大型液化天然氣壓縮機(jī)應(yīng)用流程分析研究

周慧，周彥焱(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110142)

1 LNG壓縮機(jī)的發(fā)展背景

液化天然氣(liquef ied natural gas，LNG)，其體積約為同量氣態(tài)體積的1/625，而質(zhì)量僅為同體積水的45%左右，具有便于儲存和運輸，特別是長距離運輸?shù)奶攸c。在天然氣液化的過程中，氣體內(nèi)部的水、惰性氣體、硫化氫、汞以及C5等烴類基本被脫出，燃燒時產(chǎn)生的溫室氣體只有煤炭的1/2，石油的2/3，被公認(rèn)為是未來世界普遍采用的燃料。近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，但由于全球天然氣分布不均勻，LNG已成為稀缺清潔能源，正逐漸成為世界油氣工業(yè)的新熱點。

2 國內(nèi)外LNG壓縮機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國外從20世紀(jì)初期開始有關(guān)LNG的研究。1910年，美國開始致力于工業(yè)規(guī)模的天然氣研究和開發(fā)工作。1941年，國際上首套調(diào)峰型天然氣液化裝置在美國克利夫建成，裝置處理能力約為0.23 Mt/a；1964年，阿爾及利亞建成了世界上第一套基本負(fù)荷型天然氣液化裝置，單線生產(chǎn)能力為0.36 Mt/a，裝置總產(chǎn)能1.1 Mt/a。到目前為止國際上主要的天然氣液化專利技術(shù)均掌握在Tecnip、Shell、AP、Linde、BV等國際公司手中，國際上已建和在建的陸地天然氣液化項目中約95%采用國外的工藝。其關(guān)鍵設(shè)備離心壓縮機(jī)的基本上被GE、ELLIOTT、西門子等國外公司所壟斷。20世紀(jì)80年代末，國外壓縮機(jī)的單線產(chǎn)能已經(jīng)可以達(dá)到2.6 Mt/a；90年代產(chǎn)能在2.5～3.3 Mt/a；從2000年開始，LNG裝置的單線生產(chǎn)能力又上了一個新臺階，多在3.3～5.2 Mt/a，其中最大的天然氣液化裝置位于中東的卡塔爾，單線產(chǎn)能達(dá)到7.8 t/a，采用的是美國AP公司的AP-X工藝，離心壓縮機(jī)的供應(yīng)商為美國GE。

中國液化天然氣工業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。20世紀(jì)80年代末開始小型天然氣液化裝置的試驗工作。上海于1999年在浦東地區(qū)建成國內(nèi)第一個調(diào)峰型天然氣液化裝置，規(guī)模為10萬方/天。2001年，河南中原綠能高科建成國內(nèi)首座商業(yè)化運營的天然氣液化裝置，規(guī)模為15萬m3/d。2005年至2015年是我國天然氣液化飛速發(fā)展的幾年，共建成液化裝置100多套，但規(guī)模多在50萬m3/d，最大為500萬m3/d，在規(guī)模上同國外相差懸殊。

3 LNG壓縮機(jī)工藝流程概述

3.1 基本工藝流程

液化天然氣是天然氣經(jīng)壓縮后，在-162 ℃下冷卻而成，因此在液化的過程中需要大量的冷量。目前國際上按照制冷方式的不同，主要存在3種基本形式，在此基礎(chǔ)上局部優(yōu)化和疊加殼衍生出更多更高效的液化流程。

3.1.1 級聯(lián)式制冷循環(huán)

根據(jù)某幾種單一制冷劑沸點的不同，利用一種制冷劑的汽化潛熱來冷凝另一種沸點較低的制冷劑，組成多個液化循環(huán)。這種制冷循環(huán)的制冷介質(zhì)通常選用甲烷、乙烯和丙烷，優(yōu)點是裝置能耗低、內(nèi)部制冷循環(huán)和天然氣液化系統(tǒng)相對獨立，互相間影響較小，操作穩(wěn)定；缺點是流程相對復(fù)雜、設(shè)備多，每一種制冷劑都需要生產(chǎn)和儲存的設(shè)備，并且每個制冷循環(huán)間不能有任何滲透，維修檢修不便。這種流程主要應(yīng)用于生產(chǎn)量較為穩(wěn)定的基本復(fù)合型天然氣液化裝置.

3.1.2 混合冷劑制冷循環(huán)

以多種烴類混合作為制冷工質(zhì)，根據(jù)烴類性質(zhì)的不同，經(jīng)冷卻后在不同溫度下冷凝分離、形成氣液混合冷劑和液態(tài)冷劑后，經(jīng)過分級節(jié)流進(jìn)入不同溫度梯度下的換熱設(shè)備，給天然氣提供冷量。這種制冷循環(huán)的優(yōu)點在于設(shè)備少、流程相對簡單、液化裝置整體投資少、操作和維護(hù)方便等優(yōu)點，同時制冷劑中的組分可部分或者全部從天然氣提取和補充，解決了缺乏冷劑的難題，并且在液化過程中單一冷劑的純度要求也沒有級聯(lián)式液化流程那樣嚴(yán)格；其缺點是能耗比級聯(lián)式液化流程高出15%～20%，對混合制冷劑各組分的配比要求嚴(yán)格，流程計算困難，多用于基本復(fù)合型然氣液化裝置。

3.1.3 帶膨脹機(jī)制冷循環(huán)

將制冷劑壓縮到高壓狀態(tài)，通過膨脹機(jī)膨脹吸熱來冷卻天然氣，達(dá)到液化的目的。整個制冷循環(huán)按照循環(huán)冷劑的不同，分為天然氣膨脹液化流程和氮氣膨脹液化流程，后續(xù)為了降低功耗，發(fā)展了氮—甲烷膨脹液化流程。帶膨脹機(jī)制冷循環(huán)比較適合用于液化能力較小的調(diào)峰型液化裝置。

3.2 雙循環(huán)混合冷劑制冷循環(huán)(DMR)

雙循環(huán)混合冷劑制冷循環(huán)(double mixed refrigerant，DMR)，此種工藝采用兩組制冷循環(huán)，預(yù)冷循環(huán)和深冷循環(huán)，并且兩種制冷循環(huán)的制冷介質(zhì)均為混合冷劑。預(yù)冷機(jī)組組分較重，將天然氣預(yù)冷到-35 ℃左右；深冷機(jī)組組分較輕，在深冷天然氣的同時為預(yù)冷機(jī)組提供以部分循環(huán)冷量。這種工藝具備級聯(lián)式制冷循環(huán)和混合冷劑制冷循環(huán)雙重優(yōu)點，逐級冷卻顯著提高制冷效率，同時避免了級聯(lián)制冷循環(huán)設(shè)備數(shù)量多、投資大的缺點，有效減少了裝置的監(jiān)測點和事故點，但是由于混合制冷劑組成復(fù)雜，制冷循環(huán)回路多，并且在開車過程中需要對冷劑進(jìn)行配比，開車難點較大，工藝控制精確度和復(fù)雜性增高。

4 LNG壓縮機(jī)技術(shù)難點及現(xiàn)場問題分析

4.1 LNG壓縮機(jī)技術(shù)難點

本文主要針對雙混合冷劑制冷工藝LNG壓縮機(jī)進(jìn)行難點分析。

4.1.1 介質(zhì)組成

混合冷劑的介質(zhì)組成主要有C1、C2、C3、C4以及少量的氮氣，重?zé)N含量較高，分子量較重，屬于容易壓縮的真實氣體，因此在壓縮過程中實際體積變化較大，對壓縮機(jī)葉輪入口馬赫數(shù)要求較高；并且混合冷劑的物性同空氣的物性相差較大，需要在氣動計算的過程中考慮理想氣體與實際氣體的區(qū)別，對計算結(jié)果加以修正。

4.1.2 運行條件

受介質(zhì)物性的影響，壓縮機(jī)單級壓比多在1.3～1.5之間，葉輪口圈和平衡盤密封兩側(cè)差壓大，泄漏量大，流場分布不均，泄漏氣體造成的激振力大；壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量大，造成壓縮機(jī)的功率較大；并且壓縮機(jī)內(nèi)部氣體密度較大等等，這些原因都是影響壓縮機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的不利因素，造成轉(zhuǎn)子本身抗干擾性能差，易產(chǎn)生氣體激振，對壓縮機(jī)現(xiàn)場運轉(zhuǎn)帶來不確定性和安全隱患。

4.1.3 運行范圍

受裝置調(diào)峰和冬夏季環(huán)境溫度不同的影響，天然氣液化裝置的操作范圍多為50%～110%，并且在實際運轉(zhuǎn)過程中混合冷劑的配比同設(shè)計值會有一定的偏差，因此對壓縮機(jī)的適應(yīng)性要求較高，特別是壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式的節(jié)能性要求。正是由于LNG壓縮機(jī)在介質(zhì)組成、運行條件和運行范圍三方面存在區(qū)別于其他壓縮機(jī)的技術(shù)難點，設(shè)計過程中設(shè)計能力和經(jīng)驗不足，致使國產(chǎn)LNG壓縮機(jī)在實際運行過程中頻頻出現(xiàn)問題。

4.2 LNG壓縮機(jī)運行現(xiàn)狀分析

2009年，海南海燃高新能源有限公司在內(nèi)蒙古磴口承建了規(guī)模為30萬m3/d的天然氣液化裝置，采用混合冷劑作為制冷介質(zhì)，并采購了首臺國產(chǎn)混合冷劑壓縮機(jī)組。2010年，陜西延長石油集團(tuán)采購了國產(chǎn)第二臺混合冷劑壓縮機(jī)組，迄今為止國內(nèi)廠家共成套了100多臺混合冷劑壓縮機(jī)組。隨著這些壓縮機(jī)組的陸續(xù)運轉(zhuǎn)，用戶現(xiàn)場出現(xiàn)了一系列的問題，暴露出國產(chǎn)LNG壓縮機(jī)設(shè)計能力不足和設(shè)計經(jīng)驗欠缺的缺點，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

(1)性能不準(zhǔn)確。在氣動計算過程中忽略真實氣體和理想氣體的差別，?；O(shè)計時對性能的修正考慮不全面，造成計算參數(shù)和實際運行參數(shù)間存在一定的偏差；另外，LNG壓縮機(jī)出廠前沒有對壓縮機(jī)進(jìn)行性能檢測，提供的預(yù)期性能曲線不能真實的反應(yīng)壓縮機(jī)的實際性能，造成用戶現(xiàn)場壓縮機(jī)實際運行點嚴(yán)重偏離設(shè)計點。

(2)壓縮機(jī)效率低于國外同類機(jī)組。以陜西延長石油集團(tuán)的LNG裝置為例，該裝置整體規(guī)模為100萬m3/d，采用兩條線并聯(lián)的方案，一條線采購ELLIOTT生產(chǎn)的壓縮機(jī)，另一條線采購國內(nèi)生產(chǎn)的壓縮機(jī)，在天然氣處理量均為50萬m3/d的前提下對國內(nèi)外LNG壓縮機(jī)進(jìn)行對比，其中ELLIOTT壓縮機(jī)的電機(jī)驅(qū)動功率為7 300 kW，而國產(chǎn)壓縮機(jī)的電機(jī)驅(qū)動功率為7 500 kW，國產(chǎn)機(jī)組功耗明顯高于國外機(jī)組。

(3)極易發(fā)生氣體激振。以內(nèi)蒙古磴口國產(chǎn)第一臺混合冷劑壓縮機(jī)組為例，該機(jī)組在現(xiàn)場開車過程中，壓縮機(jī)出口壓力一旦超過某個特定壓力值，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)支撐軸承振動幅值開始逐漸增大，此時若下調(diào)壓縮機(jī)出口壓力振幅值逐漸降低，若繼續(xù)保持振動幅值會持續(xù)增大至聯(lián)鎖停機(jī)，而振動頻率為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率的一半，排除壓縮機(jī)喘振、管路振動以及基礎(chǔ)振動，最終確定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生氣體激振。

5 結(jié)語

通過對LNG壓縮機(jī)存在的技術(shù)難點和運行現(xiàn)狀的詳細(xì)分析，不難發(fā)現(xiàn)，制約國內(nèi)LNG壓縮機(jī)發(fā)展的因素主要有3點，即壓縮機(jī)實際運行效率偏低、性能偏差大以及氣體激振問題。