往復式與離心式蒸發(fā)氣壓縮機在液化天然氣接收站的應用選型分析

郝思佳，許佳偉，宋 坤，范嘉堃

（中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028）

液化天然氣（LNG）具有安全環(huán)保、危害可控及熱值較高的特點，同時可以作為管道天然氣的有益補充。近年來LNG 行業(yè)發(fā)展迅速，我國加強了LNG 接收站產(chǎn)業(yè)布局，以提高儲氣調(diào)峰能力，增強能源保供［1］。LNG 在儲存、運輸過程中，不可避免會和外界產(chǎn)生熱交換。外界能量（如環(huán)境溫度、大氣壓等）引入以及設備在進出料過程中壓力變化時的閃蒸等因素，會導致LNG 氣化產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣（BOG）［2］。BOG 壓縮機是LNG 接收站中的關鍵設備，能夠有效處理BOG 并對其增壓，其作用是經(jīng)濟有效地回收各種工況與外界環(huán)境影響時產(chǎn)生的過量BOG，維持LNG 儲罐和接收站系統(tǒng)的壓力平衡［3］。BOG 具有低溫、低壓和氣量波動的特點，對處理BOG 的設備材料和結構有嚴格要求，處理設備應具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性［4-5］。目前，在國內(nèi)外建成的大型LNG 接收站中，處理BOG 的設備主要包括往復式BOG 壓縮機和離心式BOG 壓縮機［6］。

1 BOG 處理工藝

BOG 處理主要采用直接輸出和再冷凝2 種工藝。直接輸出工藝一般利用BOG 低壓壓縮機和高壓壓縮機組合將BOG 加壓至外輸壓力后直接輸送至管網(wǎng)，該工藝適用于LNG 接收站運行初期［7］。再冷凝工藝是將BOG 經(jīng)BOG 低壓壓縮機加壓后進入再冷凝器與過冷的LNG 進行冷量交換，BOG 全部被液化后經(jīng)高壓泵加壓、氣化器氣化后外輸。再冷凝工藝整體功耗較低，但需要足夠的氣態(tài)外輸量作為保障[8]。目前國內(nèi)LNG 接收站有2 種BOG 處理工藝兼顧的案例，以滿足多變的外輸工況。

2 BOG 壓縮機簡介

2.1 往復式BOG 壓縮機

往復式BOG 壓縮機通過活塞做功，使一定容積的氣體有序地吸入和排出氣缸，以提高其壓力。往復式BOG 壓縮機適應壓力范圍廣，機組一次性投資成本低，但機組結構復雜、易損件多。而且往復式BOG 壓縮機流量控制不連續(xù)，功率損失較大。當前道供氣工藝、后續(xù)流程等需求出現(xiàn)波動時，需要調(diào)節(jié)壓縮機的流量。一般減小BOG 氣量的調(diào)節(jié)方式主要有進氣閥卸荷調(diào)節(jié)、余隙容積調(diào)節(jié)和旁通調(diào)節(jié)等［9］。相比這些傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)方式，在壓縮機氣閥上增加氣量無級調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)10%～100%流量連續(xù)調(diào)節(jié)，不過該系統(tǒng)投資昂貴，尚未普及應用［10］。LNG 接收站常用低溫無油往復式壓縮機（圖1），根據(jù)結構和密封形式不同，分為臥式對置平衡式壓縮機（以下簡稱臥式機）和立式迷宮密封式壓縮機（以下簡稱立式機）2 種。立式機在工藝流程、現(xiàn)場安裝條件等方面具有優(yōu)勢，在20世紀80年代開始應用在LNG 低溫領域［11］。臥式機和立式機的主要區(qū)別在于活塞運動形式和密封形式的不同，其特點見表1。

表1 低溫無油往復式BOG 壓縮機特點

圖1 低溫無油往復式BOG 壓縮機實物

2.2 離心式BOG 壓縮機

離心式BOG 壓縮機通過高速回轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功，使氣體獲得動能、靜壓能和內(nèi)能，并通過擴壓器進一步提升氣體的靜壓能。目前LNG 接收站中使用的為整體齒輪離心式BOG 壓縮機，其實物見圖2。

圖2 整體齒輪離心式BOG 壓縮機實物

離心式BOG 壓縮機由增速齒輪組驅(qū)動，在齒輪傳動系統(tǒng)中，電機通過大齒輪驅(qū)動各級葉輪旋轉(zhuǎn)。葉輪安裝在小齒輪軸兩端的懸臂伸出端，每個葉輪可配置相應的進口、擴壓器和蝸殼，構成單級［12］。整體齒輪離心式BOG 壓縮機具有壓縮級數(shù)少、操作彈性大及能耗低的優(yōu)點，但是機組一次性投資成本較高。

離心式BOG 壓縮機排出氣量連續(xù)，為了確保其在經(jīng)濟、平穩(wěn)可靠的范圍內(nèi)運行，可進行氣量調(diào)節(jié)，具體方式有進出口節(jié)流、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和可調(diào)進/ 出口導葉調(diào)節(jié)等［13］。

離心式壓縮機性能曲線代表著壓縮機的運行工作狀態(tài)，是指導壓縮機日常操作的依據(jù)之一。根據(jù)離心式壓縮機工作原理可知，離心式壓縮機需在穩(wěn)定工作區(qū)域——喘振邊界線和堵塞邊界線中間的區(qū)域工作［14］。不同入口導葉開度時韓國某離心式壓縮機的排氣壓力-氣量曲線見圖3（其它離心式壓縮機性能曲線變化趨勢與此類似）。由圖3 曲線看出，當考慮上述流量調(diào)節(jié)方式作用時，進口導葉開度越大，曲線變化越急劇，氣量變化范圍越?。?5］。離心式壓縮機在多級串聯(lián)工作時，穩(wěn)定工況范圍比單級的更窄［16］。這說明離心式BOG 壓縮機在實際運行時流量不易調(diào)節(jié)，容易發(fā)生喘振和堵塞現(xiàn)象。

圖3 不同入口導葉開度時離心式壓縮機排氣壓力-氣量特性曲線

3 BOG 壓縮機選型原則

3.1 離心式和往復式BOG 壓縮機選型原則

3.1.1 離心式BOG 壓縮機

進行BOG 壓縮機選型時，應當結合LNG 接收站項目的自身需求及特點，滿足工藝適用性、經(jīng)濟性等要求。

從技術上分析，離心式BOG 壓縮機利用水力部件做功實現(xiàn)氣體增壓，氣體連續(xù)壓縮、無壓力脈動。離心式BOG 壓縮機的運動部件較少，備品備件消耗少，故障率低，機組連續(xù)運轉(zhuǎn)（通常每5 a進行一次大修），具備良好的可靠性和穩(wěn)定性。離心式BOG 壓縮機的穩(wěn)定工況區(qū)域比較窄，通過變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、入口/ 出口導葉等調(diào)節(jié)方式，流量可達到壓縮機負荷的65%～110%。離心式BOG 壓縮機葉輪尺寸可以制造得很大，在LNG 接收站中單臺離心式BOG 壓縮機處理量一般大于10 t/h，但氣量調(diào)節(jié)范圍小。

從現(xiàn)場安裝與經(jīng)濟性分析，離心式BOG 壓縮機設計緊湊，占地面積?。ò惭b面積約為往復式BOG 壓縮機的30%），對基礎和廠房配套設施要求低。而且離心式BOG 壓縮機運輸?shù)浆F(xiàn)場時為整體撬裝，無需特殊安裝平臺，現(xiàn)場安裝調(diào)試所需時間為1～2 個月，節(jié)約了成本。雖然離心式BOG 機組一次性投資成本較高，但綜合考慮，投資成本仍得以節(jié)約。

3.1.2 往復式BOG 壓縮機

從技術上分析，往復式BOG 壓縮機工作依靠容積變化、活塞做功，排氣壓力可至高壓和超高壓。單個設備處理量受限于氣缸容量，處理能力一般低于12 t/h。通過入口氣閥卸荷調(diào)節(jié)和余隙容積調(diào)節(jié)可使壓縮機負荷實現(xiàn)0%—25%—50%—75%—100%的流量控制，但會產(chǎn)生氣流脈動［17］。壓縮機的強烈振動不僅會使運動部件磨損，也會造成管線振動甚至破損泄漏［18］。而且往復式BOG 壓縮機的活塞密封件需頻繁更換，備品、備件消耗較大，機組復雜，維護較難。

從現(xiàn)場安裝與經(jīng)濟性分析，往復式BOG 壓縮機占地面積較大，為分體式安裝，需在現(xiàn)場進行管道配置。根據(jù)以往經(jīng)驗，安裝周期一般為3～4 個月。對于進口設備來說，國外廠商服務按天計費，費用高昂。

離心式和往復式BOG 壓縮機對比見表2。

表2 離心式和往復式BOG 壓縮機對比

3.1.3 離心式與往復式BOG 壓縮機并聯(lián)

在國內(nèi)LNG 接收站已建項目中，BOG 壓縮機以往復式壓縮機為主。2020年之前，我國LNG 接收站一般采用的是容量16 萬m3標準儲罐，正常外輸運行工況下BOG 的產(chǎn)出量在6 t 左右，很難達到離心式壓縮機穩(wěn)定工況下對應的工作流量（大于10 t/h）。而往復式壓縮機處理量一般小于10 t/h，其處理能力和負荷調(diào)整靈活性可以滿足LNG 接收站項目初期需求。雖然離心式壓縮機流量大、運行穩(wěn)，而且在安裝成本、占地面積和維護上優(yōu)勢明顯，但其價格高、流量調(diào)節(jié)能力較弱，在一定程度上限制了整體齒輪離心式BOG 壓縮機在LNG 接收站的應用。

隨著我國LNG 核心技術迭代優(yōu)化，以及LNG接收站儲氣量達到設計年接收能力10%的政策要求，國內(nèi)LNG 接收站新建和擴建項目中呈現(xiàn)出LNG 儲罐（儲罐容量超過20 萬m3）超大型、一次性建設數(shù)量超過4 座（甚至形成10 余座儲罐群）的特點。目前，中國海油鹽城“綠能港”在建的6 座27 萬m3LNG 儲罐是全球單罐容量最大的LNG 儲罐。隨著LNG 接收站整體接收能力的逐漸增強，BOG 處理量也逐步增大，這為較大處理能力的離心式BOG 壓縮機提供了合適的應用場所。

對于新建儲罐總容量超過80 萬m3、BOG 正常工況處理量達到10 t 左右的LNG 接收站來說，在不卸船的工況下，1 臺離心式BOG 壓縮機即可滿足處理量要求。離心式BOG 壓縮機在國外接收站有少量應用案例，應用場合大多為液化廠和LNG船。在韓國平澤LNG 接收站，BOG 的峰值流量為156 000 m3/h（標準狀態(tài)），選擇了離心式與往復式壓縮機并聯(lián)運行。自2011年調(diào)試成功以來，已經(jīng)平穩(wěn)運行至今。通過發(fā)揮往復式壓縮機負荷調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢，既可滿足項目投產(chǎn)前期BOG 處理量變化頻繁且產(chǎn)量較小的需求，又可在供氣量和BOG 產(chǎn)量穩(wěn)定后直接以離心式壓縮機處理BOG。離心式壓縮機的處理能力大，且運行可靠，可在額定工況下連續(xù)運行，而往復式壓縮機則作為流量波動調(diào)節(jié)使用。

3.2 臥式機和立式機選型原則

從技術上分析，臥式機的對置水平結構有利于活塞力的平衡，但是其密封元件（活塞環(huán)、支撐環(huán)等）容易損環(huán)。為了防止過度磨損零件，需要限制活塞的速度，這在一定程度上保證了壓縮機機組的平穩(wěn)性和可靠性。立式機的活塞力傳導至基礎時振動大，平衡性差［19］。根據(jù)迷宮式密封原理可以知道，迷宮內(nèi)部氣體速度越大，密封效果越好［20］。因此，相比于臥式機，立式機線速度、轉(zhuǎn)速和出口溫度較高，機組的啟停對壓縮機的可靠性影響較小。

從經(jīng)濟上分析，立式機采用非接觸式密封，氣缸內(nèi)無滑動磨損部件，備件主要有氣閥元件和填料環(huán)，消耗低，維修費用低，但活塞需要整體更換，且機組投資費用高。臥式機投資費用低，維護周期為立式機的2～3 倍，但活塞密封件需要定期頻繁更換。總體來說，臥式機在平衡性、維護程度及設備價格方面具有優(yōu)勢，處理能力及效率也優(yōu)于立式機，但磨損部件更換頻繁，后期維護費用高。立式機在可靠性及維護成本方面具有優(yōu)勢，由于非接觸密封的型式和特點，備品、備件數(shù)量少，適用于低溫工況各種氣體介質(zhì)，因此立式機在國內(nèi)LNG 接收站應用率更高。

4 BOG 壓縮機選型案例分析

以某LNG 接收站項目為例，對BOG 壓縮機選型作進一步分析。

該項目一期階段總共建造有1 座16 萬m3和2 座3 萬m3的LNG 全容儲罐，現(xiàn)場安裝了2 臺6 t/h 低壓往復式壓縮機和3 臺5 t/h 高壓往復式壓縮機，并預留接口，現(xiàn)場均采用立式迷宮密封式BOG 壓縮機。項目二期新建6 座22 萬m3LNG儲罐，屆時該LNG 接收站最小BOG 產(chǎn)生量將超過30 t/h。若是以往復式壓縮機為主，單臺12 t/h處理量基本達到該型式壓縮機的上限，需要通過增加設備數(shù)量來增加處理能力。但考慮到項目投資費用、場地空間和備品備件等因素，單純選用往復式壓縮機對于該項目的可靠平穩(wěn)性、經(jīng)濟性有一定的影響。

結合該項目BOG 壓縮機的初始配置情況，針對項目二期及遠期階段壓縮機的配置方案為，考慮增加1 臺6 t/h 往復式壓縮機（安裝在項目一期的預留接口）和3 臺16.5 t/h 齒輪離心式壓縮機，2 種類型的壓縮機并聯(lián)運行。其中，6 t/h 往復式壓縮機與項目一期的2 臺6 t/h 低壓往復式壓縮機并聯(lián)操作，3 臺16.5 t/h 齒輪離心式壓縮機并聯(lián)將作為項目二期運行操作的常開主力機型。離心式壓縮機運行穩(wěn)定，但在國內(nèi)LNG 接收站應用較少，而且要求接收站大型化、全年外輸量穩(wěn)定、BOG 流量變化小，項目現(xiàn)場缺乏一定的運行和調(diào)試經(jīng)驗，需要進一步提高離心式壓縮機機組的國產(chǎn)化水平。

5 結束語

BOG 壓縮機影響整個LNG 接收站的平穩(wěn)運行，選型時要結合壓縮機的安全可靠性和操作靈活性，既要考慮項目初期投資成本，還要綜合評估壓縮機全生命周期內(nèi)相應的維修成本、運營成本和遠期預留等因素。文中對LNG 接收站內(nèi)常用BOG 壓縮機的選型與應用情況的分析，可為后續(xù)新建或擴建LNG 接收站項目中BOG 壓縮機的選型提供參考。