LNG接收站BOG壓縮機處理能力計算及選型研究

呂 俊張昌維 中海浙江寧波液化天然氣有限公司 寧波 315800傅 皓 中國成達工程有限公司 成都 610041

LNG接收站BOG壓縮機處理能力計算及選型研究

呂 俊＊張昌維 中海浙江寧波液化天然氣有限公司 寧波 315800傅 皓 中國成達工程有限公司 成都 610041

LNG接收站的功能是接收、儲存和氣化LNG,并通過管網向下游用戶供氣。由于在卸船時 LNG進入儲罐導致罐內LNG體積變化,以及環境溫度、大氣壓變化、罐內泵電機運轉等外界能量的輸入,會產生大量的蒸發氣 (BOG)。為了維持儲罐壓力的穩定,必須處理掉過量的BOG。BOG壓縮機作為 BOG處理的核心設備,在LNG儲運中起到重要作用。本文以某LNG項目為例,探討BOG壓縮機處理能力的計算方法以及選型。

LNG BOG壓縮機 能力計算 選型

LNG(Liquefied Natural Gas)是液化天然氣的簡稱,它充分利用了天然氣在常壓和 -162℃下液化后,體積可縮小到氣態時 1/600這一性質,為天然氣高效輸送提供了新的途徑,也擴大了天然氣的應用領域[1]。

LNG接收站的主要功能是接收、儲存和氣化LNG,并通過管網向下游用戶供氣。部分 LNG接收站還設置 LNG槽車裝車站,向用戶直接提供LNG。由于在卸船時 LNG進入儲罐導致罐內 LNG體積變化,以及環境溫度、大氣壓變化、罐內泵電機運轉等外界能量的輸入,會產生大量的蒸發氣 (BOG)。為了維持儲罐壓力的穩定,必須處理掉過量的 BOG。目前處理 BOG的工藝一般用直接壓縮外輸或再冷凝工藝。由于前者能耗高,不適合大型LNG接收站[2],因此,本文討論再冷凝工藝下BOG壓縮機處理能力的計算及選型。

1 BO G壓縮機處理能力計算

BOG壓縮機處理能力計算一般是基于以下兩點:

(1)接收站產生的 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,經冷凝后再氣化[3]。

現在就以某LNG項目為例,計算 BOG壓縮機的處理能力。

1.1 LNG儲罐漏熱引起的BO G增加量

由于從外界吸熱而導致儲罐內 LNG蒸發形成的 BOG一般為 0.05% (質量)[4],某 LNG設計LNG組分密度為 456kg/m3,LNG氣化潛熱為522kJ/kg,BOG氣體密度 1.7kg/m3(20kPa, -130℃)。那么,某 LNG一期三臺 160000m3LNG儲罐,計算增加量得:

1.2 LNG管道漏熱引起的BO G增加量

由于外界氣溫大大高于管道內LNG,因此接收站內的大尺寸管線內產生的 BOG不應忽略。經計算,某LNG低溫管道面積約為 9201m2,在保冷層采用厚度為 150mmPUR情況下,最大漏熱系數約為25W/m2,那么經計算增加量得:

1.3 LNG罐內低壓泵及高壓泵運轉引起的BO G

接收站設計最惡劣工況應在僅有一臺 LNG罐內低壓泵運行,并且全部流量用于保冷循環,循環后回罐。由于罐內低壓泵為電機浸沒在 LNG內,因此低壓泵電機軸功率應視為全部轉換為熱能。LNG罐內低壓泵流量為 433m3/h,泵效率為 71%,揚程為 256m,那么轉化的熱能約為 193kW。

設計最惡劣工況應為僅有一臺高壓泵運行,額定流量 40%回罐。和低壓泵類似,回罐流量所得到的軸功應視為全部轉換為熱能。LNG高壓泵流量為 385m3/h,泵效率為 81%,揚程為 1806m,那么轉化的熱能約為 424kW。合計計算 Wb為2924kg/h。

1.4 LNG裝槽車引起的 BO G增加量

LNG槽車在裝車時,由于槽車和 LNG儲罐的壓力差,會引起部分 BOG從槽車回到 LNG儲罐。LNG裝車速率 420 m3/h,槽車操作壓力為 0.7MPa(G),BOG氣體密度約為 2.02kg/m3(25kPa(G), -160℃),計算 Wc1為 759kg/h。

由于裝車,引起儲罐液位下降,帶來的 BOG減少量為:

Wc2=裝車速率 ×BOG氣體密度 =714 kg/h

綜上得:

1.5 LNG卸船引起的BO G增加量

LNG運輸船靠岸時,由于卸料會引起接收站BOG變化。LNG卸料速率:14000m3/h,引起LNG儲罐BOG增加量:

Ws1=卸料速率 ×BOG氣體密度 =23800 kg/h

由于 LNG運輸船卸料后,需要 LNG儲罐返回部分BOG以滿足運輸船倉壓力平衡,LNG船自身BOG蒸發率為 0.15%(wt)。經計算該部分引起的BOG減少量:

因此,

1.6 LNG外輸引起的BO G減少量

某LNG最小外輸量為 380000Nm3/h,因此,

Ww=外輸速率 ×BOG氣體密度 =1058 kg/h

1.7 大氣壓變化引起的 BO G增加量

不考慮臺風情況,因為一旦由于臺風引起大氣壓劇烈變化而導致罐內 BOG大量增加,此時產生的BOG若不能處理,應直接放火炬。在通常情況下,極端大氣壓變化一般為 410Pa/h(根據當地氣象數據),因此,

因此,BOG壓縮機處理能力 W合計為23193kg/h。圓整后取 24t/h。再考慮到一定的富裕量,取 BOG壓縮機能力為 27t/h,數量為 3臺,每臺9t/h。

2 BO G壓縮機

2.1 特點

往復式壓縮機是利用容積的改變使氣體壓縮,LNG接收站采用往復壓縮機提高 BOG壓力以滿足工藝操作的要求,具有以下主要特點:

(1)進口溫度低,可以承受 -165℃的低溫。

(2)進出口壓差大,需采用多級壓縮實現較大的壓縮比。

(3)采用無油潤滑。

(4)較低的活塞速度:經驗證明,由于較高的活塞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,對活塞環及支撐環會造成較大的磨損,從經濟性及安全性角度考慮,要求限制活塞平均速度。

2.2 選型

2.2.1 BOG壓縮機型式

LNG接收站的 BOG壓縮機一般采用低溫無油往復式壓縮機,目前市場上實際的 LNG工程運用中,一般有立式迷宮密封式和臥式對置平衡式兩種。

(1)立式迷宮密封式壓縮機剖面見圖 1。

圖1 立式迷宮密封式剖面圖

立式迷宮密封式壓縮機一般由三部分組成:①氣缸壓縮部分的密封形式為非接觸式迷宮密封,無油潤滑,無活塞環和支承環等易損件;②機身轉動部分為全封閉無泄漏結構,曲軸上設計有機械氣密密封,壓縮介質不會泄入大氣環境,并設置有保證活塞與氣缸同軸度的活塞桿導向軸承;③中間隔離段部分能防止曲軸箱潤滑油進入氣體壓縮部分,保證氣體不被污染。由于采用了迷宮密封,活塞和氣缸為非接觸,因此工作表面沒有磨損,可以選擇較高的活塞速度。

(2)臥式對置平衡式壓縮機見圖 2。

圖2 臥式對置平衡式壓縮機

利用特殊材料的活塞環,如特氟龍活塞環實現密封和無油潤滑。由于臥式機器自身的局限性,無法做到活塞支持環和活塞環與氣缸的直接接觸,因此,為了減少磨損,一般要在較低的轉速下運行,但其動力平衡性能較好。

2.2.2 特點比較

兩種 BOG壓縮機特點比較見表 1。

表1 兩種BO G壓縮機特點比較

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缺點。臥式機在平衡性、維護難易度及重心方面具有優勢,但立式機在可靠性及維護成本方面具備優勢。

2.2.3 操作及運營成本比較

在BOG壓縮機的選型上,除了要滿足工藝參數 (進氣/排氣壓力、進氣/排氣溫度、處理量)外,還需要從一次性投資和以后的運營成本兩個因素綜合考慮。

目前,已經安裝運行成功的壓縮機一般由瑞士的布克哈德公司 (Burkhardt)、日本的石川島播磨 (IH I)、日本神戶制鋼 (KSL)以及美國的德萊賽蘭 (Dresserrand)公司制造[5]。根據以往項目經驗 (福建 LNG,廣東 LNG等),立式機的采購成本一般比臥式機高 10%～20% (視項目情況具體而定)。兩種壓縮機維護成本見表 2(設立式壓縮機采購成本為 A)。

從表 2可以看出,雖然臥式對置平衡式壓縮機比立式迷宮密封式壓縮機一次性投資便宜,但綜合 25年運行成本卻高于立式迷宮密封式壓縮機。

3 結語

(1)BOG壓縮機處理能力的計算應綜合考慮LNG儲罐漏熱、管道漏熱、罐內低壓泵及高壓泵運轉、裝槽車、卸船、外輸及大氣壓變化等 7個因素。經計算,BOG壓縮機處理能力 W合計為23193kg/h。圓整后取 24t/h。再考慮到一定的富裕量,因此取該 LNG項目 BOG壓縮機能力為 27t/h,采用 3臺能力為 9t/h的壓縮機。

表2 兩種壓縮機維護成本比較

(2)BOG壓縮機選型除了要滿足工藝參數(進氣 /排氣壓力,進氣 /排氣溫度、處理量)外,還要根據項目,結合壓縮機自身特點綜合考慮,并且鑒于壓縮機的型式不同,導致兩種機器的維護費用差據較大,應綜合考慮一次性投資和以后的運營成本兩個因素而最終選擇。

1 初燕群,陳文煜,牛軍鋒等.液化天然氣接收站應用技術[J].天然氣工業,2007,27(1):120-123.

2 劉 浩,金國強.LNG接收站BOG氣體處理工藝 [J].化工設計,2006,16(1):13-16.

3 楊曉東,顧安忠.液化天然氣生產儲運中的蒸氣回收 [J].真空與低溫,2000,6(4):191-194.

4 陳 雪,李 明.LNG儲罐內 BOG動態模擬研究 [J].油氣儲運,2008,27(11):36-39.

5 尹清黨.BOG壓縮機在LNG接收站的應用 [J].壓縮機技術,2009(6):35-39.

2010-10-26)

＊ 呂 俊:工程師。2005年畢業于浙江大學獲碩士學位?，F從事技術工作。聯系電話:13780080854,E-mail:lvjun2@cnooc.com.cn。