BOG壓縮機入口阻力增高的原因分析及改進措施

上海液化天然氣有限責任公司 李世斌

0 前言

液化天然氣(簡稱LNG)接收站是最近幾年在國內開始興建，以接收和儲存船運的液化天然氣，并將其升壓、氣化后輸送到各門站和用戶為目的的大型工業(yè)裝置。目前國內已建成并投用的有三座LNG接收站，分別在廣東大鵬、福建莆田、上海洋山港。在這三座 LNG接收站運行的過程中，均不同程度地出現(xiàn)了BOG壓縮機入口阻力升高(具體表現(xiàn)為入口過濾器前后差壓過高)導致壓縮機吸入壓力過低而不能持續(xù)運行的狀況。本文以上海 LNG接收站為例，對BOG壓縮機入口過濾器差壓高的原因進行了分析并提出相應的改進措施。

1 工藝簡介

1.1 接收站主工藝流程

LNG接收站一般具有三大功能——接船裝卸LNG、儲存LNG并回收產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(簡稱BOG)、氣化外輸。LNG接收站主工藝流程如圖 1所示。LNG船上的輸送泵將LNG從船上排出，通過卸料臂進入LNG卸載管線和LNG循環(huán)保冷線將LNG輸送到岸上的LNG儲罐中。

圖1 LNG接收站主工藝流程

為維持LNG船艙的壓力，通過氣體返回線將岸上儲罐的BOG流回船艙。在卸船過程中，LNG儲罐的工作壓力必須高于LNG運輸船的工作壓力，以便氣體可以自然地從儲罐流向船中。

LNG一般在-160 ℃、常壓(大多在微正壓15 kPa左右)的條件下儲存在儲罐，由于外部熱量的滲入會產(chǎn)生一定量的BOG。這些BOG匯入BOG總管，然后經(jīng)過BOG壓縮機加壓到0.8 MPa以上，再進入再冷凝器被LNG吸收變成液體。

儲罐里的LNG通過罐內泵增壓到1.4 MPa左右，分兩路輸送。一路進入再冷凝器頂部吸收經(jīng)過壓縮機加壓的BOG，吸收BOG后的LNG從再冷凝器底部出來和另外一路LNG匯合，進入高壓泵，再次加壓到10 MPa后輸送到汽化器，變成氣體的天然氣最后經(jīng)過外輸主管道送到各門站和終端用戶。

1.2 BOG壓縮機簡介

LNG接收站BOG壓縮機的主要作用是：回收LNG在儲存的過程中產(chǎn)生的BOG氣體，將其加壓后送到再冷凝器轉變?yōu)橐簯B(tài)。上海液化天然氣公司使用的BOG壓縮機是由日本“IHI壓縮機機械公司”生產(chǎn)的 23HD-2N-CM型二級四缸往復式壓縮機，有四個容量控制級(25%、50%、75%和 100%)，每臺容量為6 400 m3/h，第一期共配置2臺。設計進氣溫度-137.6 ℃，進氣壓力0.108 MPa(絕壓)，排氣溫度約34 ℃，排氣壓力1.03 MPa(絕壓)。

1.2.1 BOG氣體回收的主工藝流程

BOG氣體回收的主工藝流程如圖2所示。

圖2 BOG氣體回收主工藝流程示意

從罐頂來的BOG氣體匯集到BOG總管，先經(jīng)過入口緩沖罐(V-0301)，在進罐之前，還設有BOG減溫器(E-0301)，如果BOG氣體溫度高于-100℃，則自動噴入LNG進行降溫。低于-100℃的BOG氣體經(jīng)過壓縮機入口過濾器(S-031101/S-031201)，過濾網(wǎng) 40目，然后經(jīng)過壓縮機的吸入管進入壓縮機一級壓縮，壓縮后氣體壓力約0.34 MPa，再經(jīng)過二級壓縮，壓力升到0.94 MPa，最后送到再冷凝器。

1.2.2 BOG壓縮機對工藝氣的參數(shù)要求

BOG壓縮機對工藝氣的參數(shù)要求見表1。

表1 BOG壓縮機對工藝介質的參數(shù)要求

壓縮機入口過濾器的壓差不能高于 5 kPa，如果高于此數(shù)值，很容易導致壓縮機的入口壓力低而產(chǎn)生聯(lián)鎖停機。壓縮機入口溫度要求低于-100 ℃，如果高于此溫度，有可能導致壓縮后的氣體溫度高于設計溫度而產(chǎn)生聯(lián)鎖停機。

2 現(xiàn)象及原因分析

2.1 現(xiàn)象

BOG壓縮機通過抽出LNG儲罐多余的BOG氣體，使儲罐保持恒定的壓力(15kPa左右)，同時將BOG氣體增壓后送到再冷凝器變成液相，以提高產(chǎn)品的商品化率。目前，上海 LNG接收站建有三個16.5萬m3的儲罐，按設計每小時氣化量為0.5 ‰，正常情況只需要開啟一臺BOG壓縮機，在自動狀態(tài)下負荷在 50%和 75%間變動。壓縮機入口過濾器的壓差隨壓縮機負荷的變動會有一定的波動，但一般在0~3 kPa，當壓差大于4 kPa后，則會在短時間迅速上升，導致壓縮機入口壓力降低到2 kPa低報，甚至0.5 kPa連鎖停機。上海液化天然氣接收站自開始試運行以后，多次出現(xiàn)過因過濾器壓差增高被迫停運蒸發(fā)氣壓縮機的狀況，其中在2010年4月份，就總共出現(xiàn)6次，對生產(chǎn)造成重大的干擾。

2.2 原因初步分析

過濾器差壓高說明過濾網(wǎng)有堵塞的現(xiàn)象，原因有兩種：

(1)管道不干凈，在運行的過程中，將管道中的雜質帶入過濾器堵塞過濾網(wǎng)，從而導致前后壓差高，介質的通過率低；

(2)BOG總管中一般是自然蒸發(fā)的甲烷氣體，不會有液體或重組分進入。但是在特定條件下，如果有重組分被帶入，介質的露點升高，當管道運行溫度下容易在金屬過濾網(wǎng)的表面形成液相膜，也可能導致前后壓差高，介質的通過率低。

通過對上海LNG接收站歷次發(fā)生的壓縮機入口過濾器的差壓高進行分析，發(fā)現(xiàn)在接卸船后出現(xiàn)該現(xiàn)象的概率非常高。出現(xiàn)該現(xiàn)象后，將該壓縮機停運，靜置一段時間后，再次開啟時，壓縮機入口過濾器的差壓正常且可長時間運行。由此可以初步判斷，壓縮機入口過濾器出現(xiàn)差壓高的原因不是由于固體垃圾導致過濾網(wǎng)得堵塞，極有可能是由于BOG管道中攜帶有較多的重組分在過濾網(wǎng)上凝聚成液膜，從而導致過濾網(wǎng)前后差壓變大。

針對這種情況，我們對出現(xiàn)該現(xiàn)象的狀況進行了模擬，并和正常狀況下BOG總管的氣體組分、各組分在常壓下的飽和露點以及通過計算所得的不同百分比的混合氣體的烴露點進行了分析對比。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同組成的烴類混合物的露點

正常情況下BOG壓縮機入口溫度：

-105~-125℃，壓力：14~16 kPa；

在接卸船情況下BOG壓縮機入口溫度：

-125~-152℃，壓力：14~16 kPa。

從表2可以看出：

(1)常壓下乙烷和丙烷以及 C4等的露點均高于BOG總管的運行溫度(-125~-125℃)；

(2)在模擬卸船的狀況下，BOG氣體的組分百分比發(fā)生了顯著的變化，甲烷含量下降，乙烷和丙烷的含量顯著上升；

(3)在模擬卸船的狀況下，BOG混合氣體的飽和露點也遠高于BOG總管的運行溫度。(烴類混合氣體飽和露點的計算見2.3)

2.3 對烴類混合氣體飽和露點的計算

對烴類混合氣體露點計算一般借助計算機編程，采用逐步迭代算法或擬牛頓直接算法，求解混合氣體露點(具體算法可參考《天然氣工程》或《液化天然氣技術》)。

計算結果如表2所示，在15 kPa的表壓下，擁有LNG組分的氣體飽和露點-80.82℃，BOG總管的氣體飽和露點-161℃，模擬接卸LNG船的狀況下BOG總管的氣體飽和露點-89.85℃。

2.4 綜合分析

從上面的分析可以看出，BOG氣體組分中重組分的增加，導致混合氣體的飽和露點升高，而BOG總管的運行溫度(-105~-125℃)相對較低，這樣被帶入的重組分很容易在壓縮機過濾網(wǎng)(40目)的表面凝結為液體，堵塞過濾網(wǎng)，降低工藝氣體的通過率，增大了過濾器前后的壓差，最終導致壓縮機入口壓力低。

導致BOG氣體組分中重組分的增加的原因主要有兩種：

(1)由于工藝的原因，直接將LNG排入BOG總管。例如在接卸LNG船的過程中，對卸料臂的預冷過程；對LNG管道和設備的排凝、排漏的過程等。

(2)儲存中的LNG的過度氣化。例如BOG壓縮機對儲罐壓力的過度抽??；儲罐發(fā)生閃蒸或類似閃蒸的操作；和BOG總管相連的排凝罐(壓縮機前排凝罐、碼頭排凝罐等)存有大量的LNG自然氣化等。

3 措施

下面是針對工藝和操作中易導致LNG或LNG所含的重組分進入BOG總管的幾種情況所采取的措施。

(1)改變卸船時預冷卸料臂的方式。在最初設計的預冷卸料臂方案中，用船上的LNG對卸料臂進行預冷后直接排入BOG總管，這樣低溫的LNG大量進入了BOG總管。更新后的預冷方式是直接將卸料臂連接岸上的快開閥打開，這樣冷卻卸料臂的LNG氣液混合物可以進入卸料總管。

(2)盡量減少啟用 E-0301對壓縮機的入口進行降溫。由于BOG壓縮機入口溫度不能高于–100℃，當BOG 溫度高于此溫度時，E-0301自動噴入LNG進行降溫，雖然有分液罐，但帶入的重組分還是有可能直接在過濾網(wǎng)上形成液膜，這也是導致壓縮機入口過濾器壓差高的主要原因之一。

要減少啟用 E-0301的次數(shù)，需要注意下面的情況：當發(fā)生事故或管線、設備維修的情況下進行排放時，要控制好速度，因為接收站的高壓排放和低壓排放都是進入BOG總管，快速、大量的高溫或高壓介質的排放很容易帶高壓縮機入口溫度從而啟用E-0301。

(3)在卸船時儲罐壓力不足，需要補氣時，最好先停止運行壓縮機，采用外送的高壓天然氣回補。但在補氣結束后，應盡快開啟壓縮機，防止 BOG總管溫度升高。其它補氣的方式，如通過低壓泵或高壓泵打回流的方式，產(chǎn)生的氣量有限，但因閃蒸的原因也可能將LNG中的重組分帶入BOG總管。

(4)BOG壓縮機增加級間冷卻器。由于BOG壓縮機是往復式兩段壓縮機，氣體經(jīng)壓縮后，溫度會有較大幅度的升高，如果增加級間冷卻器，可以放寬壓縮機入口溫度的限制范圍，改善壓縮機的可操作性能。這也會減少壓縮機入口因為溫度高啟用E-0301的概率，也減少了BOG總管帶入中組分的可能。

(5)在正常操作運行中，和BOG總管相連的排凝罐(壓縮機前排凝罐V-0302、碼頭排凝罐V-0101等)不要長時間存放大量的LNG液體，防止自然受熱蒸發(fā)，重組分帶入BOG總管。

采取以上5點措施后，上海液化天然氣接收站BOG壓縮機入口過濾器阻力高的現(xiàn)象已經(jīng)大大減少，從2010年7月到2010年12月只出現(xiàn)了1次。

4 結論

BOG壓縮機入口阻力高的最直接的原因是BOG總管中混合氣體的組成發(fā)生了顯著的改變，少量的重組分如乙烷、丙烷等進入BOG總管，當壓縮機入口溫度低到一定程度時，這些氣態(tài)的重組分容易在過濾網(wǎng)上形成液膜，堵塞過濾網(wǎng)，過濾器前后壓差變大，壓縮機入口壓力低，從而導致壓縮機中斷運行。

而要防止BOG壓縮機入口過濾器壓差出現(xiàn)高的現(xiàn)象，不僅要從工藝上采取措施，如改變卸船時預冷的方式，不讓LNG直接進入BOG總管，還要在平時操作時，注意一些細節(jié)，如在事故或管線設備維修的情況下需要排放時，要控制好速度，快速、大量排放很容易帶高壓縮機入口溫度。另外，上海LNG接收站所選用的BOG壓縮機由于沒有設置級間冷卻器，所以一級入口溫度必須要低于-100℃，如果增加級間冷卻器，將很大程度提高操作的靈活性。