低溫進氣對閃蒸氣壓縮機流量影響的實驗研究

陳金鋒,吳智敏,馮健美,彭學院

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

低溫進氣對閃蒸氣壓縮機流量影響的實驗研究

陳金鋒,吳智敏,馮健美,彭學院

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

針對低溫進氣對液化天然氣閃蒸氣(BOG)壓縮機容積效率影響很大的問題,搭建了低溫進氣壓縮機性能測試實驗臺。通過在氣缸不同位置安裝溫度傳感器,測量了不同進氣溫度下壓縮機氣缸內氣體溫度及外壁面溫度,采用體積流量計測量了壓縮機實際進、排氣流量;通過在壓縮機進口前的管路上纏加熱帶,采用并聯(lián)銅管旁通管路,實現(xiàn)了進氣溫度調節(jié)。根據(jù)測量結果對影響容積效率的因素,特別是溫度系數(shù)和進氣系數(shù)進行了計算分析,結果表明:BOG壓縮機穩(wěn)定運行時,隨著進氣溫度從-54.2 ℃降低到-142.2 ℃,進氣系數(shù)、溫度系數(shù)和容積效率均明顯減小,分別下降了25.5%、25.0%和23.75%;進氣溫度為-142.2 ℃時,氣缸外壁面溫差達到最大值76 ℃。該結果可為閃蒸氣回收式壓縮機氣缸設計提供參考。

閃蒸氣壓縮機;閃蒸氣回收;低溫進氣;容積效率

在運輸和卸船過程中,由于液化天然氣(LNG)儲罐內LNG體積的變化,以及環(huán)境溫度和大氣壓變化等外界能量的輸入,使得儲罐內產(chǎn)生大量的閃蒸氣(BOG)(無卸船時約占儲存總量的0.05%～0.06%,卸船時占比更大)[1-2]。為保證LNG接收站的安全運行,對閃蒸氣需要進行及時處理,將BOG通過增壓送入管網(wǎng)或重新送入LNG罐中[3-8]。當BOG溫度低至-162 ℃時,進氣溫度與環(huán)境溫度之間存在極大溫差,對進氣加熱影響顯著。有實驗數(shù)據(jù)表明,BOG在壓縮機工作腔開始被壓縮時,其溫度比進入工作腔時升高約30～60 ℃[9]。根據(jù)壓縮機基本熱力學原理,吸氣溫度每升高3 ℃,排氣量會降低約1%,這意味著進氣加熱對BOG壓縮機容積效率影響巨大[10]。所以,在BOG壓縮機結構參數(shù)設計階段必須掌握低溫進氣對進氣加熱的影響規(guī)律。

本文搭建了低溫進氣壓縮機性能測試實驗臺,由此研究了低溫進氣條件下壓縮機氣缸外壁面溫度場、進氣系數(shù)、溫度系數(shù)、容積效率等隨著溫度變化的規(guī)律,以期為低溫進氣壓縮機的設計和制造提供參考。

1 實驗裝置

1.1 實驗系統(tǒng)

搭建的低溫進氣壓縮機性能測試實驗系統(tǒng)的實驗裝置流程圖如圖1所示。由圖1可見:由杜瓦瓶E-1蒸發(fā)的閃蒸氣進入杜瓦瓶E-2進行緩沖,再經(jīng)穩(wěn)壓器、銅管旁通管路進入壓縮機;壓縮機進口前的管路上纏有加熱帶,以輔助銅管旁通管路來調節(jié)壓縮機進氣溫度;壓縮機進、出口處均有緩沖罐,用來減小氣流脈動,保證壓縮機進、出口氣體流量測量的準確性;在排氣管路末端裝有一個帶閥門的氣罐,用以調節(jié)壓縮機背壓;在缸蓋、氣缸外壁面以及壓縮機進、排氣口處均布置溫度傳感器,進行溫度測量;氣缸內氣體壓力由壓力傳感器測得。實驗裝置實體圖如圖2所示。

P:壓力表;E:容器;Z:針閥;V:球閥;F:減壓閥;PC:壓力傳感器;TC:溫度傳感器

(a)液氮氣化及穩(wěn)壓裝置

(b)壓縮機及數(shù)據(jù)采集裝置

考慮到在實驗室直接使用天然氣的危險性,實驗時利用液氮氣化后的低溫氮氣替代BOG氣體。實驗采用的無油潤滑壓縮機的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 實驗方法及步驟

在一定的進氣壓力下,對不同進氣溫度影響壓縮機氣缸各處溫度分布,以及進、排氣量的變化規(guī)律進行了實驗研究,步驟如下。

(1)壓縮機啟動之前,用低溫氮氣對壓縮機進行了預冷處理,以減小壓縮機氣缸等部件由于大溫差產(chǎn)生的熱應力。當壓縮機氣缸溫度冷卻至-30 ℃時,啟動壓縮機。

(2)壓縮機運行穩(wěn)定后,調節(jié)穩(wěn)壓器,當壓縮機進氣壓力穩(wěn)定為0.12 MPa時,調節(jié)背壓罐,使得排氣壓力穩(wěn)定在0.32 MPa。

(3)在壓縮機4個管路的不同位置分別纏繞加熱帶(見圖2),另有1個銅管設為旁通管路,依次打開加熱帶1、2、3、4和旁通管路,可以實現(xiàn)5種不同的進氣溫度。當壓縮機運行穩(wěn)定時可以測得不同進氣溫度下各測點的溫度和壓力,以及進、出口處的氣體流量。

通過以上3個步驟得到的實驗工況如表2所示。

表1 實驗采用的無油潤滑壓縮機的主要參數(shù)

表2 經(jīng)3個步驟得到的實驗工況

實驗裝置中壓縮機的溫度、壓力傳感器的布置如圖3所示,其中7個測點T1～T7的溫度傳感器分別測量進口氣體溫度、進氣側氣缸外壁溫度、氣缸蓋外壁溫度、出口氣體溫度、緊靠排氣側的肋頂端氣缸外壁溫度、排氣側肋根部氣缸外壁溫度、遠離排氣側的氣缸外壁溫度,壓力傳感器測量氣缸內氣體壓力。

(a)三維圖

(b)實體圖

2 實驗誤差分析

低溫進氣對BOG壓縮機流量影響的最重要的3個參數(shù)分別為進氣系數(shù)λs、溫度系數(shù)λT和容積效率η。進氣系數(shù)λs為實際吸氣量與理論行程容積之比

(1)

式中:λV為容積系數(shù);λP為壓力系數(shù);λT為溫度系數(shù)。實驗中,由流量計測得的實際吸氣量與理論行程容積之比得到進氣系數(shù)λs,由測得的P-V圖得到λP和λV,經(jīng)式(1)可以計算得到λT,由流量計測得的實際排氣量與理論行程容積之比得到η。

測量前T型熱電偶均已經(jīng)過標定,在-200～300 ℃范圍內的測量誤差為±0.1 ℃;標準大氣壓下流量計在6～60 m3/h范圍內的測量誤差為±1%;壓力傳感器在0～0.7 MPa范圍內的測量誤差為±0.05%。由此,根據(jù)相對誤差的傳遞公式得出λs、η的相對誤差均為±1%,λT的相對誤差為±1.5%。

3 實驗結果及分析

3.1 測溫點的溫度分析

5種工況下壓縮機7個測點的溫度測量值如圖4所示,測點位置見圖3。從圖4可以看出:各工況下壓縮機氣缸壁面表面溫度分布梯度很大,溫差比較大,當進氣溫度為-142 ℃時,最大溫差達到76 ℃;隨著進氣溫度的升高,最大溫差逐漸減小,當進氣溫度升至-54.2 ℃時,最大溫差只有54 ℃。

圖4 5種工況下7個測點的溫度測量值

3.2 進氣溫度對進氣系數(shù)的影響

λs隨進氣溫度的變化如圖5所示。由圖5可以看出,隨進氣溫度從-54.2 ℃降低到-142 ℃,壓縮機的λs從0.825減小到0.615,降低了25.5%。原因是λs為λV、λP、λT三者的乘積,工況變化僅會影響壓縮機的進氣溫度,所以λV、λP變化不大,因此λs與λT的變化規(guī)律相一致。

圖5 進氣系數(shù)隨進氣溫度的變化

3.3 進氣溫度對溫度系數(shù)的影響

λT隨進氣溫度的變化如圖6所示。由圖6可以看出:隨著進氣氣溫從-73.5℃降低到-142 ℃,λT從0.96減小到0.72,下降了25%;當溫度高于-73 ℃時,λT趨近于1,表明此時進氣溫度的變化對λT的影響不大。原因是λT反映的是氣體加熱對氣缸吸氣能力的影響,而影響氣缸內氣體在吸氣終了時溫度的主要因素之一,是吸氣過程與氣體接觸的氣缸和活塞壁面?zhèn)鹘o氣體的熱量。當進氣溫度較低,如工況1溫度低至-142.2 ℃時,排氣溫度在-80 ℃左右(見圖4),整個氣缸及活塞表面溫度均低于環(huán)境溫度,因此環(huán)境溫度對氣缸及進氣溫度的影響顯著,而λT較小,僅為0.72。隨著進氣溫度的升高,外界溫度與氣缸及氣缸內氣體溫度之間的溫差減小,通過氣缸向氣缸內氣體傳遞的熱量減小,λT隨之增大。

圖6 溫度系數(shù)隨進氣溫度的變化

3.4 進氣溫度對容積效率的影響

η隨進氣溫度的變化如圖7所示。由圖7可以看出,η隨進氣溫度的變化較為明顯,當溫度從-54.2 ℃降低到-142 ℃時,η從0.8減小至0.61,降低了23.75%。對比進、排氣口處流量測量結果,發(fā)現(xiàn)低溫進氣對泄漏的影響較小,η主要受λT的影響,由于λT隨著進氣溫度的降低大大減小,使得η隨著進氣溫度的降低而減小。

圖7 容積效率隨進氣溫度的變化

4 結 論

本文搭建了滿足低溫進氣條件的壓縮機性能測試實驗臺,對進氣溫度在-142～-54.2 ℃范圍內的壓縮機氣缸各處溫度分布及容積流量影響因素進行了實驗研究,得出以下主要結論。

(1)在一定的進氣壓力下,隨著進氣溫度由-54.2 ℃降低至-142.2 ℃,λT降低顯著,由0.96減小到0.72,下降了25%,λs由0.825減至0.615,下降了25.5%。因此,低溫進氣時λT對壓縮機進氣量的影響很大。

(2)隨著進氣溫度由-54.2 ℃降低至-142.2 ℃,η從0.81減至0.61。

(3)壓縮機進氣溫度低至-142 ℃時,氣缸壁面溫度分布梯度非常大,溫差可達76 ℃。如此大的溫差將會導致氣缸產(chǎn)生較大的熱應力,所以在氣缸設計時應考慮結構和材料的性能。

[1] MURAI K, NAGURA K.LNG boil-off gas reciprocating compressors [J].Kobe Steel Works Engineering Reports, 1999, 49(1): 64-67.

[2] 顧安忠.液化天然氣技術 [M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.

[3] 劉浩, 金國強.LNG接收站BOG氣體處理工藝 [J].化工設計, 2006, 16(1): 13-16.LIU Hao, JIN Guoqiang.Process comparison and energy saving analysis of BOG gas treatment of LNG receiving terminal [J].Chemical Engineering Design, 2006, 16(1): 35-16.

[4] QUEROL E, GONZALEZ-REGUERAL B, GARCIA-TORRENT J, et al.Boil off gas (BOG) management in Spanish liquid natural gas (LNG) terminals [J].Applied Energy, 2010, 87(11): 3384-3392.

[5] QUEROL E, REGUERAL B G, TORRENT J G, et al.Boil off gas (BOG) management in Spanish liquid natural gas (LNG) terminals [J].Applied Energy, 2010, 87(11): 3384-3392.

[6] SAYYAADI H, BABAELAHI M.Thermoeconomic optimization of a cryogenic refrigeration cycle for re-liquefaction of the LNG boil-off gas [J].International Journal of Refrigeration, 2010, 33(6): 1197-1207

[7] SHIN Y, LEE Y P.Design of a boil-off natural gas reliquefaction control system for LNG carriers [J].Applied Energy, 2009, 86(1): 37-44.

[8] ERNST P.The LNG BOG labyrinth-piston compressor with flexible capacity control [J/OL].[2013-01-21].http:∥www.kgu.or.kr/download.php?tb=bbs-017&fn=Ernst.pdf&rn=Ernst.pdf.

[9] SHIN M W, SHIN D, CHOI S H, et al.Optimization of the operation of boil-off gas compressors at a liquefied natural gas gasification plant [J].Industrial and Engineering Chemistry Research, 2007, 46(20): 6540-6545.

[10]丁仕風, 唐文勇, 張圣坤.大型液化天然氣船溫度場及溫度應力研究 [J].船舶工程, 2008, 30(5): 16-19.DING Shifeng, TANG Wenyong, ZHANG Shenkun.A research on temperature field and stress field of large-scale LNG ship [J].Ship Engineering, 2008, 30(5): 16-19.

(編輯 苗凌)

ExperimentalInvestigationonFlowRateofBoil-OffGasCompressoratLowSuctionTemperature

CHEN Jinfeng,WU Zhimin,FENG Jianmei,PENG Xueyuan

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The low suction temperature has a significant effect on the volumetric efficiency of BOG (boil-off gas) compressors.A test rig with temperature sensors was built up to investigate the temperature distribution in the cylinder at various suction temperatures.The suction and discharge flow rates were both measured by the volume flow meter.The heating tape on the pipe before the compressor inlet and the by-pass line were used to adjust the suction temperature.From the test data, the main factors influencing the volumetric efficiency were analyzed, focusing on the temperature coefficient and the suction coefficient.The results show that the suction coefficient, temperature coefficient and volumetric coefficient decreased by 24.4%, 25%, and 23.75%, respectively, when the suction temperature decreased from -54.2 ℃ to -142.2 ℃.The temperature difference on the cylinder outer surface reached the maximum, 76 ℃, at the suction temperature of -142.2 ℃.

boil-off gas compressor; boil-off gas recovery; low suction temperature; volumetric efficiency

10.7652/xjtuxb201403013

2013-04-24。

陳金鋒(1989—),男,碩士生;馮健美(通信作者),女,副教授。

國家自然科學基金資助項目(51106120);國家科技支撐計劃資助項目(2012BAA08B03)。

時間: 2013-12-19

TE974

:A

:0253-987X(2014)03-0068-04

網(wǎng)絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.001.html