BOG壓縮機的選型優化探討

李 寧

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

隨著我國國民經濟的快速發展和綠色低碳能源的快速轉型，天然氣及乙烯的需求量快速增長，與之相適應，LNG(Liquid Natural Gas)、乙烷、LPG(Liquefied Petroleum Gas)和乙烯等低溫儲罐無論從規模上還是數量上都有著長足的發展。

BOG壓縮機作為低溫罐區中的關鍵設備，其作用是保證BOG總管和低溫儲罐壓力穩定。壓縮機的合理選型及多方面優化可以顯著降低成本，有效提高運行周期。

1 BOG來源及BOG壓縮機的發展趨勢

1.1 BOG來源

BOG(Boil Off Gas)也就是閃蒸氣，是在臨界溫度、壓力下，由于溫度、壓力等條件的波動而產生的氣體。

壓力的變化主要與裝卸車、裝卸船的操作工況以及BOG壓縮機的操作流量有關，通常BOG總管的壓力控制在5～20 kPa(表)，壓力越高蒸發量越小。溫度條件的影響主要來自2大部分：一是自然吸熱，包括儲罐、管道和設備等從環境中吸熱；二是轉動設備的發熱，包括罐內泵、外輸泵等設備運轉產生的熱量。

1.2 BOG壓縮機的發展趨勢

隨著低溫罐區裝置規模的擴大和低溫管道的增加，低溫罐區BOG的量也從最初的8～12 t/h增加到16～24 t/h，部分裝置裝卸船工況產生的BOG甚至已經超過30 t/h。其中LNG 工廠BOG量隨著裝置的擴能增長更為明顯，國內大型LNG接收站最大BOG量甚至已經達到40～50 t/h。為了節省一次性投資并盡量減小占地，BOG壓縮機大型化的趨勢已經非常明顯。

2 BOG壓縮機的選擇

2.1 常溫和低溫BOG壓縮機

BOG經過壓縮機增壓后通常進入下游裝置或者返回低溫儲罐。

在BOG進入壓縮機前，如果裝置中有冷能回收裝置與BOG進行換熱，且壓縮機進氣溫度足夠高，是可以按照常溫壓縮機進行設計的。常溫設計的壓縮機的優點是一次性投資較低，技術更為成熟。

但是，僅僅為了降低壓縮機的設計難度而采用加熱器得到常溫BOG的方法是不可取的。原因是BOG的壓力很低，BOG換熱器的投資和運營費用比較高，而且，BOG的流量波動太大，工藝調節很困難，且換熱后BOG壓縮機需要做更多的功來調節，從優化設計的角度看，這種方式是不可取的，故而采用這種常溫壓縮機的情況只占很少一部分。

綜合以上原因，對低溫BOG壓縮機進行開發和應用更符合項目預期。市場決定了低溫BOG壓縮機成為行業的主流趨勢。目前絕大多數的LNG接收站和低溫罐區都采用低溫BOG壓縮機。

2.2 低溫BOG壓縮機的種類

BOG壓縮機的入口壓力通常在5～20 kPa(表)，出口壓力根據工藝的需要變化較大，通常在800～1 800 kPa(表)。結合BOG的流量來看，壓縮機有3種型式可以選擇，分別是離心式、螺桿式和往復式。

離心式壓縮機的結構可靠性高，能滿足大流量操作要求，氣量調節有變轉速和返回線控制2種方式，可以實現氣量連續調節。不過機組一次性投資成本較高，氣量調節范圍相對較小，在國內尚沒有較為成熟的應用案例。

螺桿式壓縮機的可靠性相對較高，操作流量與往復式壓縮機相當，氣量調節主要有變轉速和返回線控制2種方式，可以實現氣量連續調節。不過由于干式結構和低溫問題，設計加工難度較大，目前只有極少數國外制造廠商具備該技術，且投產業績很少、一次性投資和后續運行成本偏高，推廣難度較大。

往復式壓縮機雖然可靠性相對低一些，但是機組配置相對靈活，操作也更為簡單，一次性投資也較低，成為了BOG壓縮機的首選型式。

3 往復式BOG壓縮機

3.1 往復式壓縮機的分類和比較

應用在低溫BOG壓縮上的往復式壓縮機主要有2種結構：臥式對置平衡型壓縮機和立式迷宮式壓縮機。2種結構各有優缺點，表1為其優缺點對比。

表1 臥式對置平衡型壓縮機和立式迷宮式壓縮機對比

3.2 機組能力分析

從表1的對比情況看，臥式平衡型機組的轉速和線速度都比較低，對置結構有利于活塞力的平衡，更適合應用于重載工況，可以有效保證機組的平穩性和可靠性。

迷宮式壓縮機由于其結構的特殊性，沒有活塞環和支撐環，因此可以達到更高的線速度、轉速和出口溫度，機組的啟停對壓縮機的可靠性影響相對較小，但是理論上活塞力較高時機組的可靠性和穩定性會相應降低。

從目前了解的LNG項目的業績情況看，在5 kPa(表)入口壓力下，臥式壓縮機組的能力約16 t/h，而迷宮壓縮機組能力約10 t/h。

因此，大流量機組選擇臥式壓縮機更為可靠。

3.3 磨損碎屑的影響

臥式壓縮機較迷宮式壓縮機比較明顯的一個缺點是有活塞環和支撐環的磨損碎屑。通常磨損碎屑本身對介質是沒有影響的，大部分磨損碎屑會隨著氣流附著在緩沖罐和管路上，很少的一部分會隨著氣體進入下游裝置。由于其含量微乎其微，故對工藝流程的影響基本是可以忽略不計的。

需要特別指出的是，有部分化工產品對這些磨損碎屑比較敏感，如乙烯BOG，這個時候應首選迷宮式壓縮機。多方探討分析認為，氣體經過壓縮機壓縮后，壓力、溫度都比較高，如果活塞環和支撐環的材質中含有一些特殊添加成分，碎屑可能會作為催化劑，引起化學反應。因此，如果是臥式壓縮機，除了要控制活塞環、支撐環和閥片的材質，還要嚴格控制壓縮機的出口溫度(如果出口溫度過高，應考慮增加壓縮級數，以確保安全和可靠性)。而對迷宮式壓縮機而言，因其沒有支撐環和活塞環，只要選好閥片的材質便可以保證機組的可靠使用。

3.4 一級氣缸的單級壓比分析

BOG壓縮機第一級的壓比尤為重要，需要綜合考慮出口溫度、氣缸的容積效率和缸徑這3個影響因素。

首先，出口溫度不宜過高，應盡量控制在40 ℃以下，避免進出口溫差過大導致氣缸變形；同時還要考慮BOG的露點溫度，應保證足夠的溫差，避免出現液化現象。

其次，不能選擇容積效率過低的氣缸，API 618中明確指出，氣缸的容積效率小于40%時，其性能預測往往不可靠【1】。通常而言，BOG壓縮機入口體積流量較大，過大的壓比會直接影響和降低氣缸的容積效率。為保證可靠的性能，避免吸入氣量不足，容積效率應控制在45%以上，且應適當保留設計裕量。

最后是氣缸缸徑的影響。流量大會導致氣缸缸徑過大。過大的缸徑和特殊的低溫材質會造成氣缸鑄件成形時的成功率降低，增加了潛在的制造風險。對臥式壓縮機來說，缸徑過大會增大往復件質量，使偏磨更為明顯，從而降低活塞環和支撐環的使用壽命。而迷宮式壓縮機如缸徑過大，不平衡力則更為突出，機組穩定性會明顯降低。根據多年的使用經驗，低溫BOG壓縮機缸徑不宜超過φ850 mm，如果缸徑超過該值，增加一級氣缸數量是比較好的選擇。

3.5 氣缸水套

由于低溫介質的特殊性，低溫氣缸通常沒有合適的氣缸冷卻液體，因此低溫氣缸選型時應優先采用無水套結構。如因鑄件模具問題無法取消水套，應考慮設置氮氣吹掃，避免水套內結冰。

3.6 緩沖罐

低溫氣缸的緩沖罐應考慮優先選擇獨立的緩沖罐，避免共用。很多時候緩沖罐在常溫下安裝對中后，低溫下工作時可能會再次出現不對中。部分焊接位置可能出現應力集中情況，伴隨著壓縮機的振動，開裂的風險會大幅上升。

3.7 中體接筒

通常中體接筒的選材不耐低溫，設計溫度只有-20 ℃，一旦低溫傳導至中體，可能會導致其出現脆性破壞，因此機身和中體的低溫隔絕就顯得非常重要。制造廠商應該提供穩妥的設計方案防止低溫傳導，同時應考慮適當提高接筒部件材質的耐低溫性能。

3.8 低溫沖擊試驗

為保證材料的可靠性，低溫接觸部件的材料應根據ASTM相關標準的要求進行夏比沖擊試驗。如果降低試驗要求很可能會出現無法預計的后果。

3.9 低溫螺栓和預緊力

低溫螺栓應優先采用經應變硬化處理的螺栓，避免低溫下變形。同時制造廠商應對常溫時的預緊力設定值進行計算，盡量避免機組投用后再做低溫冷緊操作。

4 往復式BOG壓縮機的氣量調節和開車流程

4.1 氣量調節

目前低溫往復式BOG壓縮機尚沒有成功使用無級氣量調節的經驗，主要的流量調節方式為返回線控制和卸荷控制。

返回線控制的優點是可以連續調節氣量，能有效保證BOG總管的壓力平穩；缺點是能耗高，同時需要設置調節閥和旁路冷卻器(入口冷卻器)，且一次性投資高。

卸荷控制的優點是節能可靠并且操作簡單，不過缺點也很明顯，即不帶余隙缸的情況下只能實現0-50%-75%-100%流量操作，且流量調節不具備連續性。在穩定BOG總管的壓力過程中，如果不停地切換卸荷器，可能會增加機組故障的概率。除此之外，卸荷操作時，個別活塞桿的反向角會減小，而如果反向角過小、使得軸瓦潤滑不充分，可能會出現異常停機的情況。因此，選型時應對各卸荷工況分別進行計算和確認，以確保所有工況都在可接受的反向角使用范圍內。若出現反向角過低且無法調整的情況，應盡量避開該卸荷工況進行操作。

4.2 開車流程

開車流程是優化BOG壓縮機選型的重要環節。由于流程不同，開車方案也是多種多樣。但是不管哪種開車流程，過流部件都需要考慮降溫速率對材料的影響，因此常規低溫BOG壓縮機開車過程都比較長。比較常規的開車步驟如下：

1) 壓縮機及管道的氮氣置換，通常與低溫儲罐、管道和壓縮機前后的設備一同進行置換。

2) 管道的工藝介質置換和預冷時，通常在低溫儲罐完成工藝介質置換和初步冷卻后進行，且需要冷卻到壓縮機入口分液罐前。該過程主要是為了避免壓縮機在超過入口溫度要求使用時出現出口溫度超過設定值的情況。

3) 壓縮機預冷和壓縮機后設備的工藝介質置換。進行該步驟的前提是管道已經基本冷卻到壓縮機機組可以運行的入口溫度，如LNG冷卻到-120 ℃左右、乙烯冷卻到-40 ℃左右。此時壓縮機無負載啟動，在0負荷工況下運行一段時間，完成預冷。

4) 建立背壓，完成壓縮機正常加載。

5) 由于壓縮機加載前階段的冷卻時間較長，部分裝置開工時會采用液氮進行冷卻。在滿足壓縮機入口溫度的加載要求時，使用工藝介質置換的方案對壓縮機開車影響不大。

以上的開車流程步驟中， 2)和3)階段耗時較長， 介質排放至火炬的量大。如果沒有采用步驟5)的置換方法，BOG壓縮機的開車成本將相對較高。

4.3 返回線和冷卻器

從以上過程可以發現，開車過程沒有用到壓縮機的返回線和入口冷卻器。實際上，BOG壓縮機正常操作時返回線和入口冷卻器也很少投用，基本靠負荷調節來控制。

基于以上原因，在選型時應綜合考慮開停車、試車、正常操作等工況，與工藝和壓縮機廠商探討，以確定是否可以取消BOG壓縮機旁路冷卻器和返回線的設置。

5 往復式BOG壓縮機的國內外制造情況

目前往復式BOG壓縮機技術比較成熟的廠家主要有IHI(石川島播磨/臥式)、Burckhardt(布克哈德/迷宮式)、KOBE STEEL(神鋼/臥式)和DRESSER-RAND(德萊塞蘭/臥式)。JSW(日鋼/迷宮式)也有涉獵，但是近年業績很少。國內雖然起步比較晚，但是也已經具備一定的低溫BOG壓縮設計、制造和試驗能力，沈陽遠大壓縮機有限公司(迷宮式)和浙江強盛壓縮機制造有限公司(臥式)已經分別在迷宮式壓縮機和臥式壓縮機的國產化應用上取得了一定的成績。

6 結語

隨著低溫裝置規模的擴大，往復式壓縮機將逐漸成為低溫BOG壓縮機的首選，大型重載的臥式BOG壓縮機將進一步嶄露頭角，而迷宮式壓縮機因其特殊的結構型式，在一定流量范圍內也是一種不可或缺的選擇。優化BOG壓縮機的選型方案，可以有效地降低投資和運行成本，同時還可以確保機組更加可靠穩定地開車及運轉。隨著選型優化的深入，國產化機組的可靠性也將會更上一個臺階，并進一步為國內低溫BOG行業的穩定可靠發展提供重要支撐和有力保證。