LNG裝置中BOG壓縮系統(tǒng)存在的問題分析與改進(jìn)

（康泰斯(上海)化學(xué)工程有限公司 上海 201203）

1.引言

隨著國內(nèi)液化天然氣（Liquified Nature Gas，簡稱：LNG）技術(shù)的發(fā)展和推廣，越來越多的LNG工廠相繼建成并投入運(yùn)行。LNG工廠中的閃蒸氣（Boil-off Gas，簡稱：BOG）主要來源于LNG儲(chǔ)罐和LNG灌裝站。產(chǎn)生的BOG需要回收，回收的BOG用途也不盡相同，目前主要有以下幾種：（1）用于分子篩干燥塔的再生；（2）至液化單元中的主換熱器中再液化；（3）外輸至下游管網(wǎng)。BOG的回收需要BOG壓縮機(jī)，BOG壓縮機(jī)一般采用噴油螺桿式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)，其中以噴油螺桿式壓縮機(jī)居多。本文主要討論噴油螺桿式壓縮機(jī)的情況。BOG經(jīng)BOG壓縮機(jī)抽吸后進(jìn)入到BOG壓縮機(jī)的入口，為防止低溫的BOG直接進(jìn)入到BOG壓縮機(jī)中，設(shè)有一臺(tái)BOG換熱器將低溫的BOG復(fù)溫至-20～-40℃左右，然后再進(jìn)入到BOG壓縮機(jī)中。壓縮后的BOG和潤滑油一起進(jìn)入到BOG壓縮機(jī)的油氣分離器中，將BOG和潤滑油進(jìn)行分離。分離出潤滑油的BOG依次通過BOG壓縮機(jī)出口冷卻器、二級(jí)油分離器、三級(jí)油分離器、除油碳床和碳粉過濾器后進(jìn)行回用。分離出BOG的潤滑油，通過潤滑油泵將潤滑油輸送至BOG壓縮機(jī)油冷卻器進(jìn)行換熱，降溫后的潤滑油經(jīng)BOG壓縮機(jī)油過濾器后再次進(jìn)入到BOG壓縮機(jī)中。BOG壓縮流程示意圖如圖1所示。

圖1 BOG壓縮流程示意圖

2.BOG壓縮機(jī)原有潤滑油系統(tǒng)存在的問題分析

(1)BOG壓縮機(jī)原有潤滑油系統(tǒng)

在原有的潤滑油系統(tǒng)中，來自BOG總管的BOG至BOG壓縮機(jī)中進(jìn)行增壓，增壓后的BOG至油氣分離器中進(jìn)行分離。分離出潤滑油的BOG依次通過空冷器、油分離器、除油碳床和粉塵過濾器后進(jìn)入下游。分離出BOG的潤滑油，經(jīng)潤滑油泵增壓后至BOG壓縮機(jī)油冷卻器，再經(jīng)油過濾器過濾后，返回至BOG壓縮機(jī)中。該工廠的BOG壓縮機(jī)采用撬裝，其中BOG壓縮機(jī)、油氣分離器、油泵、BOG壓縮機(jī)油過濾器、油分離器安裝在撬塊上，BOG壓縮機(jī)油冷卻器、BOG壓縮機(jī)出口冷卻器布置在壓縮機(jī)廠房外的管廊上，距地約20m。除油碳床和碳粉過濾器布置在壓縮機(jī)廠房內(nèi)部的地面上。其中，BOG壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)的流程如圖2所示。

圖2 BOG壓縮機(jī)原有潤滑油系統(tǒng)流程示意圖

(2)存在的問題分析

結(jié)合我司在內(nèi)蒙古的一座日處理能力為170,0000Nm3的液化天然氣工廠為例，對現(xiàn)有BOG壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析。該工廠采用的是YORK RWBⅡ1080型噴油螺桿式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)啟動(dòng)條件中，有一個(gè)條件為壓縮機(jī)啟動(dòng)后10秒內(nèi)需建立正常的油氣壓差，否則連鎖停機(jī)。油氣壓差為壓縮機(jī)的排氣壓力與噴油壓力的差值。油氣壓差過大，說明潤滑油的循環(huán)不通暢，噴油量不足。噴油量的不足，會(huì)嚴(yán)重影響B(tài)OG壓縮機(jī)的正常運(yùn)行，甚至?xí)p壞壓縮機(jī)?？梢?，保證潤滑油循環(huán)通暢，對BOG壓縮機(jī)的正常啟動(dòng)、運(yùn)行和機(jī)組安全都十分重要。

BOG壓縮機(jī)的潤滑油是通過潤滑油泵進(jìn)行循環(huán)的。BOG壓縮機(jī)啟動(dòng)后，由于當(dāng)?shù)囟镜沫h(huán)境溫度較低，平均溫度在-10℃左右，大部分的潤滑油管路布置在廠房外，且均做伴熱保溫，導(dǎo)致管路中的潤滑油溫度下降很快，潤滑油粘度變大，流動(dòng)性變差，導(dǎo)致潤滑油不能及時(shí)回流至壓縮機(jī)內(nèi)。潤滑油不能及時(shí)的回流，導(dǎo)致油氣分離器中的潤滑油油位降低，若低于油氣分離器內(nèi)置的電加熱器時(shí)，電加熱器則不能進(jìn)行加熱，只有長時(shí)間的等待讓留存在管路中的潤滑油緩慢地回流至壓縮機(jī)中，進(jìn)行下一次的加熱和循環(huán)。油氣分離器中的潤滑油油位降低，導(dǎo)致內(nèi)置的電加熱器不能持續(xù)的進(jìn)行加熱，進(jìn)一步延緩了潤滑油溫度的提升。目前在啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)前，需要通過電加熱器反復(fù)的加熱和潤滑油泵反復(fù)的循環(huán)潤滑油，使?jié)櫥凸苈返臏囟壬撸敝翝櫥突亓魍〞?，循環(huán)正常。同時(shí)，潤滑油管路的布置又存在較大的高度差，進(jìn)一步增加了潤滑油循環(huán)的難度。在冬季啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)的過程中，需要花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間使?jié)櫥脱h(huán)通暢。當(dāng)工廠有大量BOG需要回收時(shí)，BOG壓縮機(jī)又不能及時(shí)的正常啟動(dòng)進(jìn)行回收，BOG就只有排放至火炬，顯然這種情況是不可接受的。

根據(jù)以上的分析和討論，現(xiàn)有BOG壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)存在的問題主要有：①潤滑油的加熱過程不能保證持續(xù)性和其穩(wěn)定性，潤滑油的溫度提升緩慢；②潤滑油管路存在較大的高度差，增加了潤滑油循環(huán)通暢的難度。

3.針對BOG壓縮機(jī)原有潤滑油系統(tǒng)的改進(jìn)方案

(1)BOG壓縮機(jī)改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)

針對原有的潤滑油系統(tǒng)存在的問題，本次改進(jìn)將新增的設(shè)備和管線布置在壓縮機(jī)廠房外，并位于BOG壓縮機(jī)油冷卻器管廊正下方的地面上，大大降低潤滑油循環(huán)管路的高度差。在原有的潤滑油系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增一臺(tái)潤滑油/乙二醇換熱器和一套乙二醇循環(huán)系統(tǒng)。乙二醇循環(huán)系統(tǒng)包括一個(gè)乙二醇儲(chǔ)罐、兩臺(tái)乙二醇循環(huán)泵和若干管線管件等。與此同時(shí)，利舊BOG壓縮機(jī)原有的油冷卻器，用于乙二醇的降溫，設(shè)備名稱更改為乙二醇冷卻器，乙二醇冷卻器設(shè)置有旁路?？紤]到當(dāng)?shù)囟经h(huán)境溫度較低，選用55wt%的乙二醇溶液作為乙二醇循環(huán)系統(tǒng)的工藝介質(zhì)。

BOG壓縮機(jī)啟機(jī)前，通過乙二醇儲(chǔ)罐內(nèi)置的電加熱器和乙二醇循環(huán)泵，對潤滑油進(jìn)行加熱，可保證潤滑油的升溫速率和升溫穩(wěn)定性，使?jié)櫥拖到y(tǒng)快速建立正常的循環(huán)，達(dá)到快速正常啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)目的。

BOG壓縮機(jī)啟動(dòng)后，在壓縮過程中潤滑油的溫度會(huì)升高，在油氣分離器中分離出BOG的高溫潤滑油，通過潤滑油/乙二醇換熱器進(jìn)行降溫，降溫后的潤滑油再次返回到BOG壓縮機(jī)中。與高溫潤滑油換熱后的乙二醇溫度會(huì)升高，升溫后的乙二醇在乙二醇冷卻器中降溫，降溫后的乙二醇再次進(jìn)入到潤滑油/乙二醇換熱器中與潤滑油進(jìn)行換熱，達(dá)到降低潤滑油溫度的目的，保證返回至BOG壓縮機(jī)的潤滑油溫度正常和穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的長時(shí)間平穩(wěn)、安全運(yùn)行。改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)流程如圖3所示：

圖3 BOG壓縮機(jī)改進(jìn)后潤滑油系統(tǒng)流程示意圖

(2)改進(jìn)方案中相關(guān)設(shè)備的計(jì)算和校核

①潤滑油/乙二醇換熱器的選型和計(jì)算

本次改進(jìn)中，新增的潤滑油/乙二醇換熱器的設(shè)計(jì)工況，如表1：

表1 潤滑油/乙二醇換熱器的設(shè)計(jì)工況

結(jié)合設(shè)計(jì)工況和換熱器的設(shè)計(jì)原則，選取管殼式換熱器，換熱器的型式為BEM。其中，潤滑油走管程，乙二醇溶液走殼程。利用HTRI軟件進(jìn)行計(jì)算，最終換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：公稱直徑600mm；管子為φ15.875mm×1.651mm的碳鋼光滑管，長度4.5m，管心距為19.844mm，管子數(shù)為440，管程數(shù)為2，管子排列方式為30°；折流板為單弓形折流板，圓缺率25%，板間距為200mm。

②乙二醇冷卻器的校核

本次改進(jìn)中，原有的BOG壓縮機(jī)油冷卻器，為空冷式換熱器?，F(xiàn)用于乙二醇的降溫，為確保其能夠滿足工藝要求，需要在原有設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，采用HTRI軟件對乙二醇的降溫工況進(jìn)行核。冷卻乙二醇的校核工況如表2所示：

表2 乙二醇換熱器的校核工況

根據(jù)HTRI計(jì)算輸出的結(jié)果，面積余量達(dá)178%，空氣側(cè)的出口溫度為41.8℃，利舊的油空冷器滿足工藝的要求。

③乙二醇循環(huán)泵的選型和計(jì)算

工藝介質(zhì)為55%wt的乙二醇溶液，選用離心泵即可滿足工藝要求。

根據(jù)乙二醇管道的走向和管件數(shù)量，利用化工原理中相關(guān)的計(jì)算原理和方法，計(jì)算得出管道的阻力損失為7.5m，乙二醇冷卻器的阻力損失為14m，乙二醇的安裝高度為20m。故泵的揚(yáng)程為41.5m，考慮20%的余量，最終選用的泵揚(yáng)程為50m，額定流量為132000kg/h。按泵的效率85%考慮，選用的電機(jī)功率為21.5KW。

④乙二醇溶液儲(chǔ)罐的選型和計(jì)算

目前系統(tǒng)中的乙二醇循環(huán)量為132m3/h，按照乙二醇在儲(chǔ)罐中的停留時(shí)間3min計(jì)算，乙二醇儲(chǔ)罐的有效體積為6.6m3，總?cè)莘e為7.8m3，外形尺寸為ID2000×2480mm。儲(chǔ)罐的形式為固定頂平底罐。

4.BOG壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)改進(jìn)前后的效果分析

(1)改進(jìn)前后對潤滑油回油溫度的影響

從圖4中可以看出，改進(jìn)前的潤滑油系統(tǒng)，從潤滑油泵啟動(dòng)后的2個(gè)小時(shí)內(nèi)，潤滑油的回油溫度仍未達(dá)到30℃，潤滑油回油不通暢，未建立正常的循環(huán)；改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)，從潤滑油泵啟動(dòng)后的0.5個(gè)小時(shí)，回油溫度即可達(dá)到30℃，潤滑油的循環(huán)通暢。能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)，建立起潤滑油的正常循環(huán)，與采用具有一定溫度的乙二醇加熱潤滑油、改變潤滑油冷卻器的布置和對潤滑油管路進(jìn)行伴熱保溫很大的關(guān)系。改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)運(yùn)行情況，與改進(jìn)前有極大的改善。

圖4 潤滑油回油溫度隨時(shí)間的變化

(2)改進(jìn)前后對壓縮機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)間的影響

從圖5中也可以看出，改進(jìn)前的潤滑油系統(tǒng)，2小時(shí)內(nèi)都無法正常啟動(dòng)；改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)，潤滑油循環(huán)20分鐘后，壓縮機(jī)就可以正常啟動(dòng)。這主要得益于潤滑油的正常循環(huán)，使得油氣壓差可以快速、正常的建立。改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)，大大的縮短了壓縮機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。

圖5 BOG壓縮機(jī)正常啟動(dòng)與否隨潤滑油循環(huán)時(shí)間的變化

由于油氣分離器中的油位高低，是通過視鏡觀察到的，無法準(zhǔn)確定量討論。但可以定性的進(jìn)行說明，從實(shí)際的觀察結(jié)果來看。改進(jìn)前，潤滑油泵啟動(dòng)后，油位持續(xù)下降，在潤滑油泵停止后，油位上漲很緩慢，油位變化趨勢總體上層鋸齒形波動(dòng)，這主要是潤滑油泵間斷性啟停和潤滑油回油造成的。改進(jìn)后，油位在前一段時(shí)間內(nèi)下降，之后基本不變，說明潤滑油的供油和回油達(dá)到平衡，潤滑油已建立正常的循環(huán)。這一過程需要的時(shí)間，相對于改進(jìn)前來講，大大的縮短了。

5.結(jié)語

針對BOG壓縮機(jī)原有的潤滑油系統(tǒng)存在的問題，提出了潤滑油系統(tǒng)的改進(jìn)方案。從實(shí)際的應(yīng)用效果來看，改進(jìn)后的潤滑油系統(tǒng)可以快速的提高潤滑油溫度，使?jié)櫥突赜屯〞?，循環(huán)正常。在BOG壓縮機(jī)的啟動(dòng)中，油氣壓差正常建立，達(dá)到了一次啟機(jī)成功的設(shè)計(jì)目標(biāo)。與原有的潤滑油系統(tǒng)相比，可以節(jié)約大量的啟機(jī)時(shí)間，無論是在減少BOG的排放方面，還是BOG壓縮機(jī)的易操作性方面，都有著較大程度的改善和提升。對具有相同或類似問題的LNG裝置，具有一定的指導(dǎo)和參考意義。