乙烯液化氣船再液化系統(tǒng)壓縮機(jī)的選型

童正明，胡東亮，侯 鵬，賀軍成

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

乙烯液化氣船再液化系統(tǒng)壓縮機(jī)的選型

童正明，胡東亮，侯 鵬，賀軍成

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

乙烯的產(chǎn)量是衡量一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，但乙烯的生產(chǎn)分布非常不均勻，乙烯供需地點(diǎn)也不盡相同，只依靠傳統(tǒng)管道運(yùn)送乙烯不能滿足各地的需求，因此船舶運(yùn)輸成為運(yùn)送乙烯的重要途徑。由于運(yùn)輸船空間的限制以及運(yùn)送成本的問題，采用乙烯液化氣船時(shí)，為避免運(yùn)輸過程中產(chǎn)生乙烯蒸發(fā)氣的浪費(fèi)及排放造成的環(huán)境污染，要配備乙烯蒸發(fā)氣再液化系統(tǒng)；壓縮機(jī)成為再液化系統(tǒng)的重要組成部分，其配置選型尤為重要。根據(jù)各種壓縮機(jī)的特點(diǎn)和對壓縮機(jī)的壓縮級數(shù)、各級壓力、各級排氣溫度、氣缸直徑、活塞直徑及氣缸行程容積進(jìn)行嚴(yán)格、精確熱力計(jì)算所得到的結(jié)果以及乙烯液化氣船的實(shí)際情況，對乙烯液化氣船再液化系統(tǒng)壓縮機(jī)進(jìn)行精確的配置選型，以達(dá)到簡單、高效、節(jié)能的目的。

乙烯液化氣船；再液化系統(tǒng)；壓縮機(jī)；熱力計(jì)算；配置選型

0 引 言

乙烯工業(yè)作為石油化工業(yè)的龍頭，一直是衡量一個(gè)國家和地區(qū)工業(yè)化發(fā)展水平的標(biāo)志。隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，乙烯的全球交易已經(jīng)非常成熟。乙烯產(chǎn)量和供需的不均勻分布導(dǎo)致船舶運(yùn)輸成為乙烯運(yùn)送的主要方式之一。考慮到乙烯氣體體積過于龐大，運(yùn)送不切合實(shí)際，且不符合經(jīng)濟(jì)預(yù)算，采用乙烯液化氣船運(yùn)送液態(tài)乙烯。但是，乙烯液化氣船的乙烯蒸發(fā)氣（Boil Off Gas，BOG）歷來都是既浪費(fèi)又污染環(huán)境，必須采用乙烯液化氣船再液化系統(tǒng)對其進(jìn)行處理。再液化系統(tǒng)需要用到很多設(shè)備，主要介紹乙烯液化氣船再液化系統(tǒng)壓縮機(jī)的配置選型。

1 壓縮機(jī)分類及選用原則

1.1 壓縮機(jī)分類

壓縮機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各大工業(yè)領(lǐng)域，在制冷和空調(diào)領(lǐng)域，壓縮機(jī)是核心設(shè)備。本文所述的BOG液化系統(tǒng)中的核心設(shè)備就是壓縮機(jī)。按壓縮氣體原理的壓縮機(jī)分類見圖1。

從對壓縮機(jī)的體型要求、工作特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來看，選擇活塞式壓縮機(jī)比較合適?；钊綁嚎s機(jī)是容積式壓縮機(jī)中常見的一種類型，它的工作原理是利用氣缸內(nèi)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來壓縮氣體。該類壓縮機(jī)適用于中小氣量、高壓和超高壓的情況。

圖1 按壓縮氣體原理的壓縮機(jī)分類

活塞式壓縮機(jī)分立式壓縮機(jī)和臥式壓縮機(jī)兩種。立式活塞式壓縮機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其機(jī)身直立，節(jié)省占地面積。另外，由于機(jī)身的零部件不承受自重導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力，所以它在設(shè)計(jì)時(shí)可減薄壁厚；因此，機(jī)身相對臥式活塞式壓縮機(jī)來說更加輕便，尤其在超低溫氣體等領(lǐng)域，立式活塞式壓縮機(jī)具有明顯的優(yōu)勢。但是，立式壓縮機(jī)也有其缺點(diǎn)，如高度較大，不方便維修。臥式活塞式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于其平鋪式的結(jié)構(gòu)方便維修，管道在鋪設(shè)時(shí)也較方便。缺點(diǎn)是占地面積大。乙烯液化氣船雖然比較大，但是船上的空間終究有限，因此立式活塞式壓縮機(jī)更適合應(yīng)用于該類船舶。

1.2 壓縮機(jī)選用原則

活塞式壓縮機(jī)在選型時(shí)，對結(jié)構(gòu)、震動(dòng)、噪聲、壽命、工作壓力、潤滑、儀表、出口溫度、功率、機(jī)身剛度及換熱管束等的選擇方面都有基本原則［1-3］。但這些基本原則僅是最常遇到的情況下的一些要求，對壓縮機(jī)的選型還應(yīng)根據(jù)特定的環(huán)境來決定。在選用立式活塞式壓縮機(jī)時(shí)，不僅要考慮一些常規(guī)的要求，還須要考慮熱力性能計(jì)算。

2 壓縮機(jī)熱力性能計(jì)算

熱力性能計(jì)算的目的是為選取壓縮機(jī)時(shí)提供具體的參數(shù)和數(shù)據(jù)支持，具體需要計(jì)算的參數(shù)和數(shù)據(jù)要求為：① 級數(shù)的選擇和各級壓力比的分配；② 各級排氣溫度的確定；③ 排氣量及相關(guān)系數(shù)的確定；④ 氣缸直徑、活塞桿直徑的計(jì)算；⑤ 氣缸行程容積的計(jì)算等。

2.1 級數(shù)選擇和各級壓力比分配

2.1.1 壓縮機(jī)級數(shù)

壓縮機(jī)級數(shù)的選擇原則是節(jié)能高效、節(jié)省功率、結(jié)構(gòu)簡單等。不同工業(yè)領(lǐng)域?qū)嚎s機(jī)的級數(shù)有不同的要求［4］。

在一些大型工業(yè)，比如石油、石化等，它們的要求首先是設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性、可靠性，而且由于化工類產(chǎn)品對溫度有限制，不能有過高的排氣溫度，因此級數(shù)要求為2～4級；對于一些生產(chǎn)規(guī)模小、廠房要求有限制的企業(yè)，壓縮機(jī)在選取時(shí)要小巧輕便，所以級數(shù)較低。在選取級數(shù)時(shí)，首先考慮的參數(shù)是壓縮機(jī)的終壓，然后再結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)出級數(shù)與終壓的選取關(guān)系見表1。

表1 級數(shù)選取與終壓的關(guān)系

根據(jù)再液化系統(tǒng)已知的一些參數(shù)、再液化系統(tǒng)各過程的物性要求和船廠提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算和整理，得到相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 乙烯再液化循環(huán)系統(tǒng)已知參數(shù)及壓縮機(jī)部分參數(shù)

在BOG與壓縮機(jī)之間有一個(gè)回?zé)崞鳎靡栽黾覤OG溫度，回?zé)崞鳠岢隹跍囟?90℃即為壓縮機(jī)進(jìn)口溫度。

由表2可知，壓縮機(jī)出口壓力為1.0MPa，壓力范圍為0.6～3.0MPa，故建議選取級數(shù)為2。

2.1.2 壓縮機(jī)壓力比分配

在壓縮機(jī)級數(shù)確定后，要確定各級壓比的分配。進(jìn)行壓力比的分配是為了最大地節(jié)省功。經(jīng)計(jì)算，兩級壓力比相等時(shí)最省功，即

式（1）中：1p，2p，xp為分別為進(jìn)氣壓力、排氣壓力及中間壓力。

但在實(shí)際情況下，壓力比分配并不相等，要考慮很多實(shí)際情況，比如壓力損失、余隙影響等。因此，在進(jìn)行壓力比分配時(shí)，要參照壓力比分配公式。壓力比分配修正公式為

式（2）和式（3）中：ε為總壓力比，且21/p p ε= ；z為級數(shù)。

由表2可知，進(jìn)出口壓力 p1和 p2分別為 0.1MPa及 10MPa，所以 ε= 10。根據(jù)式（2）和式（3）可知：ε1= 3.318；ε2= 3.002。根據(jù)進(jìn)氣壓力、出氣壓力和壓力比的分配，可得壓縮機(jī)的兩級分配情況（見表3）。

表3 壓縮機(jī)兩級名義進(jìn)、排氣壓力分配情況

2.2 各級排氣溫度

按照理想狀態(tài)，絕熱情況下，各級排氣溫度可用式（4）計(jì)算。

式（4）中：1T為進(jìn)氣溫度；2T為排氣溫度；ε為壓力比；k為絕熱指數(shù)。

絕熱指數(shù)是一種與氣體種類、溫度及壓力都有關(guān)系的理想氣體可逆絕熱過程的指數(shù)，一般情況下，單原子氣體的絕熱指數(shù) k= 1.66，雙原子氣體的絕熱指數(shù) k= 1.41，多原子氣體的絕熱指數(shù) k= 1.29。再液化系統(tǒng)BOG循環(huán)中的介質(zhì)為乙烯，化學(xué)式為 C2H4，屬于多原子氣體，故絕熱指數(shù)k近似取值1.29。由上文可知，壓力比 ε= 10。各壓力比 ε1和 ε2分別近似為3.3。由此，可計(jì)算出各級排氣溫度，具體見表4。

表4 各級名義排氣溫度

2.3 各級排氣系數(shù)

由于壓縮機(jī)工作壓力不高，故可按理想氣體處理。

2.3.1 排氣系數(shù)λ

排氣系數(shù)λ的計(jì)算式為

式（5）中：Vλ為容積系數(shù)；Pλ為壓力系數(shù)；Tλ為溫度系數(shù)；1λ為泄漏系數(shù)。

2.3.2 容積系數(shù)Vλ

容積系數(shù)Vλ的計(jì)算式為

式（6）中：α為余隙容積；m為膨脹系數(shù)。

余隙容積α的取值參考為：低壓級0.07～0.12，中壓級0.09～0.14，高壓級0.11～0.16。膨脹系數(shù)m的取值與絕熱系數(shù)k有關(guān)［5］，參考關(guān)系見表5。

根據(jù)表5可得Ⅰ級和Ⅱ級膨脹系數(shù)分別為 mI= 1.15， mII= 1.22。于是各級容積系數(shù)為： λVI= 0.847；λVΙI= 0.856。

表5 膨脹系數(shù)m與絕熱系數(shù)k的關(guān)系

2.3.3 壓力系數(shù) λP

該壓縮機(jī)工作壓力不大，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，壓力系數(shù)選取： λPI= 0.97， λPII= 0.98。

2.3.4 溫度系數(shù) λT

由于進(jìn)、排氣量及壓力比不大，根據(jù)壓力比與溫度系數(shù)的關(guān)系確定溫度系數(shù)為： λTI= λTII= 0.96。

2.3.5 泄漏系數(shù) λ1

根據(jù)相關(guān)資料和數(shù)據(jù)查表［6］，結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)要求，可得出泄漏系數(shù) λ1（見表6）。

表6 泄漏系數(shù)計(jì)算

綜合以上關(guān)于各級容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)等參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，代入式（5）得表7所示的結(jié)果。

表7 各級排氣系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.4 氣缸行程容積

氣缸行程容積公式［7-9］為

式（7）和式（8）中： μφ為凝析系數(shù)； μ0為加氣系數(shù)；λ為排氣系數(shù)； Vd為排氣量；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

凝析系數(shù) μφI取1， μφII取0.98；沒有級間抽氣的步驟，所以 μ0 I= μ0 II= 1；由表7可知，λI=0.768，λII=0.783；壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取 n= 450r/min 。

由船舶公司提供的數(shù)據(jù)知，排氣量 Vd= 9.48m3/min，故將以上數(shù)據(jù)代入式（7）和式（8）可得：VhI= 0.028 47m3； VhI I= 0.00912m3。

2.5 活塞桿直徑和氣缸直徑

2.5.1 活塞桿直徑

活塞桿直徑是確定壓縮機(jī)的重要參數(shù)，其大小是由最大氣體力來確定。最大氣體力和活塞面積是相關(guān)的，活塞面積公式［10］為

式（9）中： Vhk為氣缸行程容積；k取I或者II；S為活塞行程；Z為同一級的氣缸數(shù)。

Vhk在上一節(jié)中已經(jīng)求得；根據(jù)船舶公司提供數(shù)據(jù)得 S= 200mm， Z=1。將以上數(shù)據(jù)代入式（9）得：FI= 1428cm2； FII= 456cm2。

根據(jù)活塞面積的大小及兩側(cè)壓差，可以估算出該壓縮機(jī)的最大氣體力約為1.6×104N［11］。當(dāng)最大氣體力約為1.6×104N時(shí)，通過查表8可選活塞桿直徑 d= 35mm。

表8 活塞式壓縮機(jī)活塞力與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.5.2 氣缸直徑

氣缸是活塞式壓縮機(jī)的核心構(gòu)成部分，活塞桿在其中運(yùn)動(dòng)［12］。一般氣缸直徑的計(jì)算式為

式（10）中： Vhk為氣缸行程容積；k取I或者II；S為活塞行程；Z為同一級的氣缸數(shù)；d為活塞桿直徑。

將已知數(shù)據(jù)代入式（10），得： DI= 0.302 m ； DII= 0.172 m 。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，經(jīng)過查表可得氣缸公稱直徑為： DI=300mm； DII=300mm。

2.6 熱力計(jì)算結(jié)果匯總

1） 壓縮機(jī)級數(shù)：2級。

2） 壓縮機(jī)壓力及壓力比見表9。

表9 壓縮機(jī)壓力及壓力比

3） 各級排氣溫度：I級排氣溫度24.3℃，II級排氣溫度53.7℃。

4） 各級排氣系數(shù)：I級排氣系數(shù)λI=0.768，II級排氣系數(shù)λII=0.783。

5） 氣缸行程容積： VhI=0.02847m3， VhII=0.00912m3。

6） 排氣量： Vd= 9.84m3/min。

7） 電機(jī)轉(zhuǎn)速： n= 450 r/min 。

8） 活塞行程： S= 200 mm 。

9） 活塞桿直徑： d= 35 mm 。

10） 氣缸直徑： DI= 300 mm， DII= 300 mm 。

根據(jù)以上熱力計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合工程中實(shí)際情況、現(xiàn)場要求及船舶條件等情況，便可在現(xiàn)有壓縮機(jī)型號(hào)和品牌中選取合適的壓縮機(jī)。

3 結(jié) 語

對乙烯液化氣船再液化系統(tǒng)的BOG循環(huán)中的壓縮機(jī)進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，得出了相應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)：壓縮機(jī)級數(shù)、壓力分配、排氣溫度、排氣系數(shù)、氣缸行程容積、活塞桿直徑及氣缸直徑等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，可以在現(xiàn)有的壓縮機(jī)型號(hào)中配型。同時(shí)，也為乙烯液化氣船其他設(shè)備的選型提供了示范。

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Compressor Selection for the Re-liquefaction System of Liquefied Ethylene Gas Carrier

TONG Zheng-ming， HU Dong-liang， HOU Peng， HE Jun-cheng

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Ethylene production is an important criterion to measure the industrial level of a country but ethylene production locations are normally scattered unevenly and the supply and demand are not in the same place. As transportation of ethylene by traditional pipelines cannot meet the demands in every place， waterway has become one of the major ways for ethylene transportation and liquefied ethylene gas carrier is used because there are space limitations and cost requirements for the vessels to carry ethylene. Liquefied ethylene gas carrier should be equipped with re-liquefaction system to avoid the waste and the environmental pollution caused by evaporated ethylene gas. Compressor is a vital part of the system and its selection is very important. To attain the aim of a simple， efficient and energy-saving device， the compressor for the re-liquefaction system of ethylene gas carrier should be selected on the basis of the characteristics of the compressors and the results of accurate thermodynamic calculation for compressed stages，compressed pressures， exhaust temperatures， cylinder diameter， piston diameters， cylinder stroke volume as well as the actual situations onboard ethylene gas carrier.

ethylene gas carriers； re-liquefaction system； compressor； thermodynamic calculation； type selection

U664.5+1

A

2095-4069 （2016） 04-0027-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.007

2015-08-04

童正明，男，上海理工大學(xué)化工過程機(jī)械研究所副所長，教授，1955年生。主要從事?lián)Q熱器研發(fā)、換熱器性能測試、過程裝備系統(tǒng)集成、反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)方面的研究工作。