LNG裝置中BOG壓縮系統存在的問題分析與改進

（康泰斯(上海)化學工程有限公司 上海 201203）

1.引言

隨著國內液化天然氣（Liquified Nature Gas，簡稱：LNG）技術的發展和推廣，越來越多的LNG工廠相繼建成并投入運行。LNG工廠中的閃蒸氣（Boil-off Gas，簡稱：BOG）主要來源于LNG儲罐和LNG灌裝站。產生的BOG需要回收，回收的BOG用途也不盡相同，目前主要有以下幾種：（1）用于分子篩干燥塔的再生；（2）至液化單元中的主換熱器中再液化；（3）外輸至下游管網。BOG的回收需要BOG壓縮機，BOG壓縮機一般采用噴油螺桿式壓縮機和往復式壓縮機，其中以噴油螺桿式壓縮機居多。本文主要討論噴油螺桿式壓縮機的情況。BOG經BOG壓縮機抽吸后進入到BOG壓縮機的入口，為防止低溫的BOG直接進入到BOG壓縮機中，設有一臺BOG換熱器將低溫的BOG復溫至-20～-40℃左右，然后再進入到BOG壓縮機中。壓縮后的BOG和潤滑油一起進入到BOG壓縮機的油氣分離器中，將BOG和潤滑油進行分離。分離出潤滑油的BOG依次通過BOG壓縮機出口冷卻器、二級油分離器、三級油分離器、除油碳床和碳粉過濾器后進行回用。分離出BOG的潤滑油，通過潤滑油泵將潤滑油輸送至BOG壓縮機油冷卻器進行換熱，降溫后的潤滑油經BOG壓縮機油過濾器后再次進入到BOG壓縮機中。BOG壓縮流程示意圖如圖1所示。

圖1 BOG壓縮流程示意圖

2.BOG壓縮機原有潤滑油系統存在的問題分析

(1)BOG壓縮機原有潤滑油系統

在原有的潤滑油系統中，來自BOG總管的BOG至BOG壓縮機中進行增壓，增壓后的BOG至油氣分離器中進行分離。分離出潤滑油的BOG依次通過空冷器、油分離器、除油碳床和粉塵過濾器后進入下游。分離出BOG的潤滑油，經潤滑油泵增壓后至BOG壓縮機油冷卻器，再經油過濾器過濾后，返回至BOG壓縮機中。該工廠的BOG壓縮機采用撬裝，其中BOG壓縮機、油氣分離器、油泵、BOG壓縮機油過濾器、油分離器安裝在撬塊上，BOG壓縮機油冷卻器、BOG壓縮機出口冷卻器布置在壓縮機廠房外的管廊上，距地約20m。除油碳床和碳粉過濾器布置在壓縮機廠房內部的地面上。其中，BOG壓縮機潤滑油系統的流程如圖2所示。

圖2 BOG壓縮機原有潤滑油系統流程示意圖

(2)存在的問題分析

結合我司在內蒙古的一座日處理能力為170,0000Nm3的液化天然氣工廠為例，對現有BOG壓縮機潤滑油系統存在的問題進行分析。該工廠采用的是YORK RWBⅡ1080型噴油螺桿式壓縮機。壓縮機啟動條件中，有一個條件為壓縮機啟動后10秒內需建立正常的油氣壓差，否則連鎖停機。油氣壓差為壓縮機的排氣壓力與噴油壓力的差值。油氣壓差過大，說明潤滑油的循環不通暢，噴油量不足。噴油量的不足，會嚴重影響BOG壓縮機的正常運行，甚至會損壞壓縮機。可見，保證潤滑油循環通暢，對BOG壓縮機的正常啟動、運行和機組安全都十分重要。

BOG壓縮機的潤滑油是通過潤滑油泵進行循環的。BOG壓縮機啟動后，由于當地冬季的環境溫度較低，平均溫度在-10℃左右，大部分的潤滑油管路布置在廠房外，且均做伴熱保溫，導致管路中的潤滑油溫度下降很快，潤滑油粘度變大，流動性變差，導致潤滑油不能及時回流至壓縮機內。潤滑油不能及時的回流，導致油氣分離器中的潤滑油油位降低，若低于油氣分離器內置的電加熱器時，電加熱器則不能進行加熱，只有長時間的等待讓留存在管路中的潤滑油緩慢地回流至壓縮機中，進行下一次的加熱和循環。油氣分離器中的潤滑油油位降低，導致內置的電加熱器不能持續的進行加熱，進一步延緩了潤滑油溫度的提升。目前在啟動BOG壓縮機前，需要通過電加熱器反復的加熱和潤滑油泵反復的循環潤滑油，使潤滑油管路的溫度升高，直至潤滑油回流通暢，循環正常。同時，潤滑油管路的布置又存在較大的高度差，進一步增加了潤滑油循環的難度。在冬季啟動BOG壓縮機的過程中，需要花費相當長的時間使潤滑油循環通暢。當工廠有大量BOG需要回收時，BOG壓縮機又不能及時的正常啟動進行回收，BOG就只有排放至火炬，顯然這種情況是不可接受的。

根據以上的分析和討論，現有BOG壓縮機潤滑油系統存在的問題主要有：①潤滑油的加熱過程不能保證持續性和其穩定性，潤滑油的溫度提升緩慢；②潤滑油管路存在較大的高度差，增加了潤滑油循環通暢的難度。

3.針對BOG壓縮機原有潤滑油系統的改進方案

(1)BOG壓縮機改進后的潤滑油系統

針對原有的潤滑油系統存在的問題，本次改進將新增的設備和管線布置在壓縮機廠房外，并位于BOG壓縮機油冷卻器管廊正下方的地面上，大大降低潤滑油循環管路的高度差。在原有的潤滑油系統基礎上，新增一臺潤滑油/乙二醇換熱器和一套乙二醇循環系統。乙二醇循環系統包括一個乙二醇儲罐、兩臺乙二醇循環泵和若干管線管件等。與此同時，利舊BOG壓縮機原有的油冷卻器，用于乙二醇的降溫，設備名稱更改為乙二醇冷卻器，乙二醇冷卻器設置有旁路。考慮到當地冬季環境溫度較低，選用55wt%的乙二醇溶液作為乙二醇循環系統的工藝介質。

BOG壓縮機啟機前，通過乙二醇儲罐內置的電加熱器和乙二醇循環泵，對潤滑油進行加熱，可保證潤滑油的升溫速率和升溫穩定性，使潤滑油系統快速建立正常的循環，達到快速正常啟動BOG壓縮機的設計目的。

BOG壓縮機啟動后，在壓縮過程中潤滑油的溫度會升高，在油氣分離器中分離出BOG的高溫潤滑油，通過潤滑油/乙二醇換熱器進行降溫，降溫后的潤滑油再次返回到BOG壓縮機中。與高溫潤滑油換熱后的乙二醇溫度會升高，升溫后的乙二醇在乙二醇冷卻器中降溫，降溫后的乙二醇再次進入到潤滑油/乙二醇換熱器中與潤滑油進行換熱，達到降低潤滑油溫度的目的，保證返回至BOG壓縮機的潤滑油溫度正常和穩定，實現機組的長時間平穩、安全運行。改進后的潤滑油系統流程如圖3所示：

圖3 BOG壓縮機改進后潤滑油系統流程示意圖

(2)改進方案中相關設備的計算和校核

①潤滑油/乙二醇換熱器的選型和計算

本次改進中，新增的潤滑油/乙二醇換熱器的設計工況，如表1：

表1 潤滑油/乙二醇換熱器的設計工況

結合設計工況和換熱器的設計原則，選取管殼式換熱器，換熱器的型式為BEM。其中，潤滑油走管程，乙二醇溶液走殼程。利用HTRI軟件進行計算，最終換熱器的結構參數為：公稱直徑600mm；管子為φ15.875mm×1.651mm的碳鋼光滑管，長度4.5m，管心距為19.844mm，管子數為440，管程數為2，管子排列方式為30°；折流板為單弓形折流板，圓缺率25%，板間距為200mm。

②乙二醇冷卻器的校核

本次改進中，原有的BOG壓縮機油冷卻器，為空冷式換熱器。現用于乙二醇的降溫，為確保其能夠滿足工藝要求，需要在原有設計和結構參數不變的基礎上，采用HTRI軟件對乙二醇的降溫工況進行核。冷卻乙二醇的校核工況如表2所示：

表2 乙二醇換熱器的校核工況

根據HTRI計算輸出的結果，面積余量達178%，空氣側的出口溫度為41.8℃，利舊的油空冷器滿足工藝的要求。

③乙二醇循環泵的選型和計算

工藝介質為55%wt的乙二醇溶液，選用離心泵即可滿足工藝要求。

根據乙二醇管道的走向和管件數量，利用化工原理中相關的計算原理和方法，計算得出管道的阻力損失為7.5m，乙二醇冷卻器的阻力損失為14m，乙二醇的安裝高度為20m。故泵的揚程為41.5m，考慮20%的余量，最終選用的泵揚程為50m，額定流量為132000kg/h。按泵的效率85%考慮，選用的電機功率為21.5KW。

④乙二醇溶液儲罐的選型和計算

目前系統中的乙二醇循環量為132m3/h，按照乙二醇在儲罐中的停留時間3min計算，乙二醇儲罐的有效體積為6.6m3，總容積為7.8m3，外形尺寸為ID2000×2480mm。儲罐的形式為固定頂平底罐。

4.BOG壓縮機潤滑油系統改進前后的效果分析

(1)改進前后對潤滑油回油溫度的影響

從圖4中可以看出，改進前的潤滑油系統，從潤滑油泵啟動后的2個小時內，潤滑油的回油溫度仍未達到30℃，潤滑油回油不通暢，未建立正常的循環；改進后的潤滑油系統，從潤滑油泵啟動后的0.5個小時，回油溫度即可達到30℃，潤滑油的循環通暢。能夠在如此短的時間內，建立起潤滑油的正常循環，與采用具有一定溫度的乙二醇加熱潤滑油、改變潤滑油冷卻器的布置和對潤滑油管路進行伴熱保溫很大的關系。改進后的潤滑油系統運行情況，與改進前有極大的改善。

圖4 潤滑油回油溫度隨時間的變化

(2)改進前后對壓縮機正常啟動時間的影響

從圖5中也可以看出，改進前的潤滑油系統，2小時內都無法正常啟動；改進后的潤滑油系統，潤滑油循環20分鐘后，壓縮機就可以正常啟動。這主要得益于潤滑油的正常循環，使得油氣壓差可以快速、正常的建立。改進后的潤滑油系統，大大的縮短了壓縮機的啟動時間。

圖5 BOG壓縮機正常啟動與否隨潤滑油循環時間的變化

由于油氣分離器中的油位高低，是通過視鏡觀察到的，無法準確定量討論。但可以定性的進行說明，從實際的觀察結果來看。改進前，潤滑油泵啟動后，油位持續下降，在潤滑油泵停止后，油位上漲很緩慢，油位變化趨勢總體上層鋸齒形波動，這主要是潤滑油泵間斷性啟停和潤滑油回油造成的。改進后，油位在前一段時間內下降，之后基本不變，說明潤滑油的供油和回油達到平衡，潤滑油已建立正常的循環。這一過程需要的時間，相對于改進前來講，大大的縮短了。

5.結語

針對BOG壓縮機原有的潤滑油系統存在的問題，提出了潤滑油系統的改進方案。從實際的應用效果來看，改進后的潤滑油系統可以快速的提高潤滑油溫度，使潤滑油回油通暢，循環正常。在BOG壓縮機的啟動中，油氣壓差正常建立，達到了一次啟機成功的設計目標。與原有的潤滑油系統相比，可以節約大量的啟機時間，無論是在減少BOG的排放方面，還是BOG壓縮機的易操作性方面，都有著較大程度的改善和提升。對具有相同或類似問題的LNG裝置，具有一定的指導和參考意義。