小型LNG全容罐的BOG壓縮機選型方法

劉洋

（中石化上海工程有限公司，上海 200040）

LNG進入儲罐導致罐內(nèi)LNG體積變化，以及大氣壓變化、環(huán)境溫度、罐內(nèi)泵電機運轉等外界能量的輸入也稱作“漏熱”，會產(chǎn)生大量的LNG閃蒸氣（BOG），造成罐內(nèi)壓力的不穩(wěn)定，處理掉過量的閃蒸氣非常關鍵。處理閃蒸氣的核心設備是BOG壓縮機，在LNG儲運中起到重要作用。與大型LNG儲罐不同的是小型LNG全容罐的內(nèi)罐底板與外罐間有一定厚度的泡沫玻璃磚作為隔熱保冷，且外罐與基礎間的傳熱接觸面積較小，傳熱量較少，可忽略不計。主要考慮設備運行過程中不同工況時整個系統(tǒng)的閃蒸氣量，對閃蒸氣量的參數(shù)分析，計算出BOG壓縮機的預處理量，同時需根據(jù)項目實際情況對壓縮機在一次性投資成本、運行成本及現(xiàn)場安裝難易等多方面進行比對，從而進行壓縮機選型。

1 BOG壓縮機

目前市場上小型LNG儲罐實際的工程運用中，一般有立式迷宮密封式、臥式對置平衡式和螺桿式三種型式的壓縮機。

1.1 BOG壓縮機型式

立式迷宮密封式、臥式對置平衡式都是往復式壓縮機，是利用容積的改變使氣體壓縮，主要有以下特點：

（1）進氣溫度允許度高，可以承受低至-165 ℃的溫度。

（2）進出口壓差大，需采用多級壓縮實現(xiàn)較大的壓縮比。

（3） 潤滑型式采用無油潤滑。

（4）活塞運動速度較低：使用經(jīng)驗證實，較高的活塞運動速度對應較頻繁的氣閥開閉以及往復運動部件較大的慣性力，對活塞環(huán)及支撐環(huán)會造成較大的磨損，從經(jīng)濟性及安全性角度考慮，要求限制活塞平均速度。

以立式迷宮密封式壓縮機為例，一般由三部分組成：

氣缸內(nèi)壓縮密封形式為非接觸式迷宮密封，無需潤滑油，沒有活塞環(huán)、支承環(huán)等易損件；

機身內(nèi)轉動部分為全封閉無泄漏結構，曲軸上設置機械式氣密密封，介質氣體不會泄漏到大氣中，并設置活塞桿導向軸承確?；钊c氣缸間保持同軸度；

中間隔離段部分能防止曲軸箱潤滑油進入氣體壓縮部分，保證介質氣體不被潤滑油污染。迷宮密封保證了活塞和氣缸為非接觸式，因此工作表面沒有磨損，活塞運動速度也可相應提高。

另外還有螺桿式壓縮機近幾年的應用得到推廣。螺桿式壓縮機與往復式壓縮機都是利用容積的改變使氣體壓縮，相比較往復式壓縮機，螺桿式壓縮機具有以下主要特點：

螺桿式壓縮機適用流量相較往復式更大，適用范圍寬，單機壓縮在大壓比工況下仍有比較高的運行效率，雙級壓縮時，適用壓縮比更高（40以上）。螺桿式壓縮機具有效率高、系統(tǒng)簡單，運行穩(wěn)定可靠的特點，但入口溫度需提升至-50 ℃以上，雖配置高效油分離器、除油器但無法避免排氣含油的情況，在特定無油要求的工藝工況下不適用。

螺桿式壓縮機結構緊湊，整體撬塊占地面積小，比往復式占地面積能節(jié)省20% ～ 30%；

一般配置有獨立潤滑油泵進行強制潤滑，可有效防止殼體與轉子腐蝕，長期使用磨損小。

螺桿式壓縮機整機噪音更低。相較往復式壓縮機，螺桿式壓縮機易損件少，檢修周期更長，一般不小于2年，特殊配置可滿足30 000 h以上連續(xù)運行的要求。

螺桿式壓縮機主機采用機械密封，結構設計可靠，可保證在最惡劣工況下介質氣不泄漏，滿足安全運行的要求。

1.1.1 特點比較

從表1可以看出，臥式對置平衡式壓縮機與立式迷宮密封式壓縮機各有優(yōu)缺點。臥式機在維護難易度、重心方面占有優(yōu)勢，立式機在維護成本、可靠性方面具備優(yōu)勢。螺桿壓縮機不需要備用機，在維護難易度及重心方面具有優(yōu)勢。

表1 三種壓縮機特點比較Tab.1 Comparison of the characteristics of three compressors

1.1.2 運行成本比較

BOG壓縮機的選型除了要滿足工藝參數(shù)（處理量、進氣／排氣溫度、進氣／排氣壓力）外，還需要考慮一次性投資和后期運營成本等綜合因素。

立式機的一次性投資一般比臥式機高10% ～ 20%。三種壓縮機維護成本見表2（設立式機一次性投資為A）。

從表2可以看出，綜合購買成本、安裝成本及25年運行成本，螺桿壓縮機有一定優(yōu)勢。

表2 三種壓縮機運行成本比較Tab.2 Comparison of operating costs of three compressors

根據(jù)壓縮機的安裝特點、一次性投入成本及運行成本的比較。小型LNG全容罐較為適合使用螺桿壓縮機進行處理BOG。

2 BOG壓縮機處理能力計算及選型

BOG壓縮機處理能力計算一般是基于以下兩點：

（1）系統(tǒng)中產(chǎn)生的BOG全部被處理，沒有多余BOG需要通過火炬排放。

（2）BOG采用再冷凝工藝，經(jīng)冷凝后再氣化。

2.1 LNG儲罐閃蒸量計算公式

常用的LNG儲罐閃蒸量的計算公式有多種，但多數(shù)是以計算儲罐本身的蒸發(fā)率為主，不能反映多種工況下整個儲運系統(tǒng)的閃蒸氣量。本文采用考慮多種工況下整個儲運系統(tǒng)的閃蒸量計算公式[1]。

閃蒸氣量M為環(huán)境熱輻射產(chǎn)生的閃蒸氣m1、LNG產(chǎn)品進入儲罐產(chǎn)生的閃蒸氣m2、LNG產(chǎn)品通過泵進入槽車產(chǎn)生的閃蒸氣m3和LNG槽車預冷產(chǎn)生的閃蒸氣m4的總和。公式如下：

M=n·m1+a·m2+b·m3+c·m4[1]

式中n——儲罐數(shù)量；

a—— 裝置運行狀態(tài)，當裝置正常運行時a=1，裝置沒有運行時a=0；

b—— LNG裝車狀態(tài)，當LNG產(chǎn)品進行裝車時b=1，無裝車時b=0；

c—— 預冷槽車數(shù)量，根據(jù)正在預冷的槽車的確定數(shù)量，無預冷時c=0。

（1）環(huán)境熱輻射產(chǎn)生的閃蒸氣m1計算方法如下：

式中X——LNG儲罐容積，m3；

ρ1——LNG密度，kg/m3。

（2）LNG產(chǎn)品進入儲罐產(chǎn)生的閃蒸氣m2的計算方法如下：

m2=Yρ2

其中Y——LNG產(chǎn)品進入儲罐的流量，m3/h；

ρ2——20 kPa儲罐閃蒸氣密度，kg/m3。

（3）LNG產(chǎn)品通過泵進入槽車產(chǎn)生的閃蒸氣m3計算方法如下：

m3=Qρ2

其中Q——裝車泵流量，m3/h；

ρ2——20 kPa儲罐閃蒸氣密度，kg/m3。

（4）LNG槽車預冷產(chǎn)生的閃蒸氣m4的計算方法如下：

式中C——槽車內(nèi)氣體比熱，kJ/kg· ℃；

ρ3——槽車內(nèi)氣體密度，kg/m3；

V——槽車容積，m3；

t1——LNG產(chǎn)品儲存溫度，℃；

t2——空槽車溫度，℃；

H——LNG的焓，kJ/kmol；

M——LNG的分子量，kg/kmol；

T——單輛槽車預冷時間，h。

2.2 某項目基礎數(shù)據(jù)

國內(nèi)西北某煤化工企業(yè)采用煤制甲醇再制烯烴工藝，在甲醇反應生產(chǎn)烯烴的過程中會生成部分甲烷氣及氫氣。該企業(yè)擬采用深冷分離技術，通過對尾氣的分離和回收，回收氣體中的C2以上組分和LNG及氫氣等有顯著價值的產(chǎn)品。LNG儲運系統(tǒng)中產(chǎn)生的BOG氣體全部送至火炬系統(tǒng)，不考慮回收。

根據(jù)工藝物料平衡計算，LNG的產(chǎn)量4 m3/h；考慮節(jié)約占地面積，擬建1 000 m3的雙金屬全容罐及相應的BOG氣體系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)，工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 BOG氣體系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)，工藝流程Fig.1 BOG system & loading system of process flow diagram

LNG介質工藝數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 LNG介質工藝數(shù)據(jù)Tab.3 LNG medium process data

2.3 數(shù)據(jù)分析

（1）工況一：LNG罐1座，n=1，LNG罐容積X= 1 000 m3，LNG產(chǎn)品進罐流量Y= 4 m3/h，裝置停車檢修沒有運行，a= 0，無LNG槽罐車b= 0，無LNG槽車在預冷c= 0；

（2）工況二：LNG罐1座，n= 1，LNG罐容積X= 1 000 m3，LNG產(chǎn)品進罐流量Y= 4 m3/h，裝置正常運行，a= 1，無LNG槽罐車b= 0，無LNG槽車在預冷c= 0；

（3）工況三：LNG罐1座，n= 1，LNG罐容積X= 1 000 m3，LNG產(chǎn)品進罐流量Y= 4 m3/h，裝置正常運行，a= 1，有2臺LNG槽罐車正在裝車b= 2，有2臺LNG槽車在預冷c= 2；

故，m=n·m1+a·m2+b·m3+c·m4= 18.34 +8.4 + 210 + 225.2 = 461.94 kg/h

根據(jù)上述工況分析結果可以看出，該工程LNG儲罐投用后閃蒸氣生產(chǎn)量根據(jù)工廠情況可能在18.34 ～ 461.94 kg/h之間波動，即0.042 ～ 1.05 m3/h之間波動。

2.4 螺桿壓縮機功率計算分析

（1）必要的輸入條件：

① 壓縮機進口溫度T1、進口壓力P1、進口流量Q1；

② 壓縮機出口壓力P2；

③ 所用公式：T2=T1×ε（k-1）/k，k為壓縮機多變指數(shù)，ε為壓縮機的壓比。

（2）確定壓縮機各級壓比：

P1= 0.11 MPa；T1= 40 ℃；

出口排氣（絕壓）P2= 0.6 MPa；

總壓比ε=P2/P1= 5.45。

（3）排氣溫度：

按絕熱過程考慮，排氣溫度用下式：

T2=T1×ε（k-1）/k；

介質為LNG：k= 1.383；

T2= （273.15 + 40） × 5.450.383/1.383= 500.8 （K）

= 227 ℃；

如采用單級壓縮，出口溫度會達到227 ℃，對壓縮機本體機件損壞，甚至導致潤滑油變質。

（4）各級進、排氣壓力（絕壓）：

一級：P1（一級進口壓力）= 0.11 MPa；

P2（一級出口壓力）= 0.26 MPa；

二級：P1（二級進口壓力）= 0.26 MPa；

P2（二級出口壓力）= 0.6 MPa。

（5）各級排氣溫度：

按絕熱過程考慮，各級排氣溫度用下式：

T2=T1×ε（k-1）/k；介質為LNG：k= 1.383；

一級：T2=T1×ε（k-1）/k= 97.3 ℃；

二級：T2= T1×ε（k-1）/k= 195 ℃；

采用二級壓縮，出口溫度為195℃。

（6）計算功率，選取電機：

根據(jù)公式：W=P1×V1×[k/ （k-1） ]×ε（k-1）/k-1，

V1=λ（容積系數(shù)） ×Q1，單位m3/s；

螺桿機的容積效率λ= 實際容積流量/理論容積流量，此參數(shù)約為≥0.9，兩級壓縮總功率W=W1+W2，根據(jù)電機型號，匹配相應的電機。

根據(jù)上文計算結果，LNG的最大閃蒸量=1.05 m3/h×600 = 629 Nm3/h

W=W1+W2

=P1×V1× [k/ （k-1） ]×（ε（k-1）/k-1 +P2×V1×

[k/ （k-1） ]×（ε（k-1）/k-1

= 32.56 kW

根據(jù)計算結果，螺桿壓縮機的總功率為32.56 kW。

3 結束語

本文根據(jù)項目實例，通過對小型LNG全容罐閃蒸氣量計算、壓縮機型式對比、費用比較、功率計算步驟。準確地對BOG壓縮機進了選型。從而得到一種小型LNG全容罐BOG壓縮機的選型方法。