【壓縮機網(wǎng)】一、液化天然氣行業(yè)發(fā)展和趨勢
天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，可與核能及可再生能源等其它低排放能源形成良性互補，是能源供應清潔化的最現實(shí)選擇。加快天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是我國加快建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系的必由之路，也是化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量，實(shí)現綠色低碳發(fā)展的有效途徑，同時(shí)對推動(dòng)節能減排、穩增長(cháng)、惠民生促發(fā)展具有重要意義。
世界上環(huán)保先進(jìn)國家都在推廣使用液化天然氣。除了用作發(fā)電廠(chǎng)、工廠(chǎng)、家庭用戶(hù)的燃料外，其中所含的甲烷可用作制造肥料、甲醇溶劑及合成醋酸等化工原料，另外其所含的乙烷和丙烷可經(jīng)裂解而生成乙烯及丙烯，是塑料產(chǎn)品的重要原料。
在生態(tài)環(huán)境污染日益嚴重的形勢面前，為了優(yōu)化能源消費結構，改善大氣環(huán)境，實(shí)現可持續發(fā)展的經(jīng)濟發(fā)展戰略，人們選擇了天然氣這種清潔、高效的生態(tài)型優(yōu)質(zhì)能源和燃料?，F在，無(wú)論是工業(yè)還是民用，都對天然氣產(chǎn)生了越來(lái)越大的依賴(lài)性。液化天然氣(LNG)是天然氣的液態(tài)形式，在某些情況下，選擇液化天然氣比選擇氣態(tài)天然氣具有更多的優(yōu)點(diǎn)。LNG的應用實(shí)際上就是天然氣的應用，但由于其特性，LNG又比天然氣有著(zhù)更廣泛的用途。
LNG接受站作為管道天然氣的調峰氣源，可對民用燃料系統進(jìn)行調峰，保證城市安全、平穩供氣。在美國、英國、德國、荷蘭和法國等國家，將LNG調峰型裝置廣泛用于天然氣輸配系統中，對民用和工業(yè)用氣的波動(dòng)性，特別是對冬季用氣的急劇增加可起到調峰作用。
“十三五”規劃指明，根據全國天然氣資源流向和各消費區域市場(chǎng)實(shí)際需求，結合港口規劃統籌優(yōu)化沿海LNG接收站布局。在天然氣需求量大、應急調峰能力要求高的環(huán)渤海、長(cháng)三角、東南沿海地區，優(yōu)先擴大已建LNG接收站儲轉能力，適度新建LNG接收站。
因此，研究液化天然氣LNG接受站工藝及設備意義重大。
二、液化天然氣接收站工藝及設備
LNG液化天然氣必須在專(zhuān)用的接收站完成卸船工藝。專(zhuān)用的LNG接收站通常具備下述條件：船舶?？康拇a頭、LNG儲罐應至少達到單個(gè)液貨倉容積、卸料設備設施、再液化系統裝置、與船舶和下游終端用戶(hù)的管道連接。
目前，LNG液化天然氣船的裝載容積范圍為15萬(wàn)～26萬(wàn)立方米。以15萬(wàn)立方米液貨倉為例，氣化后體積為9000萬(wàn)立方米，可以滿(mǎn)足2300萬(wàn)人一個(gè)月生活用氣量。
低溫BOG壓縮機在接收站卸船工況以及低溫罐罐壓保持調節工況至關(guān)重要，相當于低溫LNG儲罐的“調壓閥”。低溫罐BOG閃蒸氣主要通過(guò)再液化裝置液化，然后通過(guò)液泵加壓、氣化器氣化外輸；部分接收站安裝往復式增壓壓縮機，直接將BOG閃蒸氣增壓輸送至天然氣管網(wǎng)。天然氣管網(wǎng)壓力為80～100barg,城市中壓管網(wǎng)壓力40～50barg。
LNG液化天然氣接收站工藝特點(diǎn)如下：
?。?）LNG液化天然氣接收站的顯著(zhù)特點(diǎn)是BOG閃蒸氣流量在很大一個(gè)范圍內波動(dòng)。
?。?）大流量BOG閃蒸氣一般由卸船工況產(chǎn)生。
?。?）小流量BOG閃蒸氣一般由低溫罐靜態(tài)保持工況產(chǎn)生。
低溫罐靜態(tài)保持工況產(chǎn)生的BOG閃蒸氣流量又根據罐內液位不同而變化。以夏季極端情況為例：夏季接收站沒(méi)有外輸，低溫罐內液位低的工況，產(chǎn)生的BOG閃蒸氣流量甚至達不到低溫BOG壓縮機調節流量的最低檔位，因此低溫BOG壓縮機需要間歇啟停機，以等待罐內閃蒸氣增加、壓力升高，同時(shí)保持整個(gè)再液化系統處于低溫循環(huán)。
一般配置2～3臺低溫BOG壓縮機，靜態(tài)保持工況運行1臺壓縮機，卸船工況BOG蒸發(fā)氣流量最大時(shí)同時(shí)運行另外1～2臺壓縮機。例如：中海油福建、中海油寧波、中海油粵東、中海油深圳、中海油天津、中石油江蘇、中石油大連、中石油唐山、中石化青島、中石化廣西北海LNG接收站都采用2～3臺BOG壓縮機的配置。
低溫BOG壓縮機的上游一般安裝減溫器和分液罐。
減溫器的功能是將液態(tài)天然氣LNG噴淋到BOG蒸發(fā)氣管道中，氣化的過(guò)程降低BOG管道氣的溫度以保證壓縮機入口溫度不超過(guò)系統設定溫度。
減溫器一般應用于接收站投產(chǎn)初期，先用氮氣置換管道中的空氣，然后用BOG蒸發(fā)氣置換管道中常溫常壓氮氣，這一過(guò)程分三個(gè)步驟：
第一步：隨著(zhù)BOG氣體與氮氣混合，氮氣比例從100%降至5%，氮氣對于再冷凝系統是不凝氣會(huì )降低再冷凝系統效率，所以氮氣比例高于5%時(shí)的混合氣不進(jìn)入再冷凝系統，而直接去低壓火炬。這一步，最開(kāi)始管道中為常溫的氮氣，然后隨著(zhù)儲罐中的低溫BOG氣體進(jìn)入管道，管道中混合氣的溫度不斷降低至-40～-50℃。BOG壓縮機在這一步的作用僅是傳輸氣體，而不是增壓到再冷凝需要的壓力；BOG壓縮機設計運行入口溫度范圍一般為-158～-110℃，為避免入口溫度過(guò)高造成壓縮機排氣溫度超過(guò)系統設定值，可以降低排氣壓力運行，打開(kāi)放空閥，將混合氣傳送到火炬。
第二步：當氮氣與BOG氣體混合比例小于5%時(shí)，管道內混合氣溫度仍然高于壓縮機正常運行所需低溫，這時(shí)的原料氣還是只能去火炬。這一步隨著(zhù)低溫BOG氣體的增加，混合氣溫度從-40～-50℃降至壓縮機正常運行所需低溫-110℃。這個(gè)過(guò)程時(shí)間的長(cháng)短取決于儲罐與低溫BOG壓縮機之間管道的長(cháng)度。另外，減溫器將液態(tài)LNG噴淋到管道中，能夠迅速降低混合氣溫度，減少這一步的時(shí)間，以及減少原料氣去火炬消耗。
第三步：氮氣的混合比例降至0，管道內為純凈的BOG氣體，溫度也滿(mǎn)足壓縮機正常運行所需低溫，關(guān)閉放空閥，增壓至再冷凝器所需壓力，進(jìn)入再冷凝系統，冷循環(huán)系統建立。
減溫器在日常切換啟機中的應用：當管道系統中為冷態(tài)BOG氣體，不能抵消壓縮機啟動(dòng)過(guò)程通過(guò)旁通閥返回的較高溫度原料氣，這時(shí)候有必要通過(guò)減溫器迅速將管道氣體降低至正常運行的低溫狀態(tài)。不過(guò)，冷態(tài)BOG氣體是否能夠抵消返回的熱態(tài)原料氣取決于儲罐與壓縮機入口的管線(xiàn)長(cháng)度，中石油唐山LNG接受站夏季較常使用減溫器，然而中石油大連LNG接收站較少使用。
分液罐的作用主要是防止氣體中的凝液造成壓縮機的液擊。理論上BOG氣體是最干凈干燥的氣體，是不會(huì )存在凝液的可能。LNG接收站都安裝了分液罐，實(shí)際運行中其主要凝液來(lái)源于減溫器噴淋，以及一些微量重組分。分液罐應該保證氣體中最大液滴小于20μm。
低溫BOG壓縮機下游安裝再冷凝器。再冷凝器的操作溫度和壓力范圍對壓縮機與再冷凝器之間管線(xiàn)設計以及壓縮機控制邏輯非常重要。再冷凝器底部為從低溫儲罐引入的液態(tài)LNG，其閃蒸出來(lái)BOG氣體溫度為-161.6℃，頂部回收的BOG氣體的溫度高低決定了吸收過(guò)程的溫差，溫差越大熱應力越大，再冷凝器設計壁厚越厚，投資成本越高。所以在可行范圍內，盡可能減小溫差，減小再冷凝器BOG入口溫度可以減少投資成本。
三、BOG蒸發(fā)氣壓縮機的工藝要求
LNG接收站BOG蒸發(fā)氣壓縮機的工藝要求主要是能夠同時(shí)處理卸船工況和靜態(tài)保持工況。
壓縮機的流量控制主要由低溫儲罐的壓力控制，儲罐的壓力操作運行范圍5Kpa(G)～30Kpa(G)，因此壓縮機的操作入口壓力范圍與之同步。
根據低溫儲罐與壓縮機之間管道長(cháng)度以及管道保冷材料效果不同，壓縮機操作入口溫度范圍-160℃～-80℃。
根據再冷凝工藝設計的操作壓力而不同，壓縮機排氣操作壓力范圍500～1100Kpa(G)。
BOG蒸發(fā)氣壓縮機為往復式壓縮機，為容積式壓縮機，所以壓縮機流量根據入口溫度、壓力狀態(tài)不同，LNG接收站BOG壓縮機流量范圍一般4,000kg/h～200,000kg/h。
下表列出了典型LNG接收站再冷凝工藝處理工況：
四、BOG蒸發(fā)氣壓縮機的選型
世界范圍內LNG接收站的BOG蒸發(fā)氣壓縮機采用往復式壓縮機，主要有兩種形式：立式迷宮壓縮機和臥式活塞環(huán)壓縮機。
1.往復式壓縮機能夠為L(cháng)NG接收站BOG蒸發(fā)氣再冷凝系統形成高能效的自平衡系統
往復式壓縮機為容積式壓縮機，在不進(jìn)行任何流量控制的情況下，壓縮機的轉速和行程都不會(huì )變化，所以壓縮機排量不會(huì )有任何變化。
對應卸船工況，大量的BOG蒸發(fā)氣產(chǎn)生，隨著(zhù)儲罐內的壓力升高，同時(shí)溫度下降，BOG蒸發(fā)氣壓縮機雖然排量不會(huì )有任何變化，但是其吸入BOG氣體的密度會(huì )升高，所以質(zhì)量流量會(huì )升高，抽走更多BOG蒸發(fā)氣。
對應夏季保持工況，儲罐內液位低，只有少量的BOG蒸發(fā)氣產(chǎn)生，隨著(zhù)儲罐內壓力下降，同時(shí)溫度上升，BOG蒸發(fā)氣壓縮機雖然排量不會(huì )有任何變化，但是其吸入BOG氣體的密度會(huì )下降，所以質(zhì)量流量會(huì )下降，抽走較少BOG蒸發(fā)氣。
因此，往復式BOG蒸發(fā)氣壓縮機，隨著(zhù)儲罐內壓力和溫度的變化能夠自動(dòng)調整質(zhì)量流量，形成自平衡再冷凝系統，提高能效、減少控制調節和浪費。
2.BOG蒸發(fā)氣壓縮機自平衡系統流量調節的范圍：
根據理想氣體狀態(tài)方程，假設壓力和體積不變，若溫度變化范圍為-160～-80℃，即113～193K，物質(zhì)的量極端的變化范圍為70%；假設溫度和體積不變，若壓力變化范圍為105～130Kpa(a)，物質(zhì)的量極端的變化范圍為23%。
因此，就LNG接收站BOG蒸發(fā)氣再冷凝的應用，溫度變化對壓縮機質(zhì)量流量影響較大，壓力變化對壓縮機質(zhì)量流量影響較小。根據理想氣體狀態(tài)方程這種對質(zhì)量流量的影響是以乘積的形式疊加，而且由于工藝特性，BOG蒸發(fā)氣壓縮機質(zhì)量流量的范圍非常大，兩個(gè)極端工況質(zhì)量流量差別甚至能夠達到2倍。
3.BOG蒸發(fā)氣壓縮機設計工況的確定
如上所述，BOG蒸發(fā)氣壓縮機質(zhì)量流量變化范圍這么大，怎么樣選型才是適合呢？下圖為BOG蒸發(fā)氣壓縮機不進(jìn)行流量控制時(shí)的運行曲線(xiàn)舉例。
首先，工藝設計能夠確定，卸船工況需要保證的質(zhì)量流量、壓力高值和溫度低值條件，保持工況需要保證的質(zhì)量流量、壓力低值和溫度高值條件，以及操作運行需要保證的質(zhì)量流量、壓力中值和溫度中值條件。壓縮機選型時(shí)可以逐個(gè)計算，比較選出最?lèi)毫拥墓r作為壓縮機的設計工況比對。
但是，現實(shí)情況是工藝設計都是對現場(chǎng)工況的假定和計算，工藝設計時(shí)算出卸船時(shí)需要保證的最大質(zhì)量流量，就需要計算假定入口壓力和溫度等條件。此時(shí)需要注意，如果溫度設定比實(shí)際高，同時(shí)壓力設定比實(shí)際低時(shí)，會(huì )造成選型壓縮機流量大于實(shí)際需要，儲罐壓力升高，溫度下降時(shí)，很快就能把低溫儲罐中BOG蒸發(fā)氣抽光，需要經(jīng)常停機，這種粗放型設計會(huì )造成投資成本上升和浪費。由于入口壓力和溫度條件對于壓縮機選型的影響比較大，所以，工藝設計計算假定入口壓力和溫度時(shí)，不應留太多裕量。
另外，由于BOG壓縮機質(zhì)量流量隨儲罐內溫度和壓力變化范圍很大，當壓縮機根據設計工況選型確定以后，需要計算一個(gè)電機核算工況。當入口壓力達到儲罐安全閥設定值30Kpa(g),溫度低值-160℃條件下，質(zhì)量流量達到最大，同時(shí)電機的功率消耗達到最大，電機選擇需要根據這個(gè)核算工況確定。否則，電機可能在安全閥還沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)超載損壞。當然，如果系統并不需要極限高值流量時(shí)，也可以通過(guò)別的方法保護壓縮機電機，例如，設計旁路回流以降低質(zhì)量流量和軸功率。
4.立式迷宮壓縮機與臥式活塞環(huán)壓縮機的液化天然氣蒸發(fā)氣應用區別
4.1立式迷宮壓縮機和往復壓縮機結構對比分析（見(jiàn)左圖表）
4.2立式迷宮壓縮機和往復壓縮機可靠性對比分析:
由于迷宮密封形式的采用，使得立式迷宮密封式壓縮機的可靠性得到了有效地增強，通?；钊h(huán)密封平均無(wú)故障時(shí)間MTBF＜10,000hrs，而迷宮密封MTBF＜60,000hrs。立式迷宮壓縮機較高的MTBF使業(yè)主和總包公司都趨向于更多的使用這種更可靠性的壓縮機。
4.3立式迷宮壓縮機和往復壓縮機經(jīng)濟性對比分析：
雖然國產(chǎn)立式迷宮壓縮機一次性采購成本比臥式往復壓縮機平均高出15%～20%，但維修運行成本方面，往復壓縮機比立式迷宮壓縮機要高很多，由于兩種類(lèi)型壓縮機功率大致相同，此處不做能耗方面的比較。
兩種形式壓縮機維修成本主要體現在易損件的價(jià)格及更換周期，如表1所示。立式迷宮壓縮機由于易損件相對較少，壽命相對較長(cháng)，其維修成本僅約為臥式往復維修成本的63%。
根據韓國平澤市某LNG接收站實(shí)際運行記錄及統計數據，兩種形式的BOG壓縮機運行成本比較如表2所示。立式壓縮機相比臥式壓縮機相比，運行成本大大降低。
對于低溫BOG壓縮的應用，立式迷宮式壓縮機相比臥式活塞環(huán)壓縮機備件少、大修周期長(cháng)、運行成本更低，因此立式迷宮式壓縮機更適用于低溫BOG工況。
五、BOG蒸發(fā)氣壓縮機的節能及環(huán)保優(yōu)化
1.減溫器對工藝條件的影響
減溫器的應用會(huì )增加BOG壓縮機入口的質(zhì)量流量，增加BOG系統的功率消耗。
1噸BOG氣體每冷卻1℃需要8.2kg液相LNG，因此增加了整個(gè)BOG氣體的體積流量以及進(jìn)一步增加了功率消耗，所以通過(guò)減溫器噴淋去降低BOG壓縮機入口進(jìn)氣溫度的方式是能耗更高的調節方式。如果排氣溫度超過(guò)再冷凝器設計入口溫度時(shí)應該在壓縮機出口采用減溫器的方式更為節能。
2.減溫器對工藝設備的影響
入口減溫器是為BOG壓縮機帶來(lái)液擊風(fēng)險的唯一設備，也是系統必須配置入口分液罐的主要原因。減溫器噴淋的LNG未完全蒸發(fā)，造成壓縮機入口過(guò)濾器的堵塞，壓降升高需要停機處理。
由于低溫罐巨大的容積，所以在罐頂BOG出口的氣體速度非常低，因此很難從LNG液體中將未蒸發(fā)液相的重組分帶入BOG氣體。BOG氣體中的未蒸發(fā)重組分都來(lái)自于噴淋的LNG中少量的重組分，例如：乙烷。乙烷在-80～-100℃的氣體溫度中處于不蒸發(fā)或者蒸發(fā)很慢的情況。這也是分液罐中需要增加除沫器，以及需要增加集液設施和管道的原因。
因此，減溫器本身以及配套需要的分液、集液設施增加了整體項目投資。
3.低溫BOG壓縮機在更大范圍入口溫度波動(dòng)的工況下運行
在不具備入口減溫器的條件下，BOG壓縮機的進(jìn)氣溫度會(huì )在很大范圍內波動(dòng)，可在常溫～-160℃間波動(dòng)。對于進(jìn)氣溫度升高造成BOG壓縮機排氣溫度升高的情況，可以將減溫器設置在BOG壓縮機后，通過(guò)噴淋冷卻氣體出口溫度，減溫器通過(guò)再冷凝器入口溫度自動(dòng)控制。
立式迷宮式壓縮機，活塞和氣缸采用相同耐受低溫的材質(zhì)，熱變形系數小，而且能夠同時(shí)收縮和膨脹，適用于進(jìn)氣溫度的波動(dòng)。
進(jìn)氣溫度升高的運行狀態(tài)，會(huì )造成臥式活塞式BOG壓縮機活塞環(huán)、導向環(huán)壽命的加速磨損。因為，活塞環(huán)、導向環(huán)在低溫BOG應用時(shí)的設計溫度為運行工況的低溫溫度，例如-150℃，如果偏離這個(gè)設計溫度去運行會(huì )加速活塞環(huán)、導向環(huán)的磨損，特別是，運行溫度和設計溫度溫差大于80度時(shí)，活塞環(huán)、導向環(huán)將很難耐受。因此，立式迷宮式壓縮機適用于更大范圍入口溫度的波動(dòng)的工況。
總之，不采用入口減溫器，對于整個(gè)BOG系統更為節能，可以節省項目設備的投資，可以避免BOG壓縮機液擊的風(fēng)險。立式迷宮式壓縮機更適用于沒(méi)有入口減溫器的場(chǎng)站，但臥式活塞環(huán)式壓縮機需要考慮更多易損件更換成本。
結語(yǔ)
LNG液化天然氣接收站在國內分布的越來(lái)越多，BOG壓縮機的選型關(guān)系到整個(gè)LNG接收站的運行成本和正常生產(chǎn)運行，應引起高度重視。立式迷宮壓縮機雖然一次性投入較多但運行成本較低。
參考文獻
[1]國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)石油天然氣發(fā)展“十三五”規劃的通知
[2]石油化工和天然氣工業(yè)用往復式壓縮機API618標準，第五版，2007
[3]中化人民共和國石油化工行業(yè)標準SH/T3143-2012—石油化工往復壓縮機工程技術(shù)規范
[4]《調溫器在LNG接收站的應用》作者：劉攀攀，中國學(xué)術(shù)期刊電子出版社，2018年，第17期
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天然氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，可與核能及可再生能源等其它低排放能源形成良性互補，是能源供應清潔化的最現實(shí)選擇。加快天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是我國加快建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系的必由之路，也是化解環(huán)境約束、改善大氣質(zhì)量，實(shí)現綠色低碳發(fā)展的有效途徑，同時(shí)對推動(dòng)節能減排、穩增長(cháng)、惠民生促發(fā)展具有重要意義。
世界上環(huán)保先進(jìn)國家都在推廣使用液化天然氣。除了用作發(fā)電廠(chǎng)、工廠(chǎng)、家庭用戶(hù)的燃料外，其中所含的甲烷可用作制造肥料、甲醇溶劑及合成醋酸等化工原料，另外其所含的乙烷和丙烷可經(jīng)裂解而生成乙烯及丙烯，是塑料產(chǎn)品的重要原料。
在生態(tài)環(huán)境污染日益嚴重的形勢面前，為了優(yōu)化能源消費結構，改善大氣環(huán)境，實(shí)現可持續發(fā)展的經(jīng)濟發(fā)展戰略，人們選擇了天然氣這種清潔、高效的生態(tài)型優(yōu)質(zhì)能源和燃料?，F在，無(wú)論是工業(yè)還是民用，都對天然氣產(chǎn)生了越來(lái)越大的依賴(lài)性。液化天然氣(LNG)是天然氣的液態(tài)形式，在某些情況下，選擇液化天然氣比選擇氣態(tài)天然氣具有更多的優(yōu)點(diǎn)。LNG的應用實(shí)際上就是天然氣的應用，但由于其特性，LNG又比天然氣有著(zhù)更廣泛的用途。
LNG接受站作為管道天然氣的調峰氣源，可對民用燃料系統進(jìn)行調峰，保證城市安全、平穩供氣。在美國、英國、德國、荷蘭和法國等國家，將LNG調峰型裝置廣泛用于天然氣輸配系統中，對民用和工業(yè)用氣的波動(dòng)性，特別是對冬季用氣的急劇增加可起到調峰作用。
“十三五”規劃指明，根據全國天然氣資源流向和各消費區域市場(chǎng)實(shí)際需求，結合港口規劃統籌優(yōu)化沿海LNG接收站布局。在天然氣需求量大、應急調峰能力要求高的環(huán)渤海、長(cháng)三角、東南沿海地區，優(yōu)先擴大已建LNG接收站儲轉能力，適度新建LNG接收站。
因此，研究液化天然氣LNG接受站工藝及設備意義重大。
二、液化天然氣接收站工藝及設備
LNG液化天然氣必須在專(zhuān)用的接收站完成卸船工藝。專(zhuān)用的LNG接收站通常具備下述條件：船舶?？康拇a頭、LNG儲罐應至少達到單個(gè)液貨倉容積、卸料設備設施、再液化系統裝置、與船舶和下游終端用戶(hù)的管道連接。
目前，LNG液化天然氣船的裝載容積范圍為15萬(wàn)～26萬(wàn)立方米。以15萬(wàn)立方米液貨倉為例，氣化后體積為9000萬(wàn)立方米，可以滿(mǎn)足2300萬(wàn)人一個(gè)月生活用氣量。
低溫BOG壓縮機在接收站卸船工況以及低溫罐罐壓保持調節工況至關(guān)重要，相當于低溫LNG儲罐的“調壓閥”。低溫罐BOG閃蒸氣主要通過(guò)再液化裝置液化，然后通過(guò)液泵加壓、氣化器氣化外輸；部分接收站安裝往復式增壓壓縮機，直接將BOG閃蒸氣增壓輸送至天然氣管網(wǎng)。天然氣管網(wǎng)壓力為80～100barg,城市中壓管網(wǎng)壓力40～50barg。
LNG液化天然氣接收站工藝特點(diǎn)如下：
?。?）LNG液化天然氣接收站的顯著(zhù)特點(diǎn)是BOG閃蒸氣流量在很大一個(gè)范圍內波動(dòng)。
?。?）大流量BOG閃蒸氣一般由卸船工況產(chǎn)生。
?。?）小流量BOG閃蒸氣一般由低溫罐靜態(tài)保持工況產(chǎn)生。
低溫罐靜態(tài)保持工況產(chǎn)生的BOG閃蒸氣流量又根據罐內液位不同而變化。以夏季極端情況為例：夏季接收站沒(méi)有外輸，低溫罐內液位低的工況，產(chǎn)生的BOG閃蒸氣流量甚至達不到低溫BOG壓縮機調節流量的最低檔位，因此低溫BOG壓縮機需要間歇啟停機，以等待罐內閃蒸氣增加、壓力升高，同時(shí)保持整個(gè)再液化系統處于低溫循環(huán)。
一般配置2～3臺低溫BOG壓縮機，靜態(tài)保持工況運行1臺壓縮機，卸船工況BOG蒸發(fā)氣流量最大時(shí)同時(shí)運行另外1～2臺壓縮機。例如：中海油福建、中海油寧波、中海油粵東、中海油深圳、中海油天津、中石油江蘇、中石油大連、中石油唐山、中石化青島、中石化廣西北海LNG接收站都采用2～3臺BOG壓縮機的配置。
低溫BOG壓縮機的上游一般安裝減溫器和分液罐。
減溫器的功能是將液態(tài)天然氣LNG噴淋到BOG蒸發(fā)氣管道中，氣化的過(guò)程降低BOG管道氣的溫度以保證壓縮機入口溫度不超過(guò)系統設定溫度。
減溫器一般應用于接收站投產(chǎn)初期，先用氮氣置換管道中的空氣，然后用BOG蒸發(fā)氣置換管道中常溫常壓氮氣，這一過(guò)程分三個(gè)步驟：
第一步：隨著(zhù)BOG氣體與氮氣混合，氮氣比例從100%降至5%，氮氣對于再冷凝系統是不凝氣會(huì )降低再冷凝系統效率，所以氮氣比例高于5%時(shí)的混合氣不進(jìn)入再冷凝系統，而直接去低壓火炬。這一步，最開(kāi)始管道中為常溫的氮氣，然后隨著(zhù)儲罐中的低溫BOG氣體進(jìn)入管道，管道中混合氣的溫度不斷降低至-40～-50℃。BOG壓縮機在這一步的作用僅是傳輸氣體，而不是增壓到再冷凝需要的壓力；BOG壓縮機設計運行入口溫度范圍一般為-158～-110℃，為避免入口溫度過(guò)高造成壓縮機排氣溫度超過(guò)系統設定值，可以降低排氣壓力運行，打開(kāi)放空閥，將混合氣傳送到火炬。
第二步：當氮氣與BOG氣體混合比例小于5%時(shí)，管道內混合氣溫度仍然高于壓縮機正常運行所需低溫，這時(shí)的原料氣還是只能去火炬。這一步隨著(zhù)低溫BOG氣體的增加，混合氣溫度從-40～-50℃降至壓縮機正常運行所需低溫-110℃。這個(gè)過(guò)程時(shí)間的長(cháng)短取決于儲罐與低溫BOG壓縮機之間管道的長(cháng)度。另外，減溫器將液態(tài)LNG噴淋到管道中，能夠迅速降低混合氣溫度，減少這一步的時(shí)間，以及減少原料氣去火炬消耗。
第三步：氮氣的混合比例降至0，管道內為純凈的BOG氣體，溫度也滿(mǎn)足壓縮機正常運行所需低溫，關(guān)閉放空閥，增壓至再冷凝器所需壓力，進(jìn)入再冷凝系統，冷循環(huán)系統建立。
減溫器在日常切換啟機中的應用：當管道系統中為冷態(tài)BOG氣體，不能抵消壓縮機啟動(dòng)過(guò)程通過(guò)旁通閥返回的較高溫度原料氣，這時(shí)候有必要通過(guò)減溫器迅速將管道氣體降低至正常運行的低溫狀態(tài)。不過(guò)，冷態(tài)BOG氣體是否能夠抵消返回的熱態(tài)原料氣取決于儲罐與壓縮機入口的管線(xiàn)長(cháng)度，中石油唐山LNG接受站夏季較常使用減溫器，然而中石油大連LNG接收站較少使用。
分液罐的作用主要是防止氣體中的凝液造成壓縮機的液擊。理論上BOG氣體是最干凈干燥的氣體，是不會(huì )存在凝液的可能。LNG接收站都安裝了分液罐，實(shí)際運行中其主要凝液來(lái)源于減溫器噴淋，以及一些微量重組分。分液罐應該保證氣體中最大液滴小于20μm。
低溫BOG壓縮機下游安裝再冷凝器。再冷凝器的操作溫度和壓力范圍對壓縮機與再冷凝器之間管線(xiàn)設計以及壓縮機控制邏輯非常重要。再冷凝器底部為從低溫儲罐引入的液態(tài)LNG，其閃蒸出來(lái)BOG氣體溫度為-161.6℃，頂部回收的BOG氣體的溫度高低決定了吸收過(guò)程的溫差，溫差越大熱應力越大，再冷凝器設計壁厚越厚，投資成本越高。所以在可行范圍內，盡可能減小溫差，減小再冷凝器BOG入口溫度可以減少投資成本。
三、BOG蒸發(fā)氣壓縮機的工藝要求
LNG接收站BOG蒸發(fā)氣壓縮機的工藝要求主要是能夠同時(shí)處理卸船工況和靜態(tài)保持工況。
壓縮機的流量控制主要由低溫儲罐的壓力控制，儲罐的壓力操作運行范圍5Kpa(G)～30Kpa(G)，因此壓縮機的操作入口壓力范圍與之同步。
根據低溫儲罐與壓縮機之間管道長(cháng)度以及管道保冷材料效果不同，壓縮機操作入口溫度范圍-160℃～-80℃。
根據再冷凝工藝設計的操作壓力而不同，壓縮機排氣操作壓力范圍500～1100Kpa(G)。
BOG蒸發(fā)氣壓縮機為往復式壓縮機，為容積式壓縮機，所以壓縮機流量根據入口溫度、壓力狀態(tài)不同，LNG接收站BOG壓縮機流量范圍一般4,000kg/h～200,000kg/h。
下表列出了典型LNG接收站再冷凝工藝處理工況：
四、BOG蒸發(fā)氣壓縮機的選型
世界范圍內LNG接收站的BOG蒸發(fā)氣壓縮機采用往復式壓縮機，主要有兩種形式：立式迷宮壓縮機和臥式活塞環(huán)壓縮機。
1.往復式壓縮機能夠為L(cháng)NG接收站BOG蒸發(fā)氣再冷凝系統形成高能效的自平衡系統
往復式壓縮機為容積式壓縮機，在不進(jìn)行任何流量控制的情況下，壓縮機的轉速和行程都不會(huì )變化，所以壓縮機排量不會(huì )有任何變化。
對應卸船工況，大量的BOG蒸發(fā)氣產(chǎn)生，隨著(zhù)儲罐內的壓力升高，同時(shí)溫度下降，BOG蒸發(fā)氣壓縮機雖然排量不會(huì )有任何變化，但是其吸入BOG氣體的密度會(huì )升高，所以質(zhì)量流量會(huì )升高，抽走更多BOG蒸發(fā)氣。
對應夏季保持工況，儲罐內液位低，只有少量的BOG蒸發(fā)氣產(chǎn)生，隨著(zhù)儲罐內壓力下降，同時(shí)溫度上升，BOG蒸發(fā)氣壓縮機雖然排量不會(huì )有任何變化，但是其吸入BOG氣體的密度會(huì )下降，所以質(zhì)量流量會(huì )下降，抽走較少BOG蒸發(fā)氣。
因此，往復式BOG蒸發(fā)氣壓縮機，隨著(zhù)儲罐內壓力和溫度的變化能夠自動(dòng)調整質(zhì)量流量，形成自平衡再冷凝系統，提高能效、減少控制調節和浪費。
2.BOG蒸發(fā)氣壓縮機自平衡系統流量調節的范圍：
根據理想氣體狀態(tài)方程，假設壓力和體積不變，若溫度變化范圍為-160～-80℃，即113～193K，物質(zhì)的量極端的變化范圍為70%；假設溫度和體積不變，若壓力變化范圍為105～130Kpa(a)，物質(zhì)的量極端的變化范圍為23%。
因此，就LNG接收站BOG蒸發(fā)氣再冷凝的應用，溫度變化對壓縮機質(zhì)量流量影響較大，壓力變化對壓縮機質(zhì)量流量影響較小。根據理想氣體狀態(tài)方程這種對質(zhì)量流量的影響是以乘積的形式疊加，而且由于工藝特性，BOG蒸發(fā)氣壓縮機質(zhì)量流量的范圍非常大，兩個(gè)極端工況質(zhì)量流量差別甚至能夠達到2倍。
3.BOG蒸發(fā)氣壓縮機設計工況的確定
如上所述，BOG蒸發(fā)氣壓縮機質(zhì)量流量變化范圍這么大，怎么樣選型才是適合呢？下圖為BOG蒸發(fā)氣壓縮機不進(jìn)行流量控制時(shí)的運行曲線(xiàn)舉例。
首先，工藝設計能夠確定，卸船工況需要保證的質(zhì)量流量、壓力高值和溫度低值條件，保持工況需要保證的質(zhì)量流量、壓力低值和溫度高值條件，以及操作運行需要保證的質(zhì)量流量、壓力中值和溫度中值條件。壓縮機選型時(shí)可以逐個(gè)計算，比較選出最?lèi)毫拥墓r作為壓縮機的設計工況比對。
但是，現實(shí)情況是工藝設計都是對現場(chǎng)工況的假定和計算，工藝設計時(shí)算出卸船時(shí)需要保證的最大質(zhì)量流量，就需要計算假定入口壓力和溫度等條件。此時(shí)需要注意，如果溫度設定比實(shí)際高，同時(shí)壓力設定比實(shí)際低時(shí)，會(huì )造成選型壓縮機流量大于實(shí)際需要，儲罐壓力升高，溫度下降時(shí)，很快就能把低溫儲罐中BOG蒸發(fā)氣抽光，需要經(jīng)常停機，這種粗放型設計會(huì )造成投資成本上升和浪費。由于入口壓力和溫度條件對于壓縮機選型的影響比較大，所以，工藝設計計算假定入口壓力和溫度時(shí)，不應留太多裕量。
另外，由于BOG壓縮機質(zhì)量流量隨儲罐內溫度和壓力變化范圍很大，當壓縮機根據設計工況選型確定以后，需要計算一個(gè)電機核算工況。當入口壓力達到儲罐安全閥設定值30Kpa(g),溫度低值-160℃條件下，質(zhì)量流量達到最大，同時(shí)電機的功率消耗達到最大，電機選擇需要根據這個(gè)核算工況確定。否則，電機可能在安全閥還沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)超載損壞。當然，如果系統并不需要極限高值流量時(shí)，也可以通過(guò)別的方法保護壓縮機電機，例如，設計旁路回流以降低質(zhì)量流量和軸功率。
4.立式迷宮壓縮機與臥式活塞環(huán)壓縮機的液化天然氣蒸發(fā)氣應用區別
4.1立式迷宮壓縮機和往復壓縮機結構對比分析（見(jiàn)左圖表）
4.2立式迷宮壓縮機和往復壓縮機可靠性對比分析:
由于迷宮密封形式的采用，使得立式迷宮密封式壓縮機的可靠性得到了有效地增強，通?；钊h(huán)密封平均無(wú)故障時(shí)間MTBF＜10,000hrs，而迷宮密封MTBF＜60,000hrs。立式迷宮壓縮機較高的MTBF使業(yè)主和總包公司都趨向于更多的使用這種更可靠性的壓縮機。
4.3立式迷宮壓縮機和往復壓縮機經(jīng)濟性對比分析：
雖然國產(chǎn)立式迷宮壓縮機一次性采購成本比臥式往復壓縮機平均高出15%～20%，但維修運行成本方面，往復壓縮機比立式迷宮壓縮機要高很多，由于兩種類(lèi)型壓縮機功率大致相同，此處不做能耗方面的比較。
兩種形式壓縮機維修成本主要體現在易損件的價(jià)格及更換周期，如表1所示。立式迷宮壓縮機由于易損件相對較少，壽命相對較長(cháng)，其維修成本僅約為臥式往復維修成本的63%。
根據韓國平澤市某LNG接收站實(shí)際運行記錄及統計數據，兩種形式的BOG壓縮機運行成本比較如表2所示。立式壓縮機相比臥式壓縮機相比，運行成本大大降低。
對于低溫BOG壓縮的應用，立式迷宮式壓縮機相比臥式活塞環(huán)壓縮機備件少、大修周期長(cháng)、運行成本更低，因此立式迷宮式壓縮機更適用于低溫BOG工況。
五、BOG蒸發(fā)氣壓縮機的節能及環(huán)保優(yōu)化
1.減溫器對工藝條件的影響
減溫器的應用會(huì )增加BOG壓縮機入口的質(zhì)量流量，增加BOG系統的功率消耗。
1噸BOG氣體每冷卻1℃需要8.2kg液相LNG，因此增加了整個(gè)BOG氣體的體積流量以及進(jìn)一步增加了功率消耗，所以通過(guò)減溫器噴淋去降低BOG壓縮機入口進(jìn)氣溫度的方式是能耗更高的調節方式。如果排氣溫度超過(guò)再冷凝器設計入口溫度時(shí)應該在壓縮機出口采用減溫器的方式更為節能。
2.減溫器對工藝設備的影響
入口減溫器是為BOG壓縮機帶來(lái)液擊風(fēng)險的唯一設備，也是系統必須配置入口分液罐的主要原因。減溫器噴淋的LNG未完全蒸發(fā)，造成壓縮機入口過(guò)濾器的堵塞，壓降升高需要停機處理。
由于低溫罐巨大的容積，所以在罐頂BOG出口的氣體速度非常低，因此很難從LNG液體中將未蒸發(fā)液相的重組分帶入BOG氣體。BOG氣體中的未蒸發(fā)重組分都來(lái)自于噴淋的LNG中少量的重組分，例如：乙烷。乙烷在-80～-100℃的氣體溫度中處于不蒸發(fā)或者蒸發(fā)很慢的情況。這也是分液罐中需要增加除沫器，以及需要增加集液設施和管道的原因。
因此，減溫器本身以及配套需要的分液、集液設施增加了整體項目投資。
3.低溫BOG壓縮機在更大范圍入口溫度波動(dòng)的工況下運行
在不具備入口減溫器的條件下，BOG壓縮機的進(jìn)氣溫度會(huì )在很大范圍內波動(dòng)，可在常溫～-160℃間波動(dòng)。對于進(jìn)氣溫度升高造成BOG壓縮機排氣溫度升高的情況，可以將減溫器設置在BOG壓縮機后，通過(guò)噴淋冷卻氣體出口溫度，減溫器通過(guò)再冷凝器入口溫度自動(dòng)控制。
立式迷宮式壓縮機，活塞和氣缸采用相同耐受低溫的材質(zhì)，熱變形系數小，而且能夠同時(shí)收縮和膨脹，適用于進(jìn)氣溫度的波動(dòng)。
進(jìn)氣溫度升高的運行狀態(tài)，會(huì )造成臥式活塞式BOG壓縮機活塞環(huán)、導向環(huán)壽命的加速磨損。因為，活塞環(huán)、導向環(huán)在低溫BOG應用時(shí)的設計溫度為運行工況的低溫溫度，例如-150℃，如果偏離這個(gè)設計溫度去運行會(huì )加速活塞環(huán)、導向環(huán)的磨損，特別是，運行溫度和設計溫度溫差大于80度時(shí)，活塞環(huán)、導向環(huán)將很難耐受。因此，立式迷宮式壓縮機適用于更大范圍入口溫度的波動(dòng)的工況。
總之，不采用入口減溫器，對于整個(gè)BOG系統更為節能，可以節省項目設備的投資，可以避免BOG壓縮機液擊的風(fēng)險。立式迷宮式壓縮機更適用于沒(méi)有入口減溫器的場(chǎng)站，但臥式活塞環(huán)式壓縮機需要考慮更多易損件更換成本。
結語(yǔ)
LNG液化天然氣接收站在國內分布的越來(lái)越多，BOG壓縮機的選型關(guān)系到整個(gè)LNG接收站的運行成本和正常生產(chǎn)運行，應引起高度重視。立式迷宮壓縮機雖然一次性投入較多但運行成本較低。
參考文獻
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