迷宮壓縮機在低溫BOG 領域的應用

柴卓，劉斌，徐建，胡波

(沈陽遠大壓縮機有限公司，遼寧 沈陽 110027)

0 引言

烷烴、烯烴類氣體以及其化工產品在人們的生產生活中起到至關重要的作用，被廣泛用于家庭、工業及交通領域。例如，甲烷作為一種清潔能源，可用于發電、供暖、交通燃料等，也可用于制造合成氣和一些有機化合物；乙烯是一種重要的化工原料，廣泛用于制造塑料、合成纖維、合成橡膠，以及合成乙醇、乙醛等多種有機化合物；乙烷、丙烷、丁烷等在化工、冶金、電子、石油等工業部門也有廣泛的應用。由于市場能源應用的需求增多和在化工產品中的廣泛應用，烴類氣體在市場上的流通量也在逐漸增加，其通常采用的運輸方式有：壓縮成高壓氣體采用CNG 罐車運輸、沖入高壓氣瓶車載運輸、轉化為液態介質槽車運輸或船運等。通過在實際生產中的操作對比，將烴類氣體轉化為液體進行運輸、儲存是最為高效和便捷的方式。在這些氣體的采集、儲存、制備、液化、運輸等生產過程中壓縮機是必不可少的關鍵設備，而在BOG(boil off gas)工藝中，迷宮壓縮機以其特有的結構形式、密封方法、材料性能在實際應用上體現出明顯的優勢[1-3]。

1 壓縮機應用環境

低溫液態烴類在系統中由于溫度或壓力變化，達到了氣液兩相介質的臨界條件，部分液體轉化成氣體，這部分氣體就是BOG。BOG 的產生通常有以下幾種方式：第一，在液體儲罐中，雖然罐體外部進行了保冷處理，但罐體與外界不可避免發生熱交換，溫度的升高造成部分液體轉化為氣體，這樣就會產生BOG；第二，在液體槽車卸車、裝船等操作過程中，槽車或儲罐內由于壓力的變化都會產生BOG；第三，工廠制備的高壓液體在外售前需要將壓力降低到槽車能承受的低壓狀態，液體在高壓向低壓轉化的過程中也會產生BOG。由于BOG 發生在氣液轉化的臨界點，因此大部分BOG 的溫度都很低，例如甲烷BOG 的溫度是-162 ℃，乙烯BOG 的溫度是-103 ℃，乙烷BOG 的溫度是-88 ℃，丙烷BOG 的溫度是-42 ℃，丁烷BOG的溫度是-0.5 ℃。壓縮機在BOG 工藝中的作用就是抽取這些低溫氣體，對其進行輸送，或者增壓再液化，液化后的介質有利于工廠儲存和運輸。因此所使用的壓縮機應具有的基本特征就是能夠承受較低的溫度，并在低溫下具有所需的強度及韌性。

通常情況下，零件接觸低溫介質后會發生冷脆現象，尤其非金屬零件會更加明顯。同時在BOG 壓縮機的初始運行階段，往往會遇到常溫工況，這就要求壓縮機能保持良好的熱脹冷縮性能，滿足不同工況下氣體的溫度、壓力變化。因此在壓縮機的結構形式、材料選擇、工藝處理上將帶來很大困難[4]，給壓縮機的設計者、生產者、運營者都會帶來更多的挑戰。

2 迷宮壓縮機結構介紹

迷宮壓縮機屬于立式壓縮機，各列十字頭、活塞、氣缸等零件均在壓縮機曲軸-連桿正上方。活塞在氣缸中垂直往復運動，上部與缸蓋一起形成蓋側工作腔，下部與填料、缸底一起形成軸側工作腔。為活塞垂直往復運動提供保證的是導向軸承部件，它與十字頭滑道兩點一線控制整個活塞運行的垂直度，整體結構如圖1 所示。活塞與氣缸之間通過活塞裙套上的迷宮槽進行軸、蓋側工作腔的氣體隔離，軸側用填料密封沿活塞桿發生的氣體泄漏，填料環與活塞桿之間的密封也采用迷宮槽密封形式，因此整個密封腔無接觸式摩擦。迷宮槽密封原理如圖2 所示，高壓氣體在狹小間隙下有極少部分通過各個節流點向低壓側流動，此時氣體的壓力能轉化為動能，當氣體通過節流點后，由于容積的突然擴大，氣體速度急速下降，氣體的動能轉化為熱能及渦流能。經過連續均布的節流和齒槽漩渦室的重復作用，泄漏氣體的壓力逐漸降低到低壓側工作腔的壓力，無法繼續流動，阻止了兩個工作腔氣體的相互泄漏。

圖1 迷宮機結構原理

圖2 節流密封原理

由此可見活塞與氣缸之間的節流間隙，是整個迷宮壓縮機的關鍵技術，而在低溫或高溫壓縮機中由于溫度變化范圍較大，這個間隙的控制成為低溫BOG壓縮機設計的重點和難點。

3 迷宮壓縮機在BOG 中的優勢

通過對比迷宮壓縮機與臥式活塞環壓縮機的結構特點、BOG 迷宮壓縮機的關鍵技術以及迷宮機對變工況的適應能力來分析迷宮壓縮機在BOG 工藝中的優勢。

3.1 結構特點對比

迷宮壓縮機采用迷宮環槽對氣體進行節流密封，這樣活塞與氣缸、填料之間無接觸，活塞上不需要設置活塞環；活塞的運動軌跡采用氣缸下部的導向軸承進行控制，因此在氣缸內部也不需設置支承環。而在臥式活塞環壓縮機中，活塞環是關鍵密封元件，支承環是保證活塞與氣缸同心的重要元素，并且兩種零件均為非金屬材質。下面通過對比活塞環和支承環的有無，可以清楚地體現迷宮壓縮機在BOG 工藝中的一些優點：(1)臥式機中的活塞環、支承環通常為非金屬零件，適應的溫度范圍較窄，容易出現冷脆現象，選材比較困難。而迷宮機工作腔全部采用金屬材質，不存在此問題。(2)迷宮機壓縮的氣體不會受到摩擦粉末帶來的污染，介質的純凈度得到保證。BOG 氣體屬于閃蒸氣，其雜質很少，屬于清潔介質，經過壓縮后仍能保持原有的純度不降低。(3) 迷宮機活塞與氣缸不接觸，不會像臥式活塞環壓縮機那樣產生摩擦熱，BOG介質溫度較低，工作中不會帶來附加溫升。同時由于壓縮機的摩擦功減少，整體功耗下降。(4)迷宮機沒有活塞環、支承環，在設計和操作上，具有結構簡單、安裝方便，后期維護成本低，檢維修周期長等優點。

3.2 關鍵技術

迷宮壓縮機在應對低溫BOG 介質工況下，根據其結構特點，采用特有的一些材料、工藝可以使其優勢更加明顯、適應能力更強。

3.2.1 材料的選擇

對于低溫BOG 壓縮機材質的選擇應至少考慮以下四個方面的重要因素：(1)具有所需的抗拉強度、屈服強度；由于壓縮機需要將氣體加壓至一定壓力，因此這是一個基本要求，合格的強度是所有壓縮機承壓零件都應具有的特征。(2) 在低溫狀態下具有要求的抗沖擊韌性；一般金屬零件在常溫下具有很好的強度，但在低溫環境下會發生冷脆現象，因此能夠在低溫工況下保持良好的韌性是低溫BOG 壓縮機零件所需的重要特性。(3)在低溫狀態下具有較小的冷縮變形特征；由于零件的加工制造、裝配調試是在常溫環境下操作的，但在實際的工作中零件會發生冷縮現象，這樣會影響相互配合零件的間隙，因此低溫狀態下保持較小的冷縮變形量也是一個關鍵指標。(4) 在高溫工況下應不會發生較大的膨脹。低溫BOG 壓縮機有時也會存在常溫或高溫工況，這就要求零件在高溫狀態下仍能保持合理的間隙，這就要求零件具有較低的熱膨脹系數。

3.2.2 深冷處理

由于氣缸、活塞、活塞桿、氣閥、填料等零件在工作中直接接觸低溫氣體，并且承受一定的氣體壓力，因此零件的強度、耐低溫性能、防冷脆性能、組織穩定性都至關重要。往往需要通過深冷處理，來提高上述零件的材質性能。深冷工藝采用的處理方法主要有液體法和氣體法兩種。液體法是將工件直接放入液氮中，處理溫度為-150 ℃，缺點是熱沖擊較大；氣體法是通過液氮的氣化潛熱和低溫氮氣吸熱制冷，處理溫度可達到-196 ℃，處理效果更好。零件經過深冷處理可以有以下幾方面的改善：(1) 深冷處理通過降低材料的溫度，使其慢慢處于低溫狀態，這樣可以改善材料晶體結構，使晶粒得到更加充分的細化，從而使材料的組織結構更加均勻緊密。(2) 由于材料在加工制造過程中受到力和熱的作用，因此在零件內部不可避免的存在殘余熱應力。通過深冷工藝可以有效消除殘余熱應力，使材料更加穩定。(3)深冷處理可以更好地排除零件內部的氣、水、油等物質，從而防止材料受到腐蝕和污染，改善材料表面的質量，增加其耐磨性。(4)深冷處理可以使常規熱處理后存在的殘余奧氏體進一步轉化為能使材料變硬、增強的馬氏體，從而改善零件性能。

3.2.3 完全密閉無泄漏

BOG 工藝中的壓縮機做成完全密閉無泄漏形式有以下三種好處：(1) BOG 氣體是一種化工產品，更是一種商品，壓縮機在增壓環節中能夠保證其完全密閉無泄漏，無疑避免了一定的經濟損失。(2) BOG 氣體通常為烷烴類介質，屬于易燃易爆物質，能控制其不向外界擴散，可以避免危險事故的發生。(3) BOG屬于純凈氣體，采用完全密閉壓縮結構，可以省略氮氣保護措施，保證了氣體的純度，也減少了工廠氮氣耗量。

基于以上優點，BOG 迷宮壓縮機通常采用整體密閉無泄漏結構，該結構具有以下特征：(1)采用整體承壓的一體鑄造成型機身。機身體積較大，承壓能力差，通過采用有限元軟件分析優化設置合理的加強筋，增加機身整體強度。(2)在機身軸伸端用機械密封對機身內的氣體進行密封。機械密封可有效阻止氣體沿曲軸發生泄漏。(3)采用耐工藝氣體腐蝕的潤滑油。工藝氣體進入機身后，很容易與潤滑油發生反應而破壞潤滑油的黏度、閃點等性能，因此必須使用耐工藝氣體腐蝕的潤滑油。

3.2.4 設置導冷裝置

低溫氣體位于上部的缸體中，但冷能通過金屬向四周及與之相鄰的金屬零件進行傳遞。為了防止冷能傳遞到下部的潤滑區，需要在兩個區域之間設置隔冷裝置，保證機體下部不受到低溫的影響。這個低溫的影響區域能傳遞多遠，在哪個位置設置合理的隔冷裝置，需要根據氣缸內氣體的具體溫度、氣缸的結構形式、材料的導熱系數進行模擬分析。在選擇合理的隔冷位置后，通常采用乙二醇冷卻液或潤滑油進行導冷。

3.3 應對高溫工況的優勢

BOG 工藝具有一個特點，在壓縮機開始工作前，低溫儲罐與壓縮機之間的管道中往往存在高溫氣體，由于管道較長，高溫氣體被壓縮機抽走需要一定時間，因此導走高溫氣體的這段運行時間，屬于機組的高溫工況。這個工況對于壓縮機的難點在于，它與低溫工況溫度相差過大，普通臥式活塞環壓縮機無法直接處理該工況。為了解決此問題，通常需要采取以下額外的措施：第一種方法是將這部分氣體排放到火炬系統，壓縮機在導走高溫氣體的過程中產生的壓力比很小，即排氣溫度不會升高太高，因此等到壓縮機入口的氣體溫度逐漸降低以后方可加壓輸送到下游工藝系統，但是這種方式會產生較大的浪費；第二種方法是采用預冷法，向壓縮機上游管道、容器中通入低溫介質，將原有高溫氣體的溫度綜合下來，降低到可以運行的溫度，但這種處理方法需要儲備預冷介質、設置預冷管道、閥門等設施，重要的是預冷過程需要較長的時間，在操作上帶來很多不便。

而BOG 迷宮壓縮機氣缸、活塞均采用了線性膨脹系數小的耐低溫材質，在應對高溫工況時仍舊可以正常操作，避免了上述臥式活塞環壓縮機的弊端。

4 結語

根據以上對迷宮壓縮機的介紹，并結合BOG 工藝特點，不難看出迷宮壓縮機在處理低溫BOG 的轉運、儲存、卸料、裝載等工藝流程中，具有自己獨特的優勢，尤其在應對超低溫及溫度變化的復雜工況時，迷宮機采用特殊材料配合節流密封結構原理，實現對該核心問題的徹底解決。迷宮壓縮機作為一種特殊的往復活塞式壓縮機，憑借自身的結構特點具有超強的適應能力，在處理復雜介質、高低溫工況等問題中發揮了明顯的功效，在石油、化工、天然氣等工業領域具有不可或缺的地位。