超低溫BOG氣體迷宮活塞壓縮機特點研究

邢鈞，陳浩明，徐繼金，陳然

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東 泰安 271033）

超低溫BOG氣體迷宮活塞壓縮機特點研究

邢鈞，陳浩明，徐繼金，陳然

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東 泰安 271033）

在LN G液化工廠和接收站中，BO G氣體壓縮機是維持LN G儲罐壓力穩(wěn)定、保證生產(chǎn)安全的關鍵設備；針對BO G氣體的超低溫、極干特性，設計制造時對壓縮機可靠性提出了更高的要求，本文從密封機理、結(jié)構(gòu)特點、耐低溫材料、氣量調(diào)節(jié)等方面入手對超低溫進氣迷宮活塞式壓縮機組的特點進行深入研究。

迷宮活塞式BO G壓縮機；迷宮密封；N i-ResistD-5；組合式氣量調(diào)節(jié)

1　概述

1.1定義

超低溫BOG氣體壓縮機是指在LNG液化工廠和接收站中，用于處理LNG儲罐中閃蒸出的過量BOG低溫氣體，維持儲罐壓力穩(wěn)定、保證安全運行的關鍵設備。

1.2介質(zhì)屬性

LNG是一種通過深冷技術將天然氣降溫至-162℃從氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)存儲利用的清潔能源；一般存儲于常壓儲罐（-1.5～23kPa）中。BOG氣體指在LNG存儲過程中，因進入儲罐前節(jié)流降壓、儲罐自身漏熱等因素影響閃蒸出的超低溫氣體，主要成分包含甲烷（90%以上）、乙烷、氮氣及少量的C3、C5烷烴，屬易燃易爆介質(zhì)。

1.3技術要點

易燃易爆介質(zhì)。介質(zhì)為易燃易爆氣體，設計時充分考慮機組防泄漏措施及漏氣回收辦法，禁止氣體外泄。

壓力比大。壓力比可達12-18，一般采用兩級或三級壓縮，應充分考慮各級壓縮后排氣溫度及溫升。

入口溫度低。從LNG儲罐直接抽取BOG氣體，進氣溫度可低至-160℃，材料選擇時充分考慮低溫下材料的應力與強度問題、變形問題及低溫下的潤滑問題。

極干性氣體。LNG閃蒸氣屬于極干性氣體，常規(guī)填充PTFE自潤滑活塞環(huán)應用于BOG氣體壓縮時壽命很短。

2　迷宮密封

2.1密封機理

迷宮密封是一種非接觸式動密封，通過若干相對運動的迷宮曲折通道阻止氣體從高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏。如圖所示，活塞與氣缸作相對運動，在一定的小間隙下部分氣體通過迷宮齒槽時，其運動狀態(tài)近似于理想狀態(tài)下的節(jié)流膨脹過程；氣體從高壓側(cè)通過節(jié)流點時，由于流通截面突然收縮，流速增加，部分壓能轉(zhuǎn)變?yōu)樗倌?；而后進入齒槽空腔，容積突然增大，氣流在空腔中形成漩渦消耗能量，速能轉(zhuǎn)變渦流能和熱能；經(jīng)過連續(xù)均布節(jié)流點和齒槽空腔的重復作用，高壓側(cè)泄漏氣體壓力逐步降至與低壓側(cè)壓力相同，從而達到密封的目的（圖1）。

2.2泄漏量的影響因素

迷宮式密封泄漏量的分析一般選用Dr.A.Stodola理論式：

式中：QL—穿過迷宮密封的氣體泄漏量，m3/ min；QV—氣缸公稱容積流量，m3/min；φ— 迷宮槽形狀系數(shù)；Z—迷宮齒槽數(shù)量；C1—吸氣管內(nèi)音速，m/s；Cm—活塞的平均速度，m/s；δ/D—活塞間隙率；P2/ P1—所屬級壓比。

由公式可知，迷宮密封的泄漏量不僅與密封徑向間隙和齒槽數(shù)量有關，還與活塞平均運動速度、所屬級壓比、活塞間隙率等因素息息相關。一般來說，可以通過提高活塞平均速度和增加齒槽數(shù)目等方法改善密封效果；保證迷宮密封徑向間隙在整個圓周方向的均勻一致性也是減少泄漏，避免偏磨的一個重要因素。

圖1　 迷宮活塞壓縮機結(jié)構(gòu)示意圖

2.3保證密封效果的先決條件

在活塞高速往復運動過程中，為保證運動過程中密封間隙在整個圓周方向的一致性，避免偏磨，因此對活塞桿導向系統(tǒng)的精準性提出了更高的要求。確?；钊麠U導向定心技術精確的控制點主要有：

（1）活塞與活塞桿同軸度?；钊c活塞桿組裝后要求絕對同心。通?；钊箖啥宋膊吭O計成圓錐形，與氣缸壁形成收斂性空間，活塞運動過程中壓縮氣體對活塞產(chǎn)生自動定心力。（2）十字頭與導向軸承共同作用。相比臥式布置壓縮機組，立式迷宮壓縮機無支撐環(huán)部件，無法像臥式機組構(gòu)成十字頭-支撐環(huán)兩點式導向系統(tǒng)。并且立式迷宮機組活塞組件在豎直方向做線性往復運動時，由于氣體壓力及組件自身重量的共同作用容易導致活塞桿振動，造成偏磨和泄漏增加，僅靠十字頭的單點定位是不夠的，因此需要在十字頭上部適合距離增設導向軸承，通過導向軸承和十字頭兩個約束點共同作用，保證活塞組件的精確導向。（3）氣缸與曲軸箱同軸度。運動部件同軸度和導向定心技術得到保證后，靜止部件氣缸與曲軸箱之間同軸度也是保證密封間隙的控制點。

3　超低溫材料的選擇

壓縮機進氣溫度低至-160℃，氣缸材料選擇時應充分考慮低溫下的應力、強度及變形等問題。如圖所示，普通碳鋼材料溫度低于-50℃時開始變脆，無法滿足氣缸在低溫下的使用要求。

圖2　不同材料沖擊韌性隨溫度變化情況

Ni元素可以改善金屬在低溫環(huán)境中的力學性能，因此將氣缸材料選擇轉(zhuǎn)向鎳鋼。低溫氣缸制造常用的低溫材料有奧氏體不銹鋼和Ni-R esistD-5（鎳含量為35%的球墨鑄鐵）兩種，兩種材料導熱系數(shù)基本一樣（分別為14 W/(m·k)和11 W/(m·k)）。采用有限元法對兩種材料從常溫降至-160℃時的應力變化進行分析，結(jié)果表明兩種材料的應力值均在許用范圍之內(nèi)，可以滿足低溫下的應力和強度要求。

大溫差變化帶來的材料收縮變形將直接影響迷宮密封徑向間隙，為保證密封效果，避免因間隙變化而帶來磨損或泄露問題，材料選擇時應對降溫后的密封間隙值進行校核，盡量選擇變形量小的材料。奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為1.65×10-5/℃，而Ni-R esist D-5只有0.9×10-6/℃(所有鋼材中熱膨脹系數(shù)最小)，缸徑相同條件下Ni-R esist D-5隨溫度變化變形量更小，有利于保證活塞密封間隙和氣缸的對中性良好，低溫迷宮壓縮機氣缸材料一般選用Ni-R esist D-5（表1）。

4　立式迷宮機型結(jié)構(gòu)特點

4.1氣密式結(jié)構(gòu)

迷宮活塞壓縮機通常由壓縮區(qū)、隔離段和曲軸箱三部分組成。隔離段可分為敞開式、密閉吹掃式、氣密式和氣密耐壓式四種；曲軸箱根據(jù)要求不同可分為敞開吹掃式和密閉耐壓式兩類?？紤]到輸送介質(zhì)的易燃、易爆特性，為防止氣體外泄進入周圍環(huán)境，BOG迷宮壓縮機隔離段和曲軸箱一般選用氣密式結(jié)構(gòu)，曲軸兩端設有機械氣密密封，整個腔體構(gòu)成一個密閉的空間，正常運轉(zhuǎn)時會有少量泄露氣體進入隔離室和曲軸箱內(nèi)，當密封腔內(nèi)壓力與壓縮機進氣壓力相等時達到平衡狀態(tài)。腔體設有氮氣吹掃管路，正常運行時閥門關閉，腔內(nèi)充滿BOG氣體，當出現(xiàn)故障時，打開吹掃閥門將腔內(nèi)氣體吹掃干凈，吹掃壓力一般控制在0.3 MPa左右。正常運行時，曲軸箱內(nèi)潤滑油與輸送介質(zhì)直接接觸，因此要求選用潤滑油有良好穩(wěn)定性，不能與氣體發(fā)生反應，定期化驗檢測潤滑油指標，取油樣時應注意所選用潤滑油密度，當潤滑油密度比水大時，應從潤滑油上層取樣。

圖3　氣密式結(jié)構(gòu)示意圖

4.2導向軸承

導向軸承部件由軸承座、導向軸承套、刮油環(huán)、回油管路和冷卻水道構(gòu)成。導向軸承上部設有刮油環(huán)組件，刮油環(huán)刮下的潤滑油經(jīng)回油孔滴回曲軸箱油池中，可以防止曲軸箱內(nèi)的油蒸氣進入氣體壓縮部分。導向軸承座中設有冷卻水道，通過循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走接觸摩擦熱，改善導向軸承工作條件，保證活塞桿精確導向。

4.3隔冷腔

在低溫氣缸下部設置隔冷腔阻止冷量向下部曲軸箱擴散。配套設置一套單獨的閉式循環(huán)防凍液系統(tǒng)，防凍液采用乙二醇與除鹽水按1：1比例配置而成，由于選用閉式系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)循環(huán)正常，循環(huán)水泵進出口應保持0.1 MPa以上的壓差。乙二醇溶液在使用過程中易產(chǎn)生酸性物質(zhì)，對冷卻水管路和腔體產(chǎn)生弱腐蝕，可加入少量磷酸二氫鈉抑制腐蝕；使用過程中發(fā)生少量泄漏只需補充除鹽水即可，避免過量加入乙二醇造成溶液粘度增加。

4.4活塞桿迷宮密封

活塞桿迷宮密封原理與活塞密封原理相同，BOG壓縮機活塞桿密封材料選用MOTA低線性膨脹石墨。

其具有良好的干運行減磨性和自潤滑性、高化學穩(wěn)定性、低膨脹系數(shù)等特點。迷宮填料末級設有漏氣回收管路，泄漏的氣體通過回收管路返回壓縮機一級入口。

5　氣量調(diào)節(jié)方式

目前往復式壓縮機常用的氣量調(diào)節(jié)方式有旁路調(diào)節(jié)、進氣閥卸荷調(diào)節(jié)、余隙容積調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等幾種。

5.1旁路調(diào)節(jié)

往復壓縮機旁路調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單、流量可連續(xù)變化、各級壓力比保持不變、運行穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但由于回流氣體壓縮功全部損耗掉，經(jīng)濟性差，一般只用于啟動過程。

5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

通過改變壓縮機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)，優(yōu)點是氣量連續(xù)，調(diào)節(jié)工況比功率消耗小，各級壓力比保持不變，無需設置專門的調(diào)節(jié)裝置。應用于迷宮活塞壓縮機時，由于迷宮密封泄漏量與活塞運動速度密切相關（活塞運動速度一般控制在3～5 m/s），氣量調(diào)節(jié)范圍受到限制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一般不用于迷宮活塞壓縮機。

5.3進氣閥卸荷調(diào)節(jié)

通過安裝在進氣閥上的卸荷器將閥片壓開，使進氣閥始終保持打開狀態(tài)，活塞壓縮行程受壓后的氣體因進氣閥全開又被壓回進氣管路，從而實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。對于一個雙作用氣缸，一側(cè)進氣閥壓開時排氣量降至50%，兩側(cè)同時壓開時排氣量降為0%，因此對于一個雙作用氣缸可實現(xiàn)排氣量的0%、50%、100%三級調(diào)節(jié)。

5.4余隙容積調(diào)節(jié)法

在氣缸蓋側(cè)除固定的余隙容積外，另外設置一定的空腔，調(diào)節(jié)時打開余隙容積調(diào)節(jié)閥，將空腔接入氣缸工作腔，使余隙容積增大，容積系數(shù)減小，從而降低壓縮機排氣量；通過調(diào)整空腔容積，可以實現(xiàn)蓋側(cè)排氣量的0～50%無極調(diào)節(jié)。

5.5進氣閥卸荷與余隙容積調(diào)節(jié)組合使用

進氣閥卸荷和余隙容積調(diào)節(jié)組合使用可以實現(xiàn)更加靈活的氣量調(diào)節(jié)。以兩列兩級壓縮機為例，單獨采用進氣閥卸荷法只能實現(xiàn)氣量的0%、50%、100%三級調(diào)節(jié)通過與余隙容積調(diào)節(jié)方式組合使用，在蓋側(cè)增加余隙空腔和余隙空腔啟閉閥，假定余隙腔啟閉閥打開后蓋側(cè)排氣量降低一半，則通過卸荷控制閥和余隙腔調(diào)節(jié)閥的組合控制可以實現(xiàn)氣量的0%、25%、50%、75%、100%五級調(diào)節(jié)。

6　結(jié)論

（1）35Ni球墨鑄鐵在低溫下優(yōu)秀的力學性能和極低的熱膨脹系數(shù)，允許BOG迷宮壓縮機無需預冷直接啟動。（2）迷宮密封的泄漏量不僅與密封間隙、齒槽數(shù)目有關，組件同軸度、導向系統(tǒng)的精確性也是保證密封效果關鍵因素。（3）迷宮密封的使用解決了低溫下的摩擦與潤滑問題，大大提高了設備的運行周期，降低了活塞環(huán)等易損件的成本投入。（4）壓縮機氣量調(diào)節(jié)方式應根據(jù)現(xiàn)場工藝特點，綜合考慮操作便利性、運行經(jīng)濟可靠性等因素進行選擇。

[1]郁永章.容積式壓縮機技術手冊[M].機械工業(yè)出版社,2000.

[2]戴曉洲，應洪山，范吉全，翟曉寧.迷宮式活塞壓縮機迷宮密封及結(jié)構(gòu)分析[J].化工機械，2000(02).

表1　35Ni球墨鑄鐵牌號對照表

TQ 051.3

A

1671-0711（2016）09（下）-0106-03