大型LNG接收站BOG壓縮機(jī)的選型方案研究

侯偉平

（中海油南山（山東） 天然氣有限公司，山東煙臺 264010）

1 引言

蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas，簡稱BOG） 是LNG的一種衍生物。LNG接收站BOG的產(chǎn)生主要與外部熱量輸入、大氣壓力變化、儲罐初始充滿率以及翻滾分層等諸多因素有關(guān)[1]。大量BOG的產(chǎn)生會導(dǎo)致LNG儲罐內(nèi)部溫度升高，壓力增大，將對LNG接收站的正常運(yùn)營帶來極大的安全隱患[2]。當(dāng)BOG的流量遠(yuǎn)大于BOG壓縮機(jī)或者再冷凝器的處理能力時(shí)，過量的BOG將直接排至火炬燃燒，會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，合理的對BOG壓縮機(jī)進(jìn)行選型，對于保障LNG接收站的安全運(yùn)行及提升接收站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)效益等方面至關(guān)重要。因此，本文主要圍繞國內(nèi)某在建大型LNG接收站項(xiàng)目BOG壓縮機(jī)選型方案展開研究。

2 BOG壓縮機(jī)簡介

BOG壓縮機(jī)作為LNG接收站的核心運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，是整個(gè)接收站所有設(shè)備中技術(shù)要求、質(zhì)量要求、可靠性及維護(hù)管理要求最高的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備之一。BOG壓縮機(jī)的主要作用是處理LNG儲罐中產(chǎn)生的過量BOG蒸發(fā)氣，維持LNG儲罐內(nèi)部的壓力恒定。本文將針對國內(nèi)某大型LNG接收站項(xiàng)目BOG壓縮機(jī)的選型進(jìn)行對比研究，通過研究分析確定適用于該接收站項(xiàng)目的BOG壓縮機(jī)選型方案。

2.1 BOG壓縮機(jī)的分類

根據(jù)工作原理的不同，LNG接收站BOG壓縮機(jī)主要分為離心壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)2種類型；其中，往復(fù)式BOG壓縮機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，又分為立式迷宮式BOG壓縮機(jī)和臥式對置平衡式BOG壓縮機(jī)[3]。其特點(diǎn)對比如表1所示。

2.2 BOG壓縮機(jī)工作原理

（1）往復(fù)壓縮機(jī)屬于變?nèi)莘e型壓縮機(jī)，其主要的工作原理是原動(dòng)機(jī)通過撓性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)壓縮機(jī)的曲軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過十字頭將連桿與活塞桿連接，連接后的連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過十字頭轉(zhuǎn)化為活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后活塞桿將往復(fù)的推力不斷作用于活塞頭，使得活塞頭在壓縮機(jī)氣缸內(nèi)不斷的進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過膨脹、吸氣、壓縮、排氣4個(gè)沖程，實(shí)現(xiàn)對吸入壓縮機(jī)氣缸內(nèi)氣體的壓縮，并將增壓后的氣體排出[4]。多級往復(fù)壓縮機(jī)，通過將上一級壓縮排出的氣體吸入，在下一級壓縮機(jī)構(gòu)經(jīng)上述氣體壓縮過程，實(shí)現(xiàn)氣體的進(jìn)一步壓縮增壓。

（2）離心壓縮機(jī)屬于速度型壓縮機(jī)，其主要的工作原理是通過原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)軸上的各級葉輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對軸向吸入壓縮機(jī)內(nèi)的氣體做功，將氣體沿著葉輪徑向甩出，甩出氣體到達(dá)流通面積逐漸增大的擴(kuò)壓器流道內(nèi)，使得氣體的流速逐漸下降，壓力不斷升高，壓縮后的氣體沿著軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入下一級葉輪繼續(xù)被壓縮，直至壓縮氣體從壓縮機(jī)排氣口排出，整個(gè)壓縮過程是一個(gè)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為氣體壓力能的過程[5]。

2.3 BOG壓縮機(jī)的市場應(yīng)用

（1）目前已建成的國內(nèi)LNG接收站項(xiàng)目所配置的低溫BOG壓縮機(jī)皆為往復(fù)壓縮機(jī)，有立式迷宮式壓縮機(jī)、臥式對置平衡式壓縮機(jī)兩種類型。其中立式迷宮式壓縮機(jī)應(yīng)用較多。

（2）離心式BOG壓縮機(jī)在國內(nèi)接收站暫無應(yīng)用業(yè)績，同時(shí)也無相關(guān)的生產(chǎn)制造業(yè)績；但韓國某壓縮機(jī)公司研制的離心式BOG壓縮機(jī)在國外部分LNG接收站已有成功應(yīng)用的業(yè)績。2011年，韓國韓華壓縮機(jī)公司的第一臺低溫離心式BOG壓縮機(jī)研制成功，并代替之前的往復(fù)式BOG壓縮機(jī)被安裝應(yīng)用于韓國KOGAS平澤LNG接收站；后續(xù)增購2臺離心式BOG壓縮機(jī)，目前KOGAS平澤LNG接收站的BOG蒸發(fā)氣由3臺離心壓縮機(jī)與8臺往復(fù)壓縮機(jī)共同完成處理。2014年，韓國三陟LNG接收站（3座27萬m3儲罐） 的5臺BOG壓縮機(jī)全部采用離心式BOG壓縮機(jī)，投用運(yùn)行至今無明顯故障出現(xiàn)。

表1 立式迷宮式壓縮機(jī)與臥式對置平衡式壓縮機(jī)的特點(diǎn)對比

3 低溫BOG壓縮機(jī)選型研究

3.1 LNG接收站BOG生成工況分析

國內(nèi)某大型LNG接收站一期工程共建設(shè)6座22 m3LNG儲罐，根據(jù)LNG接收站的工藝設(shè)計(jì)原則，BOG壓縮機(jī)的單臺處理能力的設(shè)計(jì)主要是通過計(jì)算接收站在正常運(yùn)行情況下BOG最大的生成量來進(jìn)行確定。該大型LNG接收站項(xiàng)目BOG生成量的計(jì)算主要通過以下5種工況條件來進(jìn)行確定。在5種工況條件下BOG的生成量，如表2所示：

工況一：零外輸+無卸料+有槽車+有小船；

工況二：零外輸+有卸料+有槽車+無小船；

工況三：最大外輸+無卸料+有槽車+無小船；

工況四：最小外輸+無卸料+有槽車+有小船；

工況五：零外輸+無卸料+無槽車+無小船。

由上表可知，在零外輸+無卸料+有槽車+有小船的極端工況條件下BOG閃蒸汽的生成量最大，達(dá)到了34.04 t/h。

3.2 離心式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)對比分析

（1）從機(jī)械原理的角度分析，往復(fù)式BOG壓縮機(jī)有曲柄機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、十字頭以及活塞等諸多機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，且摩擦部件較多，易損件較多；而離心式BOG壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單軸設(shè)計(jì)，只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，由軸上裝配的不同級數(shù)的葉輪和對應(yīng)的擴(kuò)壓器組成，該類型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，易損件少。從機(jī)械原理角度分析得出，離心式壓縮機(jī)要優(yōu)于往復(fù)壓縮機(jī)，運(yùn)行維護(hù)成本更低。

（2）從運(yùn)行范圍的角度分析。往復(fù)式BOG壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的流量調(diào)節(jié)的范圍廣，屬于階梯型的流量調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)從0、25%、50%、75%、100%的5級流量調(diào)節(jié)；而離心式BOG壓縮機(jī)為了避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生，其流量調(diào)節(jié)范圍受到一定的限制，一般情況下離心式BOG壓縮可以實(shí)現(xiàn)62%～100%進(jìn)氣葉輪導(dǎo)片（IGV） 的自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)離心式BOG壓縮機(jī)的工況小于流量調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)范圍時(shí)，壓縮機(jī)上的回流閥門會自動(dòng)打開，進(jìn)行回流操作，以適應(yīng)調(diào)節(jié)范圍以外的各種工況條件。但在LNG接收站項(xiàng)目建成初期，BOG產(chǎn)生的量少，小于離心式壓縮機(jī)的流量調(diào)節(jié)范圍，雖可通過打回流的方式進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但能耗高，經(jīng)濟(jì)性差。因此，從設(shè)備運(yùn)行的角度出發(fā)，往復(fù)壓縮機(jī)的流量調(diào)節(jié)范圍廣，更具優(yōu)勢。

表2 5種工況條件下BOG的生成量

（3）從長周期穩(wěn)定運(yùn)行的角度分析，由于往復(fù)式BOG壓縮機(jī)的工作原理導(dǎo)致往復(fù)壓縮機(jī)的可靠性較低，故障率較高，容易出現(xiàn)設(shè)備故障影響接收站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此LNG接收站在設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，在選用往復(fù)式BOG壓縮機(jī)時(shí)，需對故障率進(jìn)行綜合考慮，并采購設(shè)置備用機(jī)組，很大程度上增加了接收站的投資成本，且往復(fù)壓縮機(jī)的檢修周期短，一般每半年時(shí)間就需要檢修并更換配件。而離心式BOG壓縮機(jī)工作運(yùn)行穩(wěn)定，一般可以連續(xù)工作5年以上，且有先進(jìn)的儀表系統(tǒng)對壓縮機(jī)進(jìn)行保護(hù)，其可靠性高。因而，在運(yùn)行穩(wěn)定性方面離心壓縮機(jī)更有優(yōu)勢。

（4）從調(diào)速運(yùn)行的角度分析，往復(fù)式BOG壓縮機(jī)一般無轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，若需要對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)多通過余隙調(diào)節(jié)或回流的方式進(jìn)行調(diào)速，而離心式BOG壓縮機(jī)配備有專門的變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用變頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，但變頻調(diào)速系統(tǒng)的增加也會導(dǎo)致離心式壓縮機(jī)整體成本的增加。

（5）從生產(chǎn)運(yùn)維和配件費(fèi)用的角度出發(fā)，往復(fù)式BOG壓縮機(jī)和離心式BOG壓縮機(jī)兩者的費(fèi)用相差甚大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，往復(fù)壓縮機(jī)3年（24000 h） 產(chǎn)生的維保和配件費(fèi)用在300～500萬/臺；而離心式壓縮機(jī)運(yùn)行5年（40000 h），產(chǎn)生的維保和配件費(fèi)用在30～50萬元/臺。其費(fèi)用對比如表3所示。

（6）從噪聲和振動(dòng)控制的角度進(jìn)行對比分析，離心式BOG壓縮機(jī)的性能要優(yōu)于往復(fù)式BOG壓縮機(jī)，噪聲值和振動(dòng)值對比如表4所示。

（7）從占地面積的角度出發(fā)對比分析，離心式BOG壓縮機(jī)占地面積遠(yuǎn)小于往復(fù)式BOG壓縮機(jī)的占地面積。其占地面積對比數(shù)據(jù)如表5所示。

4 結(jié)語

在LNG接收站項(xiàng)目投產(chǎn)初期，只投用1、2座LNG儲罐的情況下，采用離心式BOG壓縮機(jī)會出現(xiàn)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)的情況；當(dāng)投入3座或更多LNG儲罐后，隨著BOG量的增加，采用離心式壓縮機(jī)將具有諸多優(yōu)勢，為項(xiàng)目降低運(yùn)維費(fèi)用和提質(zhì)增效帶來好處。同時(shí)，離心式壓縮機(jī)占地面積小，安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)有利于項(xiàng)目降低投資成本。

表3 往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)運(yùn)維成本對比

表4 往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)噪聲與振動(dòng)對比

表5 往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)占地面積對比

目前市場上，離心式BOG壓縮機(jī)可以提供10～30 t/h的各種機(jī)型配置或更大的機(jī)型配置，選擇范圍廣，且設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、振動(dòng)小、檢修周期長；相反往復(fù)式BOG壓縮機(jī)一般最大處理量為12 t/h，且振動(dòng)大、噪聲大、檢修周期短。建議用戶方根據(jù)項(xiàng)目市場容量、總體罐容情況，比選優(yōu)化BOG壓縮機(jī)的選型，若項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模大，往復(fù)式BOG壓縮機(jī)和離心式BOG壓縮機(jī)的混合使用模式不失為一種最佳選擇。