整體齒輪式壓縮機在LNG接收站中的適用性分析

姜 良 張文國 李志權 邵 晨 范吉全

中國寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100020

0 前言

近年來,我國對天然氣的需求量日益增加,國家每年都在沿海及周邊地區投入大量LNG接收站建設[1]。液化天然氣(LNG,Liquefied Natural Gas)易閃蒸,在操作過程中不可避免地會產生大量的蒸發氣(BOG,Boiling Off Gas),需要使用壓縮機將其加壓后回收利用,目前國內LNG接收站工程廣泛采用往復式壓縮機[2]。隨著接收站規模越來越大,需要處理的BOG氣量也越來越大,多臺大型往復式壓縮機組并聯成為一種必然選擇,但這種配置也在占地、維護、調節等方面暴露出一些缺陷,而且綜合消耗水平也比較高。另外對一些新型接收站工程,如浮式LNG、FSRU等,壓縮機組布置在船上等空間受限區域,占地的大小也在一定程度上限制了裝置規模的增長。而在韓國、日本等一些國家的LNG接收站工程中已有部分開始使用整體齒輪式壓縮機解決該問題。整體齒輪式壓縮機(IGC，Integrally Geared Compressor)是一種多軸離心壓縮機,轉速高、做功能力強,非常適合用在氣量比較大、壓力不太高的領域。探索在我國LNG接收站工程中采用整體齒輪式壓縮機作為BOG壓縮機,具有較好的應用前景和經濟意義。

1 LNG接收站工藝流程及特點

LNG接收站用于儲存和外輸LNG,根據外輸方式可分為直接加壓外輸或再冷凝外輸工藝,典型再冷凝外輸工藝流程見圖1。液相LNG首先通過卸船臂(卸船設施)從船上儲罐輸送至接收站儲罐儲存,需要外輸時通過罐內泵輸送至再冷凝器,再經高壓外輸泵加壓后進入氣化器氣化外輸;液相LNG進入儲罐后會置換出儲罐內原有的BOG,同時操作過程也會閃蒸出大量的BOG,這些BOG一部分經氣相臂(卸船設施)返回船上儲罐以維持壓力平衡,另一部分由BOG壓縮機增壓后進入再冷凝器液化。直接加壓外輸工藝則是將再冷凝過程改為直接外輸,其他與再冷凝工藝流程基本相似[3-5]。

圖1 再冷凝外輸工藝LNG接收站流程圖Fig.1 Flowchart of LNG receiving terminal re-condensation process

LNG是一種極易揮發的液體,在日照、環境溫度、大氣壓變化及裝卸船/槽車、泵運行、液體翻滾等過程都會產生大量的BOG,其中影響最大的過程是環境吸熱和卸船工況,呈現出季節性和周期性變化規律。裝置中的BOG除去用于全廠壓力平衡的部分,其余大部分都通過壓縮機處理[4],因此接收站工程中的BOG壓縮機通常會有多個氣量差別較大的工況,而且每個工況氣量也會小幅度變化。大型LNG儲罐一般采用常壓設計,罐內閃蒸BOG通過總管進入壓縮機,壓縮機入口壓力通常比較穩定;再冷凝工藝壓縮機出口壓力應與冷凝壓力匹配,而直接加壓外輸工藝則根據不同的管網需求確定,不管采用哪種工藝,都希望壓縮機出口壓力穩定,以保持整個系統的穩定運行。部分接收站工程BOG壓縮機工藝參數見表1。由表1可以看出BOG壓縮機處理能力和壓力等級,也可以粗略看出接收站規模越大,壓縮機需要處理的BOG氣量也越大。

表1 部分接收站工程BOG壓縮機工藝參數表Tab.1 Process parameters of BOG compressor in some receiving terminals

儲罐內直接蒸發的BOG溫度約-160 ℃,在輸送過程中BOG會因管道吸熱而逐漸升溫,特別是在長期停轉的備用壓縮機管線內,甚至會升高至接近環境溫度;而裝船工況時BOG溫度則會在-60～-40 ℃左右?？梢奓NG接收站中BOG壓縮機入口溫度范圍很寬。

綜上所述,LNG接收站工程中BOG壓縮機主要有如下操作特點:極低溫度下運行;存在多個氣量工況點,每個工況點下氣量也小幅度波動;入口壓力穩定,但入口溫度變化大;要求出口壓力穩定。

2 整體齒輪式壓縮機結構及原理

整體齒輪式壓縮機又稱多軸離心壓縮機,最早于1948年由德馬格公司設計而成,用于解決汽車行業空氣供給問題。自問世以來,整體齒輪式壓縮機憑借其占地小、效率高以及調節范圍寬的優點得到了迅速推廣[6]。整體齒輪式壓縮機主要由大齒輪、小齒輪、高速軸、低速軸、葉輪和蝸殼等部件組成,典型結構見圖2。驅動機通過低速軸驅動大齒輪轉動,再由大齒輪帶動小齒輪轉動,小齒輪軸獲得極高的轉速,葉輪布置在小齒輪軸兩側。工作時旋轉的葉輪將工藝氣體吸入,氣體在離心力的作用下獲得動能,然后擴壓器進一步將動能轉變為壓力能,最后經蝸殼收集后排出[7-8]。

a)內部結構圖a)Internal structure drawing

整體齒輪式壓縮機小齒輪與高速軸一體鍛造成型,大齒輪則與低速軸過盈配合,葉輪布置在高速軸兩側,通過大小齒輪嚙合獲得極高轉速,每一個葉輪就是一級。因為空間和效率的原因,目前大多數廠家最多設計四根高速軸和八個葉輪,即八級壓縮。相比于單軸多級離心壓縮機,這種設計每根高速軸都獨立布置,可以根據葉輪性能設計不同轉速;而且兩個葉輪反向布置在高速軸兩側,可以消除大部分不平衡力,整體平衡性較好,因此機組性能更好。國內外許多制造廠、研究人員也對進一步提高機組使用性能展開了大量研究工作[9-12]。

整體齒輪式壓縮機的缺點是結構相對比較復雜、技術難度高,特別是多齒輪—多轉子—多軸承的復雜耦合軸系系統,導致機組動力學特性復雜、制造和設計難度較大,容易產生振動、噪聲等故障[13-16]。目前世界范圍內投產的整體齒輪式壓縮機,特別是工藝用的,主要由阿特拉斯、西門子、勝達因等國外制造廠提供,而國內制造廠僅在空分行業有一定業績,整體市場占有率很低,國產化水平較低。

3 整體齒輪式壓縮機適用性分析

3.1 選型

LNG接收站選用壓縮機,首先需要壓力和流量滿足工藝需求,能夠安全穩定運行,同時需要具有較好的經濟性和維護性。各類壓縮機吸入體積流量—排出壓力范圍見圖3,結合前文接收站工程壓縮機參數要求,可以看出往復式壓縮機和整體齒輪式壓縮機都適合一些BOG壓縮機的參數范圍,但往復式壓縮機更適合小流量、高壓力工況,而整體齒輪式壓縮機適合大流量、中低壓力工況[2,5]。值得一提的是,雖然從工作區間看,單軸多級離心壓縮機也能勝任部分工況,但此類壓縮機轉速較低,單級做功能力較弱,通常需要很多的壓縮級,機組軸系較長、結構復雜、投資巨大,因此幾乎沒有應用。

圖3 各類壓縮機流量—壓力使用范圍圖Fig.3 Flow-pressure range of all types of compressors

3.2 流量

如圖3所示,整體齒輪式壓縮機可以在大吸入流量(3 000～300 000 m3/h)范圍內工作，也可以使用流量系數來驗證其通流能力。公式(1)、(2)為ISO 5389—2005Turbo-Compressors-Performance Test Code對流量系數的定義[17],可見吸入流量跟圓周速度和葉輪直徑有很大關系,壓縮機設計時為保證一定的效率,都需要選用合適的數值。以流量系數0.12,圓周速度300 m/s和350 m/s為例,對不同直徑和轉速葉輪通流能力進行測算,結果見表2。

表2 某壓縮機流量估算表Tab.2 Flowrate calculation of a compressor

(1)

(2)

從表2可以明顯看出,整體齒輪式壓縮機有很寬的流量范圍,而且更適合在大流量區間工作。壓縮機設計時,為保證一定的出口壓力,葉輪輪緣周速不能太慢,這時候如果要獲得小流量就需要選用小直徑的葉輪,導致葉輪轉速極高,給轉子和軸承的設計、制造帶來巨大影響,因此在現有規模比較小的接收站工程中,鮮有整體齒輪式壓縮機的使用;當接收站規模變大,需要處理的BOG氣量也越來越大,整體齒輪式壓縮機的轉速、輪徑均在設計最佳范圍內,整體性能較好,而如果選用往復式壓縮機則只能多臺并聯使用。

3.3 排出壓力

排出壓力也是BOG壓縮機的關鍵參數,選用整體齒輪式壓縮機必須能夠滿足接收站的使用需求。公式(3)～(6)為葉輪多變能量頭系數[6,18-19],表征葉輪的做功能力,可據此測算機組排出壓力。以某四級整體齒輪式壓縮機為例,各級葉輪圓周速度分別設計為350 m/s、350 m/s、300 m/s和300 m/s,多變效率為85%,能量頭系數為0.5,分子量取18 g/mol,絕熱指數1.37,可計算出機組各級排出壓力見表3。

表3 某壓縮機排出壓力估算表Tab.3 Discharge pressure calculation of a compressor

(3)

(4)

(5)

(6)

從表3測算結果可知,該機組排出壓力一級可達到約0.282 MPa.a,二級可達到約0.574 MPa.a,三級可達到約0.886 MPa.a,四級可達到約1.464 MPa.a。同樣,如果為八級壓縮最高壓力約在4 MPa.a,這與LNG接收站工程中所需要的排出壓力也基本匹配。從表3也可以看出隨著入口溫度的升高,即便同樣高效的葉輪可實現壓比也逐漸降低,要實現更高的壓力需要更多級的葉輪,因此整體齒輪式壓縮機不太適合超高排出壓力工況,對于此種工況,可以采用接力壓縮的方式實現。

3.4 負荷調節

LNG接收站工程中BOG壓縮機需要在多個工況下工作,機組必須具有很好的負荷調節特性。對于往復式壓縮機,一般都通過卸荷器和余隙閥實現0、25%、50%、75%、100%五檔調節,對于要求更高的機組則需要配置昂貴的無極負荷調節系統,系統復雜，成本較高。整體齒輪式壓縮機因為獨立葉輪的結構,可以配置可調入口導葉(IGV,Inlet Guide Vane)和可調出口導葉(DGV,Discharge Guide Vane),具有很好的負荷調節特性,配合旁路調節基本可以在全流量范圍內進行負荷調節。對于整體齒輪式壓縮機,因為復雜齒輪系統的原因,并不推薦采用變轉速調節。

3.4.1 可調入口導葉

可調入口導葉[6,18]就是在葉輪前設置可轉動的導流葉片,通過導葉的開合進行負荷調節,某機組入口導葉結構以及調節曲線見圖4。研究表明可調入口導葉有閥門和氣流預旋兩種作用,導葉關閉角度不大時預旋起主要的調節作用,而關閉角度增大以后閥門作用明顯,非常節能。這種調節方式可以在維持出口壓力不變的情況下,沿著曲線向左調節至喘振線流量,效率的減少也遠遠小于往復式壓縮機效率的減少。

a)可調入口導葉結構a)IGV structure

3.4.2 可調出口導葉

離心壓縮機采用有葉擴壓器不僅比采用無葉擴壓器效率更高,還可采用可調出口導葉調節[6,18],某機組可調出口導葉結構及調節曲線見圖5。可調出口導葉將擴壓器葉片設計成可轉動的,以適應不同流量下的來流方向,使機組壓力曲線可在大范圍內近似平行移動,而效率變化不大。

綜上,整體齒輪式壓縮機負荷可以在大范圍內線性調節,而出口壓力不變,對于流量不停波動的BOG壓縮機具有很好的適用性,比往復式壓縮機負荷調節性能更好。

3.5 溫度及其它使用問題

LNG接收站BOG壓縮機必須適應低溫工況。整體齒輪式壓縮機葉輪和殼體等過流部件都可以采用不銹鋼材料,整體結構簡單。往復式壓縮機氣缸和活塞需要采用高鎳低溫球鐵[20],相比之下整體齒輪式壓縮機材料的加工、制造技術都非常成熟,低溫工況運行時零部件的冷縮變形、隔冷以及軸端密封的配置都更容易實現,適合在低溫工況下運行。

同其它壓縮機一樣,整體齒輪式壓縮機入口溫度變化也會影響其做功能力,而且影響更大。從上文3.3節分析可知,級入口溫度升高,就會導致機組升壓不夠,溫度變化越大這種影響越大。為了應對接收站工程入口溫度變化問題,可以在入口設置減溫器或急冷器,保證機組入口溫度始終保持在穩定范圍內,機組始終在穩定狀態運行。

a)可調出口導葉結構a)DGV structure

BOG是一種易燃、易爆氣體,必須保證使用的安全性。整體齒輪式壓縮機可以配置干氣密封,杜絕工藝介質與大氣之間的泄露,而且可以長周期連續運行,極大地減少維護工作。

3.6 國外應用實例介紹

在韓國、日本等國家的部分LNG接收站工程中已有整體齒輪式壓縮機應用,根據一些國際知名制造廠提供的應用實例見表4,可以看出大多機組流量比較大、排出壓力不太高,這些機組現場長期穩定運行、表現良好。

表4 部分國外接收站工程應用實例表Tab.4 References of some foreign LNG receiving terminal

3.7 與往復式壓縮機對比分析

往復式壓縮機是一種容積式壓縮機,利用活塞往復運動帶動氣缸容積變化壓縮氣體,按照結構可以分為臥式活塞環和立式迷宮兩種形式。兩者區別主要在于活塞運動方向以及活塞與氣缸的密封方式,在技術性和經濟性方面差別不太大[20-21],本文以臥式活塞環選型為例進行對比。針對某一接收站工程中BOG壓縮機選用整體齒輪壓縮機和往復式壓縮機的具體對比見表5,機組吸入流量5 800 m3/h,入口壓力0.12 MPa.a,排出壓力1.1 MPa.a。

表5 整體齒輪式與往復式壓縮機選型對比表Tab.5 Comparison of integrally geared compressor and reciprocating compressor

由表5數據可見,對于此BOG壓縮機,選用整體齒輪式壓縮機占地小、重量輕,對于地面和平臺的要求也比較低,可以極大地減少工程用地的投入;可以整體橇裝到貨,安裝簡單,運行穩定,噪音和振動小;易損件也較少,可以長期連續運行,后期維護費用也較低,機組的技術經濟性較好。當接收站規模越大時,這種優勢越明顯。但是由于整體齒輪式機組的國產化水平較低,基本需要依賴進口,而且每個葉輪都需要干氣密封,一次投資也比較高,提高機組國產化水平是提高競爭力的必由之路。

4 結論

整體齒輪式壓縮機通過齒輪傳動,葉輪在高速下運轉,使得機組在具有單軸離心機結構簡單、運行穩定、通流能力大等優點的同時,做功能力也很強,機組布置緊湊、占地小、重量輕,可以替代部分往復式壓縮機組作為BOG壓縮機,在接收站規模進一步增大時這種優勢將更加明顯,具有很好的適用性。機組的應用推廣也會進一步促進其國產化水平的提高,推動國內壓縮機行業和天然氣行業的發展,對于國家節能降耗、提高能源綜合利用率具有很高的應用價值。