整體齒輪式壓縮機(jī)在LNG接收站中的適用性分析

姜 良 張文國(guó) 李志權(quán) 邵 晨 范吉全

中國(guó)寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100020

0 前言

近年來,我國(guó)對(duì)天然氣的需求量日益增加,國(guó)家每年都在沿海及周邊地區(qū)投入大量LNG接收站建設(shè)[1]。液化天然氣(LNG,Liquefied Natural Gas)易閃蒸,在操作過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣(BOG,Boiling Off Gas),需要使用壓縮機(jī)將其加壓后回收利用,目前國(guó)內(nèi)LNG接收站工程廣泛采用往復(fù)式壓縮機(jī)[2]。隨著接收站規(guī)模越來越大,需要處理的BOG氣量也越來越大,多臺(tái)大型往復(fù)式壓縮機(jī)組并聯(lián)成為一種必然選擇,但這種配置也在占地、維護(hù)、調(diào)節(jié)等方面暴露出一些缺陷,而且綜合消耗水平也比較高。另外對(duì)一些新型接收站工程,如浮式LNG、FSRU等,壓縮機(jī)組布置在船上等空間受限區(qū)域,占地的大小也在一定程度上限制了裝置規(guī)模的增長(zhǎng)。而在韓國(guó)、日本等一些國(guó)家的LNG接收站工程中已有部分開始使用整體齒輪式壓縮機(jī)解決該問題。整體齒輪式壓縮機(jī)(IGC，Integrally Geared Compressor)是一種多軸離心壓縮機(jī),轉(zhuǎn)速高、做功能力強(qiáng),非常適合用在氣量比較大、壓力不太高的領(lǐng)域。探索在我國(guó)LNG接收站工程中采用整體齒輪式壓縮機(jī)作為BOG壓縮機(jī),具有較好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)意義。

1 LNG接收站工藝流程及特點(diǎn)

LNG接收站用于儲(chǔ)存和外輸LNG,根據(jù)外輸方式可分為直接加壓外輸或再冷凝外輸工藝,典型再冷凝外輸工藝流程見圖1。液相LNG首先通過卸船臂(卸船設(shè)施)從船上儲(chǔ)罐輸送至接收站儲(chǔ)罐儲(chǔ)存,需要外輸時(shí)通過罐內(nèi)泵輸送至再冷凝器,再經(jīng)高壓外輸泵加壓后進(jìn)入氣化器氣化外輸;液相LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后會(huì)置換出儲(chǔ)罐內(nèi)原有的BOG,同時(shí)操作過程也會(huì)閃蒸出大量的BOG,這些BOG一部分經(jīng)氣相臂(卸船設(shè)施)返回船上儲(chǔ)罐以維持壓力平衡,另一部分由BOG壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入再冷凝器液化。直接加壓外輸工藝則是將再冷凝過程改為直接外輸,其他與再冷凝工藝流程基本相似[3-5]。

圖1 再冷凝外輸工藝LNG接收站流程圖Fig.1 Flowchart of LNG receiving terminal re-condensation process

LNG是一種極易揮發(fā)的液體,在日照、環(huán)境溫度、大氣壓變化及裝卸船/槽車、泵運(yùn)行、液體翻滾等過程都會(huì)產(chǎn)生大量的BOG,其中影響最大的過程是環(huán)境吸熱和卸船工況,呈現(xiàn)出季節(jié)性和周期性變化規(guī)律。裝置中的BOG除去用于全廠壓力平衡的部分,其余大部分都通過壓縮機(jī)處理[4],因此接收站工程中的BOG壓縮機(jī)通常會(huì)有多個(gè)氣量差別較大的工況,而且每個(gè)工況氣量也會(huì)小幅度變化。大型LNG儲(chǔ)罐一般采用常壓設(shè)計(jì),罐內(nèi)閃蒸BOG通過總管進(jìn)入壓縮機(jī),壓縮機(jī)入口壓力通常比較穩(wěn)定;再冷凝工藝壓縮機(jī)出口壓力應(yīng)與冷凝壓力匹配,而直接加壓外輸工藝則根據(jù)不同的管網(wǎng)需求確定,不管采用哪種工藝,都希望壓縮機(jī)出口壓力穩(wěn)定,以保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。部分接收站工程BOG壓縮機(jī)工藝參數(shù)見表1。由表1可以看出BOG壓縮機(jī)處理能力和壓力等級(jí),也可以粗略看出接收站規(guī)模越大,壓縮機(jī)需要處理的BOG氣量也越大。

表1 部分接收站工程BOG壓縮機(jī)工藝參數(shù)表Tab.1 Process parameters of BOG compressor in some receiving terminals

儲(chǔ)罐內(nèi)直接蒸發(fā)的BOG溫度約-160 ℃,在輸送過程中BOG會(huì)因管道吸熱而逐漸升溫,特別是在長(zhǎng)期停轉(zhuǎn)的備用壓縮機(jī)管線內(nèi),甚至?xí)咧两咏h(huán)境溫度;而裝船工況時(shí)BOG溫度則會(huì)在-60～-40 ℃左右?？梢奓NG接收站中BOG壓縮機(jī)入口溫度范圍很寬。

綜上所述,LNG接收站工程中BOG壓縮機(jī)主要有如下操作特點(diǎn):極低溫度下運(yùn)行;存在多個(gè)氣量工況點(diǎn),每個(gè)工況點(diǎn)下氣量也小幅度波動(dòng);入口壓力穩(wěn)定,但入口溫度變化大;要求出口壓力穩(wěn)定。

2 整體齒輪式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

整體齒輪式壓縮機(jī)又稱多軸離心壓縮機(jī),最早于1948年由德馬格公司設(shè)計(jì)而成,用于解決汽車行業(yè)空氣供給問題。自問世以來,整體齒輪式壓縮機(jī)憑借其占地小、效率高以及調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)得到了迅速推廣[6]。整體齒輪式壓縮機(jī)主要由大齒輪、小齒輪、高速軸、低速軸、葉輪和蝸殼等部件組成,典型結(jié)構(gòu)見圖2。驅(qū)動(dòng)機(jī)通過低速軸驅(qū)動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),再由大齒輪帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),小齒輪軸獲得極高的轉(zhuǎn)速,葉輪布置在小齒輪軸兩側(cè)。工作時(shí)旋轉(zhuǎn)的葉輪將工藝氣體吸入,氣體在離心力的作用下獲得動(dòng)能,然后擴(kuò)壓器進(jìn)一步將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?最后經(jīng)蝸殼收集后排出[7-8]。

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖a)Internal structure drawing

整體齒輪式壓縮機(jī)小齒輪與高速軸一體鍛造成型,大齒輪則與低速軸過盈配合,葉輪布置在高速軸兩側(cè),通過大小齒輪嚙合獲得極高轉(zhuǎn)速,每一個(gè)葉輪就是一級(jí)。因?yàn)榭臻g和效率的原因,目前大多數(shù)廠家最多設(shè)計(jì)四根高速軸和八個(gè)葉輪,即八級(jí)壓縮。相比于單軸多級(jí)離心壓縮機(jī),這種設(shè)計(jì)每根高速軸都獨(dú)立布置,可以根據(jù)葉輪性能設(shè)計(jì)不同轉(zhuǎn)速;而且兩個(gè)葉輪反向布置在高速軸兩側(cè),可以消除大部分不平衡力,整體平衡性較好,因此機(jī)組性能更好。國(guó)內(nèi)外許多制造廠、研究人員也對(duì)進(jìn)一步提高機(jī)組使用性能展開了大量研究工作[9-12]。

整體齒輪式壓縮機(jī)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜、技術(shù)難度高,特別是多齒輪—多轉(zhuǎn)子—多軸承的復(fù)雜耦合軸系系統(tǒng),導(dǎo)致機(jī)組動(dòng)力學(xué)特性復(fù)雜、制造和設(shè)計(jì)難度較大,容易產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲等故障[13-16]。目前世界范圍內(nèi)投產(chǎn)的整體齒輪式壓縮機(jī),特別是工藝用的,主要由阿特拉斯、西門子、勝達(dá)因等國(guó)外制造廠提供,而國(guó)內(nèi)制造廠僅在空分行業(yè)有一定業(yè)績(jī),整體市場(chǎng)占有率很低,國(guó)產(chǎn)化水平較低。

3 整體齒輪式壓縮機(jī)適用性分析

3.1 選型

LNG接收站選用壓縮機(jī),首先需要壓力和流量滿足工藝需求,能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)需要具有較好的經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)性。各類壓縮機(jī)吸入體積流量—排出壓力范圍見圖3,結(jié)合前文接收站工程壓縮機(jī)參數(shù)要求,可以看出往復(fù)式壓縮機(jī)和整體齒輪式壓縮機(jī)都適合一些BOG壓縮機(jī)的參數(shù)范圍,但往復(fù)式壓縮機(jī)更適合小流量、高壓力工況,而整體齒輪式壓縮機(jī)適合大流量、中低壓力工況[2,5]。值得一提的是,雖然從工作區(qū)間看,單軸多級(jí)離心壓縮機(jī)也能勝任部分工況,但此類壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低,單級(jí)做功能力較弱,通常需要很多的壓縮級(jí),機(jī)組軸系較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資巨大,因此幾乎沒有應(yīng)用。

圖3 各類壓縮機(jī)流量—壓力使用范圍圖Fig.3 Flow-pressure range of all types of compressors

3.2 流量

如圖3所示,整體齒輪式壓縮機(jī)可以在大吸入流量(3 000～300 000 m3/h)范圍內(nèi)工作，也可以使用流量系數(shù)來驗(yàn)證其通流能力。公式(1)、(2)為ISO 5389—2005Turbo-Compressors-Performance Test Code對(duì)流量系數(shù)的定義[17],可見吸入流量跟圓周速度和葉輪直徑有很大關(guān)系,壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為保證一定的效率,都需要選用合適的數(shù)值。以流量系數(shù)0.12,圓周速度300 m/s和350 m/s為例,對(duì)不同直徑和轉(zhuǎn)速葉輪通流能力進(jìn)行測(cè)算,結(jié)果見表2。

表2 某壓縮機(jī)流量估算表Tab.2 Flowrate calculation of a compressor

(1)

(2)

從表2可以明顯看出,整體齒輪式壓縮機(jī)有很寬的流量范圍,而且更適合在大流量區(qū)間工作。壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),為保證一定的出口壓力,葉輪輪緣周速不能太慢,這時(shí)候如果要獲得小流量就需要選用小直徑的葉輪,導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速極高,給轉(zhuǎn)子和軸承的設(shè)計(jì)、制造帶來巨大影響,因此在現(xiàn)有規(guī)模比較小的接收站工程中,鮮有整體齒輪式壓縮機(jī)的使用;當(dāng)接收站規(guī)模變大,需要處理的BOG氣量也越來越大,整體齒輪式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、輪徑均在設(shè)計(jì)最佳范圍內(nèi),整體性能較好,而如果選用往復(fù)式壓縮機(jī)則只能多臺(tái)并聯(lián)使用。

3.3 排出壓力

排出壓力也是BOG壓縮機(jī)的關(guān)鍵參數(shù),選用整體齒輪式壓縮機(jī)必須能夠滿足接收站的使用需求。公式(3)～(6)為葉輪多變能量頭系數(shù)[6,18-19],表征葉輪的做功能力,可據(jù)此測(cè)算機(jī)組排出壓力。以某四級(jí)整體齒輪式壓縮機(jī)為例,各級(jí)葉輪圓周速度分別設(shè)計(jì)為350 m/s、350 m/s、300 m/s和300 m/s,多變效率為85%,能量頭系數(shù)為0.5,分子量取18 g/mol,絕熱指數(shù)1.37,可計(jì)算出機(jī)組各級(jí)排出壓力見表3。

表3 某壓縮機(jī)排出壓力估算表Tab.3 Discharge pressure calculation of a compressor

(3)

(4)

(5)

(6)

從表3測(cè)算結(jié)果可知,該機(jī)組排出壓力一級(jí)可達(dá)到約0.282 MPa.a,二級(jí)可達(dá)到約0.574 MPa.a,三級(jí)可達(dá)到約0.886 MPa.a,四級(jí)可達(dá)到約1.464 MPa.a。同樣,如果為八級(jí)壓縮最高壓力約在4 MPa.a,這與LNG接收站工程中所需要的排出壓力也基本匹配。從表3也可以看出隨著入口溫度的升高,即便同樣高效的葉輪可實(shí)現(xiàn)壓比也逐漸降低,要實(shí)現(xiàn)更高的壓力需要更多級(jí)的葉輪,因此整體齒輪式壓縮機(jī)不太適合超高排出壓力工況,對(duì)于此種工況,可以采用接力壓縮的方式實(shí)現(xiàn)。

3.4 負(fù)荷調(diào)節(jié)

LNG接收站工程中BOG壓縮機(jī)需要在多個(gè)工況下工作,機(jī)組必須具有很好的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性。對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī),一般都通過卸荷器和余隙閥實(shí)現(xiàn)0、25%、50%、75%、100%五檔調(diào)節(jié),對(duì)于要求更高的機(jī)組則需要配置昂貴的無極負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng),系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。整體齒輪式壓縮機(jī)因?yàn)楠?dú)立葉輪的結(jié)構(gòu),可以配置可調(diào)入口導(dǎo)葉(IGV,Inlet Guide Vane)和可調(diào)出口導(dǎo)葉(DGV,Discharge Guide Vane),具有很好的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性,配合旁路調(diào)節(jié)基本可以在全流量范圍內(nèi)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。對(duì)于整體齒輪式壓縮機(jī),因?yàn)閺?fù)雜齒輪系統(tǒng)的原因,并不推薦采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

3.4.1 可調(diào)入口導(dǎo)葉

可調(diào)入口導(dǎo)葉[6,18]就是在葉輪前設(shè)置可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)流葉片,通過導(dǎo)葉的開合進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié),某機(jī)組入口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)曲線見圖4。研究表明可調(diào)入口導(dǎo)葉有閥門和氣流預(yù)旋兩種作用,導(dǎo)葉關(guān)閉角度不大時(shí)預(yù)旋起主要的調(diào)節(jié)作用,而關(guān)閉角度增大以后閥門作用明顯,非常節(jié)能。這種調(diào)節(jié)方式可以在維持出口壓力不變的情況下,沿著曲線向左調(diào)節(jié)至喘振線流量,效率的減少也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于往復(fù)式壓縮機(jī)效率的減少。

a)可調(diào)入口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)a)IGV structure

3.4.2 可調(diào)出口導(dǎo)葉

離心壓縮機(jī)采用有葉擴(kuò)壓器不僅比采用無葉擴(kuò)壓器效率更高,還可采用可調(diào)出口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)[6,18],某機(jī)組可調(diào)出口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)曲線見圖5?？烧{(diào)出口導(dǎo)葉將擴(kuò)壓器葉片設(shè)計(jì)成可轉(zhuǎn)動(dòng)的,以適應(yīng)不同流量下的來流方向,使機(jī)組壓力曲線可在大范圍內(nèi)近似平行移動(dòng),而效率變化不大。

綜上,整體齒輪式壓縮機(jī)負(fù)荷可以在大范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié),而出口壓力不變,對(duì)于流量不停波動(dòng)的BOG壓縮機(jī)具有很好的適用性,比往復(fù)式壓縮機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)性能更好。

3.5 溫度及其它使用問題

LNG接收站BOG壓縮機(jī)必須適應(yīng)低溫工況。整體齒輪式壓縮機(jī)葉輪和殼體等過流部件都可以采用不銹鋼材料,整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。往復(fù)式壓縮機(jī)氣缸和活塞需要采用高鎳低溫球鐵[20],相比之下整體齒輪式壓縮機(jī)材料的加工、制造技術(shù)都非常成熟,低溫工況運(yùn)行時(shí)零部件的冷縮變形、隔冷以及軸端密封的配置都更容易實(shí)現(xiàn),適合在低溫工況下運(yùn)行。

同其它壓縮機(jī)一樣,整體齒輪式壓縮機(jī)入口溫度變化也會(huì)影響其做功能力,而且影響更大。從上文3.3節(jié)分析可知,級(jí)入口溫度升高,就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組升壓不夠,溫度變化越大這種影響越大。為了應(yīng)對(duì)接收站工程入口溫度變化問題,可以在入口設(shè)置減溫器或急冷器,保證機(jī)組入口溫度始終保持在穩(wěn)定范圍內(nèi),機(jī)組始終在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

a)可調(diào)出口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)a)DGV structure

BOG是一種易燃、易爆氣體,必須保證使用的安全性。整體齒輪式壓縮機(jī)可以配置干氣密封,杜絕工藝介質(zhì)與大氣之間的泄露,而且可以長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行,極大地減少維護(hù)工作。

3.6 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例介紹

在韓國(guó)、日本等國(guó)家的部分LNG接收站工程中已有整體齒輪式壓縮機(jī)應(yīng)用,根據(jù)一些國(guó)際知名制造廠提供的應(yīng)用實(shí)例見表4,可以看出大多機(jī)組流量比較大、排出壓力不太高,這些機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、表現(xiàn)良好。

表4 部分國(guó)外接收站工程應(yīng)用實(shí)例表Tab.4 References of some foreign LNG receiving terminal

3.7 與往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)比分析

往復(fù)式壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī),利用活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)氣缸容積變化壓縮氣體,按照結(jié)構(gòu)可以分為臥式活塞環(huán)和立式迷宮兩種形式。兩者區(qū)別主要在于活塞運(yùn)動(dòng)方向以及活塞與氣缸的密封方式,在技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性方面差別不太大[20-21],本文以臥式活塞環(huán)選型為例進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)某一接收站工程中BOG壓縮機(jī)選用整體齒輪壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)的具體對(duì)比見表5,機(jī)組吸入流量5 800 m3/h,入口壓力0.12 MPa.a,排出壓力1.1 MPa.a。

表5 整體齒輪式與往復(fù)式壓縮機(jī)選型對(duì)比表Tab.5 Comparison of integrally geared compressor and reciprocating compressor

由表5數(shù)據(jù)可見,對(duì)于此BOG壓縮機(jī),選用整體齒輪式壓縮機(jī)占地小、重量輕,對(duì)于地面和平臺(tái)的要求也比較低,可以極大地減少工程用地的投入;可以整體橇裝到貨,安裝簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定,噪音和振動(dòng)小;易損件也較少,可以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行,后期維護(hù)費(fèi)用也較低,機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好。當(dāng)接收站規(guī)模越大時(shí),這種優(yōu)勢(shì)越明顯。但是由于整體齒輪式機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化水平較低,基本需要依賴進(jìn)口,而且每個(gè)葉輪都需要干氣密封,一次投資也比較高,提高機(jī)組國(guó)產(chǎn)化水平是提高競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。

4 結(jié)論

整體齒輪式壓縮機(jī)通過齒輪傳動(dòng),葉輪在高速下運(yùn)轉(zhuǎn),使得機(jī)組在具有單軸離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、通流能力大等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),做功能力也很強(qiáng),機(jī)組布置緊湊、占地小、重量輕,可以替代部分往復(fù)式壓縮機(jī)組作為BOG壓縮機(jī),在接收站規(guī)模進(jìn)一步增大時(shí)這種優(yōu)勢(shì)將更加明顯,具有很好的適用性。機(jī)組的應(yīng)用推廣也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)其國(guó)產(chǎn)化水平的提高,推動(dòng)國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)行業(yè)和天然氣行業(yè)的發(fā)展,對(duì)于國(guó)家節(jié)能降耗、提高能源綜合利用率具有很高的應(yīng)用價(jià)值。