淺談LNG接收站BOG壓縮機(jī)平面布置及管道設(shè)計要點

牛存厚

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

淺談LNG接收站BOG壓縮機(jī)平面布置及管道設(shè)計要點

牛存厚

(中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

結(jié)合某LNG接收站的實例，對BOG壓縮機(jī)平面布置(plot plan)及管道設(shè)計的要點、注意事項進(jìn)行了闡述，對BOG壓縮機(jī)重點管道的管道布置和支架設(shè)置提出了合理的建議及后續(xù)思考。

LNG；BOG壓縮機(jī)；平面布置(plot plan)；管道布置；支架設(shè)置

LNG作為一種清潔、高效的能源，在中國是新興的能源應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。目前，國內(nèi)已投入使用、在建、擬建的液化天然氣(LNG)接收站在20座以上。這些LNG接收站均由七部分組成，即LNG卸料碼頭、LNG儲罐、LNG罐內(nèi)低壓泵、外輸高壓泵、LNG汽化器、BOG回收系統(tǒng)、公用工程及安全控制系統(tǒng)[1]。其中BOG(Boil-off Gas蒸發(fā)氣)回收系統(tǒng)是LNG接收站的關(guān)鍵組成部分，是接收站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)；科學(xué)合理的BOG處理工藝可達(dá)到降低成本、節(jié)約投資的作用。BOG壓縮機(jī)作為BOG回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有極其關(guān)鍵的作用，需要著重、系統(tǒng)地研究其管道布置要點。本文以某LNG接收站中BOG壓縮機(jī)為例，對其平面布置、管道設(shè)計的要點進(jìn)行了探討、總結(jié)。

1 BOG壓縮機(jī)概述

BOG壓縮機(jī)是LNG接收站BOG回收系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有如下主要特點[2]：

(1)壓縮的氣體是烴類氣體(主要為甲烷)，屬易燃、易爆氣體；

(2)進(jìn)口溫度低，約為-160℃，每一級壓縮級的出口溫度均要限制；

(3)要求高穩(wěn)定性，以滿足LNG接收站連續(xù)運(yùn)行的需要。

BOG壓縮機(jī)一般采用低溫往復(fù)式壓縮機(jī)，按API618等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、制造、試驗和檢驗。在實際的LNG接收站工程中，低溫往復(fù)壓縮機(jī)主要有立式迷宮密封式和臥式對置平衡式兩種。臥式機(jī)在平衡性、維護(hù)難易度及重心方面有優(yōu)勢，但立式機(jī)在使用壽命、可靠性和維護(hù)成本方面具備優(yōu)勢[2]。本接收站最終采用的是立式往復(fù)式的壓縮機(jī)，共兩級，一級氣缸設(shè)計吸氣溫度約-150℃；二級氣缸最大排氣溫度約50℃。

2 BOG壓縮機(jī)流程簡介

圖1 BOG壓縮機(jī)典型原則流程圖

圖1介紹了LNG接收站中典型的再冷凝工藝回收利用BOG的原則流程：來自LNG接收站BOG總管的BOG依次經(jīng)由減溫器(330-DT-01)降溫、BOG壓縮機(jī)入口分液罐(330-V-02)分液，BOG壓縮機(jī)(330-C-01A/B)加壓至一定壓力后送入再冷凝器(330-V-01)；從LNG儲罐輸出的LNG，一部分根據(jù)冷凝BOG所需量進(jìn)入再冷凝器，剩余部分通過再冷凝器旁路直接送至高壓外輸泵；再冷凝器將BOG與從儲罐輸送的LNG混合、換熱，使BOG降溫并最終冷凝成LNG。以本LNG接收站為例，BOG壓縮機(jī)入口管徑DN350，操作溫度-146/-97℃，操作壓力0.01～0.023MPa，設(shè)計溫度-196/65℃，設(shè)計壓力0.35MPa；經(jīng)過二級壓縮之后出口管徑DN200，操作溫度-33/52℃，操作壓力0.815～0.817MPa，設(shè)計溫度-196/140℃，設(shè)計壓力1.75MPa。

3 BOG壓縮機(jī)平面布置要點

圖2為本LNG接收站BOG壓縮機(jī)的平面布置，BOG壓縮機(jī)(0330-C-01A/B)敞開式布置在壓縮機(jī)廠房內(nèi)；壓縮機(jī)前設(shè)廠房前管廊；壓縮機(jī)入口分液罐(0330-V-02)布置于緊鄰壓縮機(jī)廠房的構(gòu)架內(nèi)；壓縮機(jī)附屬的水站、空冷布置于壓縮機(jī)外側(cè)地面上。結(jié)合上圖，歸納出BOG壓縮機(jī)平面布置的以下要點：

(1)BOG立式往復(fù)壓縮機(jī)為高度集成的撬裝式結(jié)構(gòu)，油站、儀表控制盤、氣缸、壓縮機(jī)平臺梯子等都撬裝在一個底板上，壓縮機(jī)落地安裝，壓縮機(jī)廠房內(nèi)無需設(shè)置二層平臺。

(2)BOG壓縮機(jī)壓縮介質(zhì)天然氣為易燃、易爆氣體，且密度比空氣輕，將壓縮機(jī)布置在敞開式的壓縮機(jī)廠房內(nèi)；廠房頂部設(shè)通風(fēng)設(shè)施，使廠房內(nèi)空氣流通，以便將釋放出的爆炸危險物質(zhì)迅速擴(kuò)散稀釋到爆炸下限以下。

(3)壓縮機(jī)廠房內(nèi)設(shè)置橋式吊車，滿足壓縮機(jī)安裝、檢修的需要，同時如圖2所示在廠房內(nèi)地面留出足夠的吊裝檢修空間；吊裝檢修空間應(yīng)正對進(jìn)出壓縮機(jī)廠房的通道。

(4)根據(jù)LNG接收站的運(yùn)行特點，一期工程開工之后全年365天保持運(yùn)行，在一期壓縮機(jī)廠房設(shè)計時，兼顧到二期預(yù)留壓縮機(jī)的布置要求，留有足夠的預(yù)留占地。

(5)橋式吊車選型考慮同時滿足一期、二期最大機(jī)型壓縮機(jī)的吊裝要求，壓縮機(jī)廠房的梁、柱的布置充分考慮二期廠房擴(kuò)建和橋式吊車導(dǎo)軌鋪設(shè)的要求；

(6)根據(jù)GB50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》5.2.2條的規(guī)定，可燃?xì)怏w壓縮機(jī)與甲A類工藝設(shè)備防火間距不應(yīng)小于9 m[3]。

圖2 BOG壓縮機(jī)平面布置圖

4 BOG壓縮機(jī)管道布置要點

BOG壓縮機(jī)作為一種低溫往復(fù)式壓縮機(jī)，在管道布置時與常規(guī)往復(fù)式壓縮機(jī)最大的區(qū)別在于壓縮機(jī)相關(guān)管線操作及設(shè)計溫度較低，對管道柔性的要求較常規(guī)壓縮機(jī)更為苛刻，壓縮機(jī)管道布置及支架設(shè)置需同時滿足管道柔性與管道防振的要求。若管系柔性過大，會在一定程度上加劇管道振動；而若管系柔性過小，則低溫工況下管道的冷縮容易導(dǎo)致管系二次應(yīng)力以及局部應(yīng)力過大，造成管系破壞；同時，彈簧的設(shè)置與否也是BOG壓縮機(jī)管系需重點考慮的因素之一，彈簧的設(shè)置一定程度上會加劇管道振動。

考慮到BOG壓縮機(jī)是一種立式往復(fù)式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時易造成管道的振動，振源大致可分為氣流脈動、機(jī)體自身機(jī)械振動以及共振等[4]。同時，BOG壓縮相關(guān)管道的設(shè)計最低溫度均考慮為-170℃(液態(tài)LNG的設(shè)計溫度)，管道均有低溫特性，在進(jìn)行管道規(guī)劃時，要求管系具有足夠的柔性以滿足管道應(yīng)力的要求，且由于低溫特性，部分管道支架有要求采用彈簧的可能，彈簧設(shè)置過多有可能引起管系局部振動的加劇。

因此，在進(jìn)行BOG壓縮機(jī)管道布置時應(yīng)注意的最基本要點，就是盡可能通過管系的自然形狀進(jìn)行冷縮補(bǔ)償，減少設(shè)置彈簧的可能。BOG壓縮機(jī)入口管道、出口管道及開工循環(huán)管道等盡可能布置在與壓縮機(jī)管嘴相同高度的平面內(nèi)，避免由于高差而設(shè)置彈簧支架的現(xiàn)象；并盡量避免某一方向直管段過長，通過合理而簡潔的補(bǔ)償彎解決管道的柔性問題。為了盡可能減少管系的振動，進(jìn)出口管道均應(yīng)優(yōu)先考慮沿地面敷設(shè)，并采用地面管墩的支撐形式，其他管道支架也應(yīng)盡量從地面生根，且應(yīng)將管道支架與壓縮機(jī)基礎(chǔ)、壓縮機(jī)廠房、壓縮機(jī)附屬管架分開設(shè)置。

在完成BOG壓縮機(jī)管道布置時，還應(yīng)注意與BOG壓縮機(jī)制造廠密切溝通，對于BOG壓縮機(jī)的管道布置、支架設(shè)置以及制造廠分析結(jié)果的理解等方面，均要與其達(dá)成一致，以保證BOG壓縮機(jī)可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

綜合考慮管道應(yīng)力與管道振動因素，本接收站BOG壓縮機(jī)最終管道布置如圖3所示，此管道布置方案得到了壓縮機(jī)制造廠脈動分析、振動分析以及應(yīng)力分析各方面的認(rèn)可。

圖3 BOG壓縮機(jī)管道典型布置圖

5 BOG壓縮機(jī)管道支架設(shè)置要點及思考

由于BOG壓縮機(jī)相關(guān)管道低溫冷縮位移與管系振動限制的矛盾，給BOG壓縮機(jī)管道支架設(shè)置帶來了很大難度與挑戰(zhàn)，對于每一個低溫管道支架，在滿足管道應(yīng)力分析要求的基礎(chǔ)上，盡可能采取能限制振動的支架形式。在壓縮機(jī)振動分析結(jié)果中，要求每一個支架都能夠限制管道的上下位移，以期盡可能減少管道振動。對于應(yīng)力分析中支架不存在向上位移或向上形變趨勢的支架，支架形式是可以取得一致并容易選用的；但對于應(yīng)力分析結(jié)果中部分支架存在向上位移或向上形變趨勢，此處支架就不能用常規(guī)的形式簡單實現(xiàn)；同理，對于振動分析結(jié)果要求限制某處管道徑向位移，而應(yīng)力分析結(jié)果要求允許橫向位移的支架，其形式同樣是需要經(jīng)過特殊考慮的。

本接收站中，解決此支架形式矛盾的有效辦法，是采用一種使用碟片的特殊支架，通過借用碟片的夾緊力，達(dá)到既限制管道振動、又使得管道在某方向可實現(xiàn)一定程度形變的目的，其關(guān)鍵在于碟片的恰當(dāng)選用及其夾緊力的選取。針對BOG壓縮機(jī)支架設(shè)置的難點，給未來BOG壓縮機(jī)管道布置及支架設(shè)置帶來了耐人深省的課題，應(yīng)充分研究開發(fā)能同時滿足防止振動與柔性設(shè)計要求的特殊支架；BOG壓縮機(jī)一級出口之后的操作溫度并不十分苛刻，但若考慮-170℃的設(shè)計工況，將使得管道應(yīng)力分析與振動分析的矛盾凸顯出來，如何在安全性和可實現(xiàn)性間權(quán)衡考慮管道的應(yīng)力計算溫度也是一個需要考慮的關(guān)鍵點。

6 結(jié) 語

以上對LNG接收站BOG壓縮機(jī)的功能、平面布置及管道布置等設(shè)計要點和注意事項進(jìn)行了闡述。合理的平面布置與管道布置對于BOG壓縮機(jī)的穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行有十分重要的作用。本文通過某接收站的設(shè)計經(jīng)驗，對BOG壓縮機(jī)管道支架設(shè)置提出了建議與思考，在國內(nèi)后續(xù)LNG接收站BOG壓縮機(jī)的管道設(shè)計中，應(yīng)更好地把握管道防振要求與柔性要求的矛盾點，使此工程難點妥善得到解決。

[1] 劉 浩,金國強(qiáng). LNG接收站BOG氣體處理工藝[J].化工設(shè)計,2006,16(1):13-16.

[2] 呂 俊,張昌維.LNG接收站BOG壓縮機(jī)處理能力計算及選型研究[J].化工設(shè)計,2011,21(1):14-16.

[3] 建設(shè)部.GB 50183-2004 石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2005.

[4] 李興林.往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)出口管道的設(shè)計與防振措施[J].當(dāng)代化工,2012,41(4):393-440.

(本文文獻(xiàn)格式：牛存厚.淺談LNG接收站BOG壓縮機(jī)平面布置及管道設(shè)計要點[J].山東化工,2017,46(11):132-134.)

Discussion of BOG Compressor Layout and Piping Design Key Points for LNG Receiving Terminal

NiuCunhou

(SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation,Luoyang 471003,China)

Combined with a LNG receiving station,key points and attention points of BOG compressor plot plan and piping design were described. Also reasonable suggestions and further thoughts of the BOG compressor piping layout and support setting were given.

LNG;BOG compressor;plot plan;piping layout;support setting

2017-05-19

牛存厚，高級工程師，現(xiàn)任該公司專業(yè)副總工程師，長期從事管道設(shè)計工作。

TQ051.21

B

1008-021X(2017)11-0132-03