(jīng)水冷卻器換熱帶走熱量，冷卻后的介質(zhì)溫度一般高于循環(huán)水進(jìn)水溫度5～10 ℃，冷卻效果好，但用水量較大，需要設(shè)置循環(huán)水冷卻塔設(shè)備且定期清理。 風(fēng)冷+水冷也稱混冷方式，即水冷卻器系統(tǒng)中的水封閉循環(huán)，冷卻后的熱水再由空氣通過空氣冷卻器帶走熱量。LNG 工廠中，分子篩再生氣壓縮機(jī)、BOG 壓縮機(jī)、原料氣壓縮機(jī)等對冷卻后的溫度要求不高，一般優(yōu)先考慮風(fēng)冷（濕熱地區(qū)除外），達(dá)到節(jié)能目的。

制冷劑壓縮機(jī)冷卻方式的選擇需要根據(jù)冷劑的冷凝點來確定。 冷劑循環(huán)是壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)、壓縮的循環(huán)過程。 冷劑氣體經(jīng)壓縮后需在出口壓力下冷卻冷凝，對于采用空冷方式的環(huán)境溫度較高地區(qū)，在相同條件下與水冷方式相比，冷劑只有在更高的壓縮機(jī)出口壓力下才會冷凝，導(dǎo)致冷劑壓縮機(jī)功率增大。 因此有混合冷劑壓縮機(jī)采用先空冷， 后水冷方式將冷劑氣體冷凝，其目的是為更好地節(jié)約循環(huán)水用量。

6 結(jié)論

LNG 處理過程中需要綜合考慮工藝、介質(zhì)、環(huán)境與投資等因素來確定壓縮機(jī)的型式、驅(qū)動方式與冷卻方式等。 選型往往抓住主要矛盾，根據(jù)技術(shù)、成本、可靠性、能耗等方面選擇一個較優(yōu)、更適合工藝流程的壓縮機(jī)。 本文基于往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)的特性和適用范圍， 通過分析LNG 液化工廠中的原料氣、分子篩脫水裝置的再生氣、天然氣液化制冷劑和BOG 的增壓過程中工藝要求和介質(zhì)特點，提出LNG 工藝中壓縮機(jī)選型原則與方法。 基于以上壓縮機(jī)選型結(jié)果，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)、 蒸汽輪機(jī)和電動機(jī)三種壓縮機(jī)驅(qū)動方式的特點， 以及地理環(huán)境對壓縮機(jī)冷卻方式的影響， 提出了LNG 處理過程中壓縮機(jī)驅(qū)動方式的選擇原則和冷卻方式的選擇方法，為LNG 工廠中壓縮機(jī)及其驅(qū)動方式和冷卻方式的合理選型提供了原則和方法。

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