BOG壓縮機出口溫度故障分析與研究

吳海洪

(國家管網集團 海南天然氣有限公司，海南 儋州 578001)

蒸發(fā)氣(BOG)壓縮機按照機構原理分為往復式壓縮機、離心式壓縮機、軸流式壓縮機；按照壓力又分為高壓壓縮機和低壓壓縮機。BOG壓縮機用于處理液化天然氣(LNG)接收站產生的BOG，從而保障LNG儲罐壓力運行安全，也被稱之為LNG接收站“心臟”。某公司LNG接收站配置臥式往復式壓縮機，在25%和75%負荷模式下出現(xiàn)二級出口溫度高的問題，導致該設備無法正常運行。通過一系列測試和研究分析，發(fā)現(xiàn)在25%負荷運行方式和75%負荷時的氣缸體積設計不滿足工況，通過改造措施解決故障。

1 BOG壓縮機工作原理

該公司LNG接收站BOG壓縮機氣缸為雙作用，即端蓋側和軸側氣缸都做功。以端蓋側為例，當活塞由端蓋側始點位置向軸側開始運動時，端蓋側容積變大，腔內殘留氣體膨脹，壓力下降，與進氣腔產生差壓，當差壓大于進氣閥彈簧力時，進氣閥打開。隨著活塞繼續(xù)向軸側運動，將氣體吸入缸內，活塞到達內止點時吸氣完畢。隨后活塞又從軸側位置向端蓋側方向返回移動，此時吸氣閥關閉，隨著活塞的繼續(xù)移動，缸內容積不斷變小，已吸入的氣體受到壓縮，壓力逐步升高。當缸內差壓大于排氣閥彈簧力時，排氣閥打開，缸內已被壓縮的氣體開始排出。

該BOG壓縮機級數為二級，每級分A/B 2個氣缸，氣缸類型為無需潤滑、浮動、干式氣缸，進氣、排氣閥為網狀板式閥，負荷設置為0，25%，50%，75%，100%共5個模式，主電機為功率1.25 MW，額定轉速為490 r/min，額定電壓為6 kV，交流電頻率為50 Hz的三相感應電機，其他設計參數見表1所列。

表1 BOG壓縮機設計參數

2 故障現(xiàn)象

在BOG壓縮機測試階段，依次在0，25%，50%，75%，100%負荷模式下調試壓縮機。當壓縮機調為25%負荷時，一級的進口溫度為-123 ℃，進口絕壓為0.111 MPa，運行一段時間后，二級的出口溫度逐漸升高，并達到溫度高報值135 ℃，而25%負荷下原設計的二級出口溫度為45 ℃，導致壓縮機在25%負荷下無法正常運行；當壓縮機調為75%負荷，一級進口的溫度為-122 ℃，一級進口絕壓為0.112 MPa，壓縮機二級出口溫度緩慢升高，并保持在95 ℃左右，75%負荷下原設計的二級出口溫度為18 ℃，實際溫度與原設計相差77 ℃，雖未超過溫度高報值135 ℃，但與原設計不相符。

3 故障分析與研究

3.1 故障初步分析

一般導致BOG壓縮機出口溫度高的原因主要包括： 氣閥故障，活塞、活塞環(huán)、活塞導向環(huán)和氣缸襯套等磨損超標，工藝參數設置不合理，氣缸水平度超標等。

根據故障現(xiàn)象，如果存在上述情況，則壓縮機在50%，100%負荷時也應出現(xiàn)出口溫度高的問題，實際只有25%和75%負荷才出現(xiàn)，且該壓縮機不可能同時因上述原因發(fā)生相同的故障。經分析，初步排除上述幾種原因，但需拆解壓縮機驗證。同時，核查入口溫度、入口壓力、介質成分等工藝參數，排除工藝參數設置不合理導致出口溫度高的問題。

3.2 壓縮機拆解檢查

根據故障初步分析，依次拆解該壓縮機進氣閥、氣缸端蓋、活塞、活塞環(huán)、活塞導向環(huán)、排氣閥等部件。

1)拆解進氣、排氣閥進行目視檢查，同時使用酒精測試板式氣閥的密封性，檢查結果為所有進氣、排氣閥工作正常。

2)使用框式水平儀檢查氣缸水平度，該壓縮機的4個氣缸水平度小于0.1 mm/m，滿足規(guī)范和設計要求。

3)檢查活塞環(huán)、活塞導向環(huán)、活塞、氣缸磨損情況，一級氣缸活塞環(huán)寬度設計要求18.7～18.8 mm，厚度設計要求14.7～22 mm，二級氣缸活塞環(huán)寬度設計要求15.7～15.8 mm，厚度設計要求12.7～19 mm，一級氣缸活塞導向環(huán)寬度設計要求54.5～54.6 mm，厚度設計要求13.5～15.97 mm，二級氣缸活塞導向環(huán)寬度設計要求49.5～49.6 mm，厚度設計要求13.2～15.47 mm，一級氣缸活塞直徑磨損不大于1.67 mm，二級氣缸活塞直徑磨損不大于1.3 mm，一、二級氣缸活塞與活塞襯套(底部)間隙不小于0.5 mm。經檢查，活塞環(huán)、活塞導向環(huán)、活塞、氣缸外觀正常，磨損程度滿足設計要求。

根據以上拆解檢查結果，進一步排除了氣閥故障、活塞磨損超標、活塞環(huán)、活塞導向環(huán)磨損超標、氣缸襯套超標、氣缸水平度超標的因素。

3.3 活塞環(huán)密封設計因素排查

拆解檢查結果表明，該壓縮機本體構件未受到損傷，不會導致出口溫度高的問題，需排查其他設計方面。其中，活塞環(huán)原設計為圓形密封環(huán)，依靠氣缸介質壓力使活塞環(huán)貼緊氣缸，達到密封作用。為驗證該因素是否為故障原因，對活塞環(huán)采取改造測試，即在活塞環(huán)里增加圓形鋼圈，增強活塞環(huán)與氣缸密封性。經改造測試發(fā)現(xiàn)，改變的活塞環(huán)形式未能解決出口溫度高的問題，因此排除活塞環(huán)密封設計不嚴因素。

3.4 負荷運行方式排查

3.4.1 25%負荷運行時故障排查

通過核查，發(fā)現(xiàn)25%負荷運行方式跟其他負荷運行方式有明顯的不同，25%負荷狀態(tài)下，一、二級A/B氣缸端蓋側每隔10 min交替工作，即一、二級A氣缸端蓋側運行10 min，然后A氣缸端蓋側停止工作，轉變?yōu)锽氣缸端蓋側工作10 min，按照該方式依次循環(huán)。經設備廠家詳細計算，結合該壓縮機運行工況，發(fā)現(xiàn)氣缸在停止工作的10 min內，會殘留一部分相對溫度較高的BOG氣體，而進口相對較冷的BOG氣體未持續(xù)進入氣缸，經過多次交替運行累計后，逐漸導致二級出口溫度高的故障。

3.4.2 75%負荷時氣缸體積設計因素排查

25%負荷出口溫度高故障原因為交替運行方式不滿足工況要求，而75%負荷時一、二級的氣缸都在同時運行，二級出口依然存在溫度高故障，其原因需進一步分析。經核查，該壓縮機負荷為75%時，一、二級A軸側，一、二級B軸側/端蓋側在做功，而A端蓋側未做功。經廠家再次進行壓縮比計算和試驗，發(fā)現(xiàn)75%負荷時氣缸體積設計可能與工況不相符，導致二級出口溫度逐漸升高，即比原設計溫度高77 ℃。

4 改造措施及技術方案

通過對該壓縮機拆解檢查和分析研究，確定了25%負荷時A/B氣缸交替運行方式、75%負荷時氣缸體積設計不滿足工況為出口溫度高的根本原因。25%和75%負荷時的氣缸改進前后對比如圖1和圖2所示。

圖1 25%負荷時氣缸改進前后對比示意

圖2 75%負荷時氣缸改進前后對比示意

為解決該問題，改造措施及技術方案如下：

1)改變氣缸運行方式。在負荷25%時，原氣缸運行狀態(tài)設計為一、二級A/B軸側交替做功運行10 min，改造措施為取消氣缸交替工作方式，運行狀態(tài)改為一、二級A/B端蓋側氣缸同時運行做功，擴大氣缸體積。

2)增大氣缸體積。在一、二級A/B端蓋側各增加1個卸荷閥，增大了氣缸體積。由原來的3個氣缸做功變?yōu)?個氣缸做功，以達到相同輸出的流量和壓力。

3)拆卸舊端蓋，安裝帶有卸荷閥的新端蓋，同時修改機柜間BOG壓縮機電控柜儀表邏輯程序，解決出口溫度高的問題。

5 結束語

導致BOG壓縮機出口溫度高故障的原因有很多種，經過測試檢查和分析原因，得出25%負荷時A/B氣缸交替運行方式和75%負荷時氣缸體積設計不滿足該工況，是導致出口溫度高的根本原因。采用了在氣缸端蓋增加卸荷閥以增大氣缸體積和改變氣缸運行方式，測試記錄結果表明，該改造措施能夠滿足現(xiàn)場工況運行。同時，需注意在進行BOG壓縮機設計選型時，需慎重設計負荷運行方式，并精確計算氣缸體積，防止出口溫度高。