新建大型LNG接收站BOG壓縮機選型研究

王衛(wèi)曉

北京燃氣集團（天津）液化天然氣有限公司，天津 300399

我國目前已投產的LNG接收站已有十幾座。近幾年，隨著國家能源政策調整，LNG接收站出現了第二次建設高峰，且建設規(guī)模呈現大型化發(fā)展趨勢，儲罐總罐容不斷增大。常壓下儲存在LNG儲罐中的LNG溫度為-162℃。LNG接收站日常運行中因儲罐漏熱、管道漏熱、裝槽車/裝船/卸料/泵送的熱輸入、大氣壓變化等因素而不斷產生蒸發(fā)氣（BOG）。BOG壓縮機作為BOG處理系統(tǒng)中的關鍵設備，用于保證儲罐壓力維持在一定范圍，保證接收站運行安全。由于BOG壓縮機是低溫壓縮機，價格十分昂貴且功率較大，為了降低貴重設備投資，提高設備利用率，降低投產后運行能耗，合理地選擇BOG壓縮機型式、單臺能力及配置數量十分重要，直接影響著投資成本及后期運行的經濟性[1]。

1 BOG處理工藝流程

按照儲罐的不同，液化天然氣接收站對BOG的處理工藝有直接輸出和再冷凝兩種方法。直接輸出法是將BOG壓縮到外輸壓力后直接送至輸氣管網，而再冷凝法是將BOG壓縮到較低的壓力與由LNG低壓輸送泵從LNG儲罐送出的部分LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加壓后處于過冷狀態(tài)，可以使BOG再冷凝，冷凝后的LNG經LNG高壓輸送泵加壓后外輸。因此，再冷凝法可以利用LNG的冷量，并減少了BOG壓縮功的消耗，節(jié)省了能量，接收站大多工況下均采用再冷凝工藝，流程如圖1所示。

圖1 再冷凝工藝流程

LNG接收站BOG壓縮機設計選型時需考慮諸多因素，壓縮機啟動初期存在最高溫度工況，壓縮機入口緩沖罐至壓縮機之間管道內積氣的氣體溫度范圍為-110～40.9℃，壓縮機需能夠在此溫度范圍短時間運行。正常操作工況時，入口溫度變化范圍為-162～-110℃，有時會達到-40℃，但壓縮機出口溫度均不能超過120℃，壓縮機必須能夠在入口溫度變化范圍內滿足卸船工況和不卸船工況及最大功率工況下不同成分BOG的處理要求，最大功率工況為考慮下游設備操作壓力波動時工況。另外，壓縮機開車階段有可能采用低溫氮氣對接收站主要管道進行預冷，所以壓縮機必須能夠處理壓力為10～20 kPa、溫度為-140～30℃的氮氣。

綜上所述，BOG壓縮機選型時需考慮以下幾個方面的因素：較寬范圍的入口溫度變化、多種操作工況下運行、滿足氮氣預冷時氮氣處理要求、低溫材料的應用[2-3]。

2 BOG壓縮機應用情況

我國第一批接收站大都在2008—2013年前后投產，前期接收站設計規(guī)模較小，最多配置4個16×104m3儲罐，壓縮機基本選用立式或臥式往復式壓縮機，具體應用情況見表1。從表1中可以看出：常規(guī)接收站吸入壓力在1.15 bar（1 bar=0.1 MPa）左右，排出壓力在8 bar左右，立式迷宮式壓縮機占據了國內接收站大多數市場，臥式活塞環(huán)式壓縮機僅有大鵬、上海、珠海LNG接收站使用。

表1 已投產接收站BOG壓縮機應用情況

立式迷宮式壓縮機占地面積相對較小，活塞運動方向與地面垂直，活塞與氣缸之間、活塞桿與填料之間采用非接觸迷宮式密封，壓縮機不存在活塞環(huán)、支撐環(huán)和氣缸套等易損件。壓縮機的立式設計使得十字頭重量不再作用在滑道上，降低了磨損。另外，壓縮機開機無需預冷，可以適應頻繁開停機的工況，操作程序簡單。迷宮式壓縮機具有較高的可靠性，但立式壓縮機重心較高，軸向力較大，需專用平臺維修，效率較臥式壓縮機低。

臥式活塞壓縮機占地面積相對立式壓縮機要大，活塞運動方向與地面水平，氣缸與活塞間的密封為環(huán)式，緊接觸、高摩擦、多道環(huán)密封，主填料與活塞桿的密封為高摩擦、抱緊式環(huán)式密封，活塞環(huán)、支撐環(huán)屬于易損件，根據不同廠家的制造工藝不同，其更換時間也不同，有的廠家能夠達到16 000 h，在實際運行中反饋的更換周期更長。臥式壓縮機對置的運動部件有較小重量差，且運動方式對稱，故其產生較小的慣性力差。對置的活塞之間軸距短，故其產生較小的力矩。相較豎直式壓縮機，水平式壓縮機的振動小很多。不同廠家對于臥式機開機預冷的要求也不同，部分臥式機開機前需預冷6 h，而日本相關公司臥式機采用快速啟動法，可以1 min內送出壓縮氣體，容量調節(jié)在15 min后可實現100%負荷進行，而高級快速啟動系統(tǒng)可在2 min進行任意容量調節(jié)。臥式機存在活塞桿下沉的問題，會因刮油環(huán)偏磨造成使用壽命縮短?；钊h(huán)和支撐環(huán)的磨損對于溫度十分敏感，溫度越高，磨損越快，臥式機后期維護成本高。

立式和臥式壓縮機根據氣閥開啟數量和余隙容積調節(jié)均能夠進行0%、25%、50%、75%、100%負荷調節(jié)。環(huán)式活塞與氣缸套間隙為0，迷宮式活塞與氣缸壁間隙為h。環(huán)式活塞與迷宮式活塞對比見圖2，立式與臥式BOG壓縮機具體技術對比見表2。通過對比可以看出，立式機和臥式機各有優(yōu)缺點，但鑒于立式機可靠性高、后期維護成本低的特點，我國第一批LNG接收站用戶大多數選擇了立式迷宮式壓縮機[4-6]。

表2 立式與臥式BOG壓縮機技術對比

圖2 環(huán)式活塞與迷宮式活塞對比

3 整體齒輪式BOG壓縮機應用分析

3.1 結構及工作原理

整體齒輪式BOG壓縮機（也稱多軸離心壓縮機）屬于離心壓縮機的一種，其設計有多根高速軸，帶有兩個葉輪的小齒輪軸圍繞中央大齒輪布置，兩個葉輪在小齒輪軸兩側反向布置，能夠很好地平衡軸向力。小齒輪通過與大齒輪嚙合傳動，單獨匹配所需轉速，讓每級葉輪運行在最佳轉速上，效率可以達到最佳，結構如圖3所示，主要部件包括葉輪、蝸殼、齒輪、擴壓器、中間冷卻器等。

圖3 整體齒輪式壓縮機外觀

工作原理是電動機帶動大齒輪轉動，大齒輪帶動小齒輪轉動，進而實現葉輪的高速旋轉，氣流在離心力的作用下被壓縮獲得動能，然后經過葉輪后的擴散器，動能轉化為壓力能，氣流的級間冷卻可以在每次葉輪排放后完成[7-9]。齒輪傳動結構分解如圖4所示。

圖4 齒輪傳動結構分解示意

3.2 適應性

國外相關機構已對不同類型的壓縮機應用范圍做過相關研究，并繪制了不同類型壓縮機典型應用區(qū)域圖，表明離心式壓縮機適用于中間流量范圍。整體齒輪式壓縮機在其應用流量壓力范圍內與往復式壓縮機相比，在液化天然氣接收站市場上是有競爭力的。整體齒輪式BOG壓縮機的應用范圍區(qū)域如圖5所示。

圖5 整體齒輪式BOG壓縮機應用范圍

從圖5可以看出：整體齒輪式壓縮機處理流量和所能達到的壓力，對BOG處理工況有很好的適應性。BOG處理量越大，對于整體齒輪式壓縮機葉輪直徑及轉速的設計越有利，壓縮機的整體性能越優(yōu)異。在氣量很小時，壓縮機在設計時選取的葉輪直徑也相對較小，而要達到一定的出口壓力需要設計高轉速，這對壓縮機的轉子及軸承會有很高的要求[10]。

3.3 負荷調節(jié)

LNG接收站實際運行中，BOG產生量與操作工況密切相關，其變化幅度也比較大，因此壓縮機在處理BOG氣體時經常遇到負荷調節(jié)的工況。整體齒輪式壓縮機進行負荷調節(jié)有兩種方式，擴大低流量操作范圍。一種是通過入口的入口導葉IGV，IGV與壓縮機出口流量進行聯鎖，中控系統(tǒng)根據壓縮機出口流量計反饋信號，對IGV進行控制，改變IGV葉片角度，進而改變進氣面積，達到調節(jié)流量的目的。另外一種通過第一級可調出口導葉VDV，將出口導葉設計成可轉動的，通過負荷調節(jié)信號，改變出口導葉角度，以改變葉輪出口氣流方向及氣流流通面積，進而適應不同流量的操作要求。VDV可以提供比IGV更大的節(jié)流范圍，但其設計比IGV更復雜，而且費用也更高。IGV流量調節(jié)通常能達到設計流量的60%，而VDV流量調節(jié)能夠達到設計流量的40%。在BOG處理時，對于更低負荷的流量調節(jié)，通常采用旁路的方式來進行，可以達到連續(xù)調節(jié)的目的[10]。

3.4 整體齒輪式BOG壓縮機與活塞式BOG壓縮機對比

整體齒輪式BOG壓縮機目前在國內尚無應用，但在國外接收站已有應用業(yè)績，主要生產廠家有阿特拉斯、西門子、韓華、埃利奧特等。針對LNG接收站BOG處理工況，這兩種壓縮機的使用各具特點。整體齒輪式BOG壓縮機結構緊湊，占地面積與同處理量的活塞壓縮機相比僅為活塞壓縮機的三分之一左右，并且整體質量小，對基礎的承載力要求不高。整體齒輪式BOG壓縮機由于運動部件少，因而其故障率低，可靠性高，另外沒有氣閥、活塞環(huán)、氣缸套、活塞桿及填料等易損件。在操作維護方面，整體齒輪式BOG壓縮機一般可以連續(xù)運轉3年，而往復式壓縮機一般每連續(xù)運轉一年就需要維護保養(yǎng)，前者更節(jié)省人工和費用，利于長期運行。整體齒輪式BOG壓縮機另一個優(yōu)點是振動非常小，這在接收站設計中非常重要，因為接收站中BOG壓縮機長期使用，其前后的管道都會受到壓縮機振動的影響，壓縮機在設計過程中都會做脈動分析，確保振動在可控范圍內，但由于各種原因，已投產的部分接收站中往復式壓縮機振動并不在理想范圍內，壓縮機前后的管道在長期振動影響下會出現疲勞現象，容易發(fā)生泄漏，而整體齒輪式壓縮機很好地解決了振動問題。LNG接收站中整體齒輪式BOG壓縮機一般采用三級壓縮，活塞式壓縮機采用兩級四缸，整體齒輪式BOG壓縮機與活塞式BOG壓縮機具體對比情況見表3[11]。另外，根據國外刊物相關統(tǒng)計，不同壓縮機可靠性對比如表4所示，整體齒輪式壓縮機可靠性最高。

表3 整體齒輪式BOG壓縮機與活塞式BOG壓縮機對比

表4 不同壓縮機可靠性對比

4 新建LNG接收站BOG壓縮機應用

新建LNG接收站單罐罐容20×104m3以上，最大達到27×104m3，總罐容均已達到200×104m3以上，具體見表5。

表5 新建LNG接收站罐容

對于新建的大型LNG接收站，BOG量較大，如果接收站全年外輸量穩(wěn)定，且最小負荷外輸量能夠滿足BOG處理要求，BOG流量變動較小，在相同的進出口壓力、進氣溫度的工況下，可以優(yōu)先選用整體齒輪式壓縮機，而且BOG處理量越大，整體齒輪式壓縮機的優(yōu)勢越明顯。對于立式迷宮式壓縮機，隨著BOG處理量增大，其設計的級數和每級氣缸數都有相應增加，但對于立式布置來說，這樣會增大機身的不穩(wěn)定性，增大振動量。另外，據了解立式壓縮機由于自身固有機型尺寸限制，制造超過15 t處理量的BOG壓縮機存在一定困難，而如果選用處理量小的壓縮機組，則在數量上需相應增多，導致增加占地面積。對于臥式活塞環(huán)式壓縮機，其處理量不受限制，可以滿足大BOG產生量的需求，但其易損件多，不利于操作維護。

綜上所述，對于處理大流量BOG氣體，且操作負荷調節(jié)變化幅度在60%～100%之間，下游有穩(wěn)定的輸出量，選擇整體齒輪式壓縮機有優(yōu)勢，雖然國內目前尚無應用業(yè)績，但韓國有相關應用業(yè)績可供參考，見表6[12-13]。

對比表6與表5，可以看出我國新建大型接收站規(guī)模與韓國已投產的平澤、三陟接收站相當，具備齒輪式壓縮機應用條件。

表6 韓國部分LNG接收站罐容

對于LNG接收站冬夏兩季外輸量變化大、操作工況變化頻繁的情況，BOG的產生量也會隨工況的改變而改變，整體齒輪式壓縮機在較小流量調節(jié)時，通常是通過打開旁路閥回流的方式，能耗較大。而往復式壓縮機通過開關氣閥、余隙容積調節(jié)等方式，對小流量工況有很好的適應性。因此，在接收站BOG流量變化較大且有小流量工況出現時，可以選擇立式或臥式活塞式壓縮機；但當接收站單臺BOG壓縮機設計處理量過大時，可以考慮選擇臥式壓縮機。

對于接收站大多數情況下BOG產生量穩(wěn)定且較大，只存在小概率BOG量變化的工況下，可以考慮整體齒輪式壓縮機和往復式壓縮機共同使用。韓國平澤LNG接收站共13臺BOG壓縮機，其中3臺為整體齒輪式壓縮機，其余10臺為往復式壓縮機，2011年投產了2臺整體齒輪式壓縮機，2017年投產了第三臺整體齒輪式壓縮機，并與其余往復式壓縮機并聯運行至今，狀態(tài)良好[14]。對于我國今后大型接收站的建設，在合適工況下也可選擇整體齒輪式壓縮機與往復式壓縮機并聯使用。

5 結論

新建大型LNG接收站的BOG壓縮機選型需要綜合考慮多方面因素，包括LNG接收站全年的操作工況、整體占地面積、項目投資、交貨期及后期操作維護費用等。通過以上對立式迷宮式壓縮機、臥式活塞環(huán)壓縮機以及整體齒輪式壓縮機從不同角度進行對比，分析了各自的優(yōu)缺點，對不同LNG接收站可結合實際，進行BOG壓縮機選型。隨著接收站大型化、下游外輸量穩(wěn)定、單臺BOG壓縮機設計處理量的提高，整體齒輪式壓縮機的應用前景十分廣闊。