LNG接收站用BOG迷宮壓縮機的應用研究

王靈德，計洪旭，何振鵬，李元英

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州730060；2.蘭州市第三十四中學，甘肅蘭州730060）

1 引言

隨著全球LNG需求量的不斷增加，各個國家都在不斷地建設LNG接收站；自廣東大鵬LNG接收站投產以來，這幾年國內的LNG接收站發(fā)展迅速。在未來，隨著我國能源結構的調整，大量引進LNG清潔能源將成為必然發(fā)展趨勢。然而在LNG卸船和貯藏期間都會產生大量BOG（Boil-off Gas，蒸發(fā)氣）氣體，如果不及時處理，將會對設備造成危害，如果排放，將會對經濟和環(huán)境都造成很大影響。目前國內已經建好和規(guī)劃在建的LNG接收站較多，合理利用和回收這些BOG是LNG接收站重要的一個環(huán)節(jié)。目前LNG接受站BOG的處理主要有2種工藝流程：一種是將BOG經壓縮機壓縮直接外輸至用戶；另一種是將BOG壓縮后與罐中LNG換熱冷凝至液態(tài)，在經高壓泵加壓，氣化后外輸至用戶。上述兩種BOG處理工藝流程，都需要對BOG進行增壓，因此BOG壓縮機是處理LNG的關鍵設備。兩種BOG處理工藝原理圖，見圖1、2。

圖1 采用直接壓縮工藝

圖2 采用再冷凝工藝

2 BOG回收裝置在L NG接收站應用的必要性

LNG接收站在卸船和儲罐儲存的過程中，會產生大量BOG，另外管線的循環(huán)保冷和裝車等也將產生巨大的BOG量。早期處理這些BOG的方式非常原始，就是將這些BOG直接引至火炬燃燒排放。這種處理方式不僅造成資源浪費，造成巨大的經濟損失，而且會產生大量的溫室氣體，對自然環(huán)境也造成很大的破壞。例如某LNG接收站在卸船和投產調試初期，由于LNG儲罐的置換及冷卻，下游城市燃氣和電廠施工、調試進度不到位，接收站不能進行高壓外輸而影響B(tài)OG回收，累計損耗LNG約8000 t（約合人民幣5000萬元左右）。

另外，LNG接收站正常工作時產生的BOG主要集中在卸船期間和儲罐儲存期間。卸船時，每天BOG產生量大約在18~38萬m3之間，而儲存期間接收站每天產生BOG量大約在8~16萬m3之間。該LNG接收站根據每天BOG的蒸發(fā)量，最終選擇了液化量為每天5萬m3的再液化裝置。當然在選擇液化裝置液化量時需要考慮到設備購置成本、使用周期、以及下游用戶的實際用氣量變化；還有，從節(jié)能角度考慮，在該工藝條件下，無需啟動接收站高壓泵及氣化器等外輸設備，只需將LNG儲罐內蒸發(fā)的BOG加壓到一定值即可直接外輸。因此，LNG接收站還需要增設一臺日處理能力20萬m3的常溫BOG增壓壓縮機，將接收站低溫BOG壓縮機初步加壓后的BOG進一步增壓至下游需要的壓力，其中每天5萬m3的高壓BOG壓縮輸送到再液化裝置進行液化回收輸送到LNG儲罐，其中20萬m3的高壓BOG可直接外輸至下游管網回收利用。

因此，LNG接收站在處理BOG時，為了避免火炬燃燒而大量排放導致的環(huán)境污染以及減少不必要的資源浪費，提高項目整體投資的經濟性和環(huán)保性，考慮增加BOG增壓外輸或再液化裝置的工藝是十分必要的。

3 BOG壓縮機工作的特點

BOG壓縮機是處理LNG接收站中蒸發(fā)出的BOG的設備，該設備將低溫狀態(tài)下的BOG加壓后，分兩路進行下一步的處理，第1路進入管網，第2路進入冷凝器再冷凝后回流入儲罐。因此，BOG壓縮機正常工作溫度超低，屬于超低溫工況下工作的壓縮機，與一般的壓縮機相比，BOG壓縮機具有如下特點：

（1）壓縮的氣體主要為甲烷，屬易燃、易爆氣體；

（2） 當BOG氣體直接進入壓縮機時，吸氣溫度通常為-160℃至-100℃，氣缸、活塞、滑動磨損件等需要采用特殊材料和設計，以保證氣缸在低溫下的正常工作；

（3）在這種極低溫度下氣缸等部件不能采用有油潤滑；

（4） 低溫下能夠長時間穩(wěn)定工作，以滿足連續(xù)運行的需要；

（5） 蒸發(fā)量并非恒定，因此需要考慮氣量調節(jié)。

4 BOG壓縮機型式的選擇

由于BOG氣量不穩(wěn)定，入口壓力比較低，且部分工藝要求壓縮機入口溫度比較低，因此根據工藝要求選擇合適的壓縮機型式對工廠的穩(wěn)定運行至關重要。目前國內LNG項目上采用的BOG壓縮機主要有迷宮式壓縮機、往復式壓縮機和螺桿式壓縮機。下面就這3類壓縮機的優(yōu)缺點并結合LNG接收站的工藝要求分別進行對比介紹。

4.1 迷宮壓縮機

迷宮壓縮機的優(yōu)點有：

（1）可靠性高：迷宮壓縮機主機與壓縮氣體接觸部分均采用了非接觸式迷宮密封，壓縮機氣缸內無潤滑油和粉塵磨屑，同時對壓縮介質中混入的雜質顆粒不敏感，其優(yōu)點在于排氣無污染，充分保證了其壓縮介質的品質；在壓縮易燃易爆烴類氣體中，或在超高溫或在超低溫工況時使用更具有極高的安全可靠性，且很可能是唯一的選擇。

（2） 安全型高：迷宮壓縮機由于采用了非接觸式迷宮密封，主機通過氣流的所有部件用金屬制成，所以在設計時盡可能簡單，另外在壓縮范圍內無機械摩擦產生，另外整機可以設計成全封閉式結構，在壓縮易燃、易爆、有毒氣體時保證壓縮機的安全性。

（3） 經濟效益高：正是由于迷宮壓縮機的以上兩個特點，所以此類的設備易損件少，而且由于長周期運行無故障，所以維護費用也很低；整個機組僅有極少的幾個部件需要維護，維護的部件都易于拆卸和方便安裝，所以開工率高；另外，迷宮壓縮機都是立式結構，所以占地面積小；主機氣缸因為沒有活塞環(huán)和潤滑油，所以整機工作溫度即可逾越非金屬材料活塞環(huán)允許的最高工作溫度安全運行，也可高于氣缸有油潤滑壓縮機的壓縮機油閃點正常工作，還可低于普通金屬材料為防冷脆而限定的最低工作溫度下正常工作；無疑提高了經濟效益。

迷宮壓縮機的缺點有：

（1）結構復雜，制造難度大；

（2）在LNG行業(yè)應用業(yè)績較少，操作經驗少。

4.2 往復壓縮機

往復壓縮機的主要優(yōu)點：

（1） 使用壓力范圍廣；

（2）熱效率高，單位耗電量少；

（3）加工較容易，造價也比較低廉；

（4） 技術上較為成熟，生產使用上積累了豐富的經驗。

主要缺點有：

（1）機器的外形尺寸及重量較大；

（2） 結構復雜，易損件多，維修量大；

（3） 占地面積較大。

4.3 離心式壓縮機

離心式壓縮機優(yōu)點主要有：

（1）結構緊湊、尺寸小、重量輕；

（2）排氣均勻、連續(xù)、無周期性脈動；

（3） 轉速高、排量大 （可達到15×106～42.5×106m3/d）；

（4）工作穩(wěn)定，振動??；使用期限長、可靠，易損件少；

（5）便于調節(jié)流量和節(jié)能，易實現(xiàn)自控等。

其缺點為：

（1）壓比較低，熱效率低，流量過小時會產生喘振；

（2）適用于大流量、中低壓條件。

從以上的對比分析可以看出，迷宮式壓縮機占地面積小，效率比較高，從長周期運行來看比較經濟，安全環(huán)保。

表1 不同材料的力學性能對比

5 BOG迷宮壓縮機的結構性能研究

其主要特點有：

（1） 一級氣缸材料為GGG Ni35,高鎳球墨鑄鐵，其力學性能參數(shù)見表1，進氣可以到-160℃，壓縮機無需預冷可以直接從常溫啟動?；钊捎妹詫m式間隙密封，因此沒有磨損。

（2） 氣缸與機身間設有隔熱層，在其夾層中充乙二醇循環(huán)液，壓縮機正常運行時保持溫度約-20℃，以免機身過冷而脆裂。

（3） Ⅰ、Ⅱ級無需中間及后冷卻器，若為三級壓縮機可能需要后冷卻器。

（4） 活塞與活塞桿均采用迷宮密封，不存在傳統(tǒng)活塞環(huán)、填料函潤滑問題；

（5）泄漏氣體收集后回到一級進氣，曲軸軸封為含在油內的雙端面軸封。

6 BOG壓縮機裝置收益情況

按照LNG接受站的BOG增壓機已調試完畢具備外輸條件，向下游用戶輸送天然氣。按照設計負荷19×104m3/d的外輸處理能力，裝置24 h連續(xù)運行后每天收益=1.7元/m3×19×104m3/d=32.3萬，BOG增壓壓縮機裝置的設備購置費用加上土建施工等費用總計約1200萬元。

7 結語

BOG增壓外輸或再液化裝置在LNG接收站的成功應用，能夠有效避免不必要的資源浪費和環(huán)境破壞，BOG壓縮機作為該系統(tǒng)的核心裝置，無論從運行安全可靠性還是經濟性的角度講用迷宮壓縮機是最佳的選擇。