LNG接收站用BOG迷宮壓縮機的應用研究

王靈德，計洪旭，何振鵬，李元英

（1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州730060；2.蘭州市第三十四中學，甘肅蘭州730060）

1 引言

隨著全球LNG需求量的不斷增加，各個國家都在不斷地建設(shè)LNG接收站；自廣東大鵬LNG接收站投產(chǎn)以來，這幾年國內(nèi)的LNG接收站發(fā)展迅速。在未來，隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大量引進LNG清潔能源將成為必然發(fā)展趨勢。然而在LNG卸船和貯藏期間都會產(chǎn)生大量BOG（Boil-off Gas，蒸發(fā)氣）氣體，如果不及時處理，將會對設(shè)備造成危害，如果排放，將會對經(jīng)濟和環(huán)境都造成很大影響。目前國內(nèi)已經(jīng)建好和規(guī)劃在建的LNG接收站較多，合理利用和回收這些BOG是LNG接收站重要的一個環(huán)節(jié)。目前LNG接受站BOG的處理主要有2種工藝流程：一種是將BOG經(jīng)壓縮機壓縮直接外輸至用戶；另一種是將BOG壓縮后與罐中LNG換熱冷凝至液態(tài)，在經(jīng)高壓泵加壓，氣化后外輸至用戶。上述兩種BOG處理工藝流程，都需要對BOG進行增壓，因此BOG壓縮機是處理LNG的關(guān)鍵設(shè)備。兩種BOG處理工藝原理圖，見圖1、2。

圖1 采用直接壓縮工藝

圖2 采用再冷凝工藝

2 BOG回收裝置在L NG接收站應用的必要性

LNG接收站在卸船和儲罐儲存的過程中，會產(chǎn)生大量BOG，另外管線的循環(huán)保冷和裝車等也將產(chǎn)生巨大的BOG量。早期處理這些BOG的方式非常原始，就是將這些BOG直接引至火炬燃燒排放。這種處理方式不僅造成資源浪費，造成巨大的經(jīng)濟損失，而且會產(chǎn)生大量的溫室氣體，對自然環(huán)境也造成很大的破壞。例如某LNG接收站在卸船和投產(chǎn)調(diào)試初期，由于LNG儲罐的置換及冷卻，下游城市燃氣和電廠施工、調(diào)試進度不到位，接收站不能進行高壓外輸而影響B(tài)OG回收，累計損耗LNG約8000 t（約合人民幣5000萬元左右）。

另外，LNG接收站正常工作時產(chǎn)生的BOG主要集中在卸船期間和儲罐儲存期間。卸船時，每天BOG產(chǎn)生量大約在18~38萬m3之間，而儲存期間接收站每天產(chǎn)生BOG量大約在8~16萬m3之間。該LNG接收站根據(jù)每天BOG的蒸發(fā)量，最終選擇了液化量為每天5萬m3的再液化裝置。當然在選擇液化裝置液化量時需要考慮到設(shè)備購置成本、使用周期、以及下游用戶的實際用氣量變化；還有，從節(jié)能角度考慮，在該工藝條件下，無需啟動接收站高壓泵及氣化器等外輸設(shè)備，只需將LNG儲罐內(nèi)蒸發(fā)的BOG加壓到一定值即可直接外輸。因此，LNG接收站還需要增設(shè)一臺日處理能力20萬m3的常溫BOG增壓壓縮機，將接收站低溫BOG壓縮機初步加壓后的BOG進一步增壓至下游需要的壓力，其中每天5萬m3的高壓BOG壓縮輸送到再液化裝置進行液化回收輸送到LNG儲罐，其中20萬m3的高壓BOG可直接外輸至下游管網(wǎng)回收利用。

因此，LNG接收站在處理BOG時，為了避免火炬燃燒而大量排放導致的環(huán)境污染以及減少不必要的資源浪費，提高項目整體投資的經(jīng)濟性和環(huán)保性，考慮增加BOG增壓外輸或再液化裝置的工藝是十分必要的。

3 BOG壓縮機工作的特點

BOG壓縮機是處理LNG接收站中蒸發(fā)出的BOG的設(shè)備，該設(shè)備將低溫狀態(tài)下的BOG加壓后，分兩路進行下一步的處理，第1路進入管網(wǎng)，第2路進入冷凝器再冷凝后回流入儲罐。因此，BOG壓縮機正常工作溫度超低，屬于超低溫工況下工作的壓縮機，與一般的壓縮機相比，BOG壓縮機具有如下特點：

（1）壓縮的氣體主要為甲烷，屬易燃、易爆氣體；

（2） 當BOG氣體直接進入壓縮機時，吸氣溫度通常為-160℃至-100℃，氣缸、活塞、滑動磨損件等需要采用特殊材料和設(shè)計，以保證氣缸在低溫下的正常工作；

（3）在這種極低溫度下氣缸等部件不能采用有油潤滑；

（4） 低溫下能夠長時間穩(wěn)定工作，以滿足連續(xù)運行的需要；

（5） 蒸發(fā)量并非恒定，因此需要考慮氣量調(diào)節(jié)。

4 BOG壓縮機型式的選擇

由于BOG氣量不穩(wěn)定，入口壓力比較低，且部分工藝要求壓縮機入口溫度比較低，因此根據(jù)工藝要求選擇合適的壓縮機型式對工廠的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。目前國內(nèi)LNG項目上采用的BOG壓縮機主要有迷宮式壓縮機、往復式壓縮機和螺桿式壓縮機。下面就這3類壓縮機的優(yōu)缺點并結(jié)合LNG接收站的工藝要求分別進行對比介紹。

4.1 迷宮壓縮機

迷宮壓縮機的優(yōu)點有：

（1）可靠性高：迷宮壓縮機主機與壓縮氣體接觸部分均采用了非接觸式迷宮密封，壓縮機氣缸內(nèi)無潤滑油和粉塵磨屑，同時對壓縮介質(zhì)中混入的雜質(zhì)顆粒不敏感，其優(yōu)點在于排氣無污染，充分保證了其壓縮介質(zhì)的品質(zhì)；在壓縮易燃易爆烴類氣體中，或在超高溫或在超低溫工況時使用更具有極高的安全可靠性，且很可能是唯一的選擇。

（2） 安全型高：迷宮壓縮機由于采用了非接觸式迷宮密封，主機通過氣流的所有部件用金屬制成，所以在設(shè)計時盡可能簡單，另外在壓縮范圍內(nèi)無機械摩擦產(chǎn)生，另外整機可以設(shè)計成全封閉式結(jié)構(gòu)，在壓縮易燃、易爆、有毒氣體時保證壓縮機的安全性。

（3） 經(jīng)濟效益高：正是由于迷宮壓縮機的以上兩個特點，所以此類的設(shè)備易損件少，而且由于長周期運行無故障，所以維護費用也很低；整個機組僅有極少的幾個部件需要維護，維護的部件都易于拆卸和方便安裝，所以開工率高；另外，迷宮壓縮機都是立式結(jié)構(gòu)，所以占地面積小；主機氣缸因為沒有活塞環(huán)和潤滑油，所以整機工作溫度即可逾越非金屬材料活塞環(huán)允許的最高工作溫度安全運行，也可高于氣缸有油潤滑壓縮機的壓縮機油閃點正常工作，還可低于普通金屬材料為防冷脆而限定的最低工作溫度下正常工作；無疑提高了經(jīng)濟效益。

迷宮壓縮機的缺點有：

（1）結(jié)構(gòu)復雜，制造難度大；

（2）在LNG行業(yè)應用業(yè)績較少，操作經(jīng)驗少。

4.2 往復壓縮機

往復壓縮機的主要優(yōu)點：

（1） 使用壓力范圍廣；

（2）熱效率高，單位耗電量少；

（3）加工較容易，造價也比較低廉；

（4） 技術(shù)上較為成熟，生產(chǎn)使用上積累了豐富的經(jīng)驗。

主要缺點有：

（1）機器的外形尺寸及重量較大；

（2） 結(jié)構(gòu)復雜，易損件多，維修量大；

（3） 占地面積較大。

4.3 離心式壓縮機

離心式壓縮機優(yōu)點主要有：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕；

（2）排氣均勻、連續(xù)、無周期性脈動；

（3） 轉(zhuǎn)速高、排量大 （可達到15×106～42.5×106m3/d）；

（4）工作穩(wěn)定，振動小；使用期限長、可靠，易損件少；

（5）便于調(diào)節(jié)流量和節(jié)能，易實現(xiàn)自控等。

其缺點為：

（1）壓比較低，熱效率低，流量過小時會產(chǎn)生喘振；

（2）適用于大流量、中低壓條件。

從以上的對比分析可以看出，迷宮式壓縮機占地面積小，效率比較高，從長周期運行來看比較經(jīng)濟，安全環(huán)保。

表1 不同材料的力學性能對比

5 BOG迷宮壓縮機的結(jié)構(gòu)性能研究

其主要特點有：

（1） 一級氣缸材料為GGG Ni35,高鎳球墨鑄鐵，其力學性能參數(shù)見表1，進氣可以到-160℃，壓縮機無需預冷可以直接從常溫啟動。活塞采用迷宮式間隙密封，因此沒有磨損。

（2） 氣缸與機身間設(shè)有隔熱層，在其夾層中充乙二醇循環(huán)液，壓縮機正常運行時保持溫度約-20℃，以免機身過冷而脆裂。

（3） Ⅰ、Ⅱ級無需中間及后冷卻器，若為三級壓縮機可能需要后冷卻器。

（4） 活塞與活塞桿均采用迷宮密封，不存在傳統(tǒng)活塞環(huán)、填料函潤滑問題；

（5）泄漏氣體收集后回到一級進氣，曲軸軸封為含在油內(nèi)的雙端面軸封。

6 BOG壓縮機裝置收益情況

按照LNG接受站的BOG增壓機已調(diào)試完畢具備外輸條件，向下游用戶輸送天然氣。按照設(shè)計負荷19×104m3/d的外輸處理能力，裝置24 h連續(xù)運行后每天收益=1.7元/m3×19×104m3/d=32.3萬，BOG增壓壓縮機裝置的設(shè)備購置費用加上土建施工等費用總計約1200萬元。

7 結(jié)語

BOG增壓外輸或再液化裝置在LNG接收站的成功應用，能夠有效避免不必要的資源浪費和環(huán)境破壞，BOG壓縮機作為該系統(tǒng)的核心裝置，無論從運行安全可靠性還是經(jīng)濟性的角度講用迷宮壓縮機是最佳的選擇。