引言：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。其除了用作發(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起調峰作用。
“十三五”規劃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。
一、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方面的作用至關(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：
（1）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)。
（2）大流量BOG閃蒸氣一般由卸船工況產(chǎn)生。
（3）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。比如中石油唐山LNG接受站夏季較常使用減溫器，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。
二、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為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為-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為500～1100kPa(G)。
BOG蒸發(fā)氣壓縮機為往復式壓縮機，是容積式壓縮機，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為4,000kg/h～200,000kg/h。
下表列出典型LNG接收站再冷凝工藝處理工況：
三、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，形成自平衡在冷凝系統，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。
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)計算卸船時(shí)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立式迷宮壓縮機和臥式活塞環(huán)壓縮機結構對比分析：
立式迷宮壓縮機
壓縮機結構形式：往復式壓縮機，立式結構
氣缸密封形式：迷宮密封，非接觸式氣態(tài)密封
材質(zhì)：氣缸和活塞均為高鎳球墨鑄鐵Ni35%；無(wú)活塞環(huán)、導向環(huán)；氣缸和活塞耐低溫，膨脹系數相同，操作溫度范圍很寬-160℃～200℃；開(kāi)機不需要預冷；迷宮活塞不屬于易損件。
排氣溫度限制：非接觸、迷宮式結構、金屬材質(zhì)，對于排氣溫度的機械耐溫小于200℃。
活塞速度限制：非接觸式密封，速度越高，密封效率越高。在考慮壓縮機運動(dòng)部件的轉速限制條件下，活塞速度應不高于5m/s。
活塞直徑限制：受限于壓縮機結構、鑄造工藝限制，曲軸之間的距離決定活塞直徑，一般也不宜超過(guò)900mm。
主填料密封形式：迷宮密封，非接觸式氣態(tài)密封，立式結構；填料環(huán)磨損慢；壓縮機為承壓設計，無(wú)吹掃密封。
將密封氣導向壓縮機入口，回收工藝氣。
無(wú)工藝氣損失和密封氣消耗。
隔冷設施：低溫氣缸與壓縮機中體之間設置隔冷水套，防止冷能傳遞到鑄鐵材質(zhì)的中體和曲軸箱，造成變形和應力。
活塞桿形式：立式。
往復質(zhì)量由曲軸主軸承承擔。
對壓縮機基礎有往復沖擊力。
十字頭僅導向，不承擔重力。
十字頭不屬于易損件。
不需要安裝活塞桿沉降探頭。
臥式活塞環(huán)壓縮機
壓縮機結構形式：往復式壓縮機，臥式結構
氣缸密封形式：活塞環(huán)密封，無(wú)油干摩擦接觸式密封。
材質(zhì)：氣缸為不銹鋼，活塞為鋁合金；活塞環(huán)、導向環(huán)為非金屬材質(zhì)；密封結構的活塞、活塞環(huán)、導向環(huán)、氣缸分別為金屬和非金屬材質(zhì)，膨脹系數不同。
非金屬導向環(huán)設計溫度為低溫，運行在常溫或高溫會(huì )加速磨損。因此，壓縮機開(kāi)機需要預冷，以降低非金屬導向環(huán)磨損。
如果不預冷啟機，冷硬的非金屬活塞環(huán)還會(huì )擠傷較軟鋁材質(zhì)的活塞。
活塞環(huán)、導向環(huán)為易損件。
排氣溫度限制：隨著(zhù)排氣溫度的升高，導向環(huán)、活塞環(huán)的磨損并不是線(xiàn)性增加，而是指數式增加。對于低溫應用要求應該更加嚴格，排氣溫度宜小于80℃。如果超溫應該減小單級壓縮比，增加壓縮級數，以保證易損件能夠穩定運行。
活塞速度限制：接觸式密封，為降低活塞環(huán)磨損的速度，應控制活塞干摩擦速度不高于3m/s；同時(shí)，也需要考慮壓縮機運動(dòng)部件的轉速限制。
活塞直徑限制：受限于活塞質(zhì)量，活塞越大，重力越大，活塞環(huán)磨損越快，應限制活塞直徑小于600mm。
主填料密封形式：彈簧作用于填料環(huán)，抱緊活塞桿，接觸式密封，臥式結構，填料環(huán)磨損快；有吹掃密封氣、氮氣。
泄露工藝氣與密封氣氮氣混合，為不凝氣，排放火炬有工藝氣損失和密封氣消耗。
隔冷設施：通常不設設置隔冷水套，冷能可以傳遞到中體和曲軸箱等鑄件，造成應力和扭曲，甚至可能會(huì )出現脆性破壞，同時(shí)也會(huì )影響傳動(dòng)部件的配合關(guān)系。
活塞桿形式：臥式。
往復質(zhì)量由導向環(huán)和十字頭滑履承擔，造成易損件導向環(huán)和十字頭滑履磨損。而且，運行一段時(shí)間后活塞桿會(huì )沉降，造成填料環(huán)、刮油環(huán)等易損件偏磨，加速易損件磨損。
需要安裝活塞桿沉降探頭，監控導向環(huán)磨損情況，以避免活塞磨缸。
4.2立式迷宮壓縮機和活塞環(huán)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個(gè)更可靠性的壓縮機。
4.3立式迷宮壓縮機和活塞環(huán)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活塞環(huán)壓縮機平均高出15%～20%，但維修成本和運行成本等方面，活塞環(huán)壓縮機比立式迷宮壓縮機要高出很多。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%。
注：測算根據廠(chǎng)商提供典型數據，單臺BOG壓縮機平均運行3337h，單臺設備運行期限25年。
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，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。
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，但運行維修成本較低。
參考文獻
①?lài)野l(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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引言：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。其除了用作發(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起調峰作用。
“十三五”規劃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。
一、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方面的作用至關(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：
（1）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)。
（2）大流量BOG閃蒸氣一般由卸船工況產(chǎn)生。
（3）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。比如中石油唐山LNG接受站夏季較常使用減溫器，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。
二、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為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為-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為500～1100kPa(G)。
BOG蒸發(fā)氣壓縮機為往復式壓縮機，是容積式壓縮機，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為4,000kg/h～200,000kg/h。
下表列出典型LNG接收站再冷凝工藝處理工況：
三、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，形成自平衡在冷凝系統，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。
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)計算卸船時(shí)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立式迷宮壓縮機和臥式活塞環(huán)壓縮機結構對比分析：
立式迷宮壓縮機
壓縮機結構形式：往復式壓縮機，立式結構
氣缸密封形式：迷宮密封，非接觸式氣態(tài)密封
材質(zhì)：氣缸和活塞均為高鎳球墨鑄鐵Ni35%；無(wú)活塞環(huán)、導向環(huán)；氣缸和活塞耐低溫，膨脹系數相同，操作溫度范圍很寬-160℃～200℃；開(kāi)機不需要預冷；迷宮活塞不屬于易損件。
排氣溫度限制：非接觸、迷宮式結構、金屬材質(zhì)，對于排氣溫度的機械耐溫小于200℃。
活塞速度限制：非接觸式密封，速度越高，密封效率越高。在考慮壓縮機運動(dòng)部件的轉速限制條件下，活塞速度應不高于5m/s。
活塞直徑限制：受限于壓縮機結構、鑄造工藝限制，曲軸之間的距離決定活塞直徑，一般也不宜超過(guò)900mm。
主填料密封形式：迷宮密封，非接觸式氣態(tài)密封，立式結構；填料環(huán)磨損慢；壓縮機為承壓設計，無(wú)吹掃密封。
將密封氣導向壓縮機入口，回收工藝氣。
無(wú)工藝氣損失和密封氣消耗。
隔冷設施：低溫氣缸與壓縮機中體之間設置隔冷水套，防止冷能傳遞到鑄鐵材質(zhì)的中體和曲軸箱，造成變形和應力。
活塞桿形式：立式。
往復質(zhì)量由曲軸主軸承承擔。
對壓縮機基礎有往復沖擊力。
十字頭僅導向，不承擔重力。
十字頭不屬于易損件。
不需要安裝活塞桿沉降探頭。
臥式活塞環(huán)壓縮機
壓縮機結構形式：往復式壓縮機，臥式結構
氣缸密封形式：活塞環(huán)密封，無(wú)油干摩擦接觸式密封。
材質(zhì)：氣缸為不銹鋼，活塞為鋁合金；活塞環(huán)、導向環(huán)為非金屬材質(zhì)；密封結構的活塞、活塞環(huán)、導向環(huán)、氣缸分別為金屬和非金屬材質(zhì)，膨脹系數不同。
非金屬導向環(huán)設計溫度為低溫，運行在常溫或高溫會(huì )加速磨損。因此，壓縮機開(kāi)機需要預冷，以降低非金屬導向環(huán)磨損。
如果不預冷啟機，冷硬的非金屬活塞環(huán)還會(huì )擠傷較軟鋁材質(zhì)的活塞。
活塞環(huán)、導向環(huán)為易損件。
排氣溫度限制：隨著(zhù)排氣溫度的升高，導向環(huán)、活塞環(huán)的磨損并不是線(xiàn)性增加，而是指數式增加。對于低溫應用要求應該更加嚴格，排氣溫度宜小于80℃。如果超溫應該減小單級壓縮比，增加壓縮級數，以保證易損件能夠穩定運行。
活塞速度限制：接觸式密封，為降低活塞環(huán)磨損的速度，應控制活塞干摩擦速度不高于3m/s；同時(shí)，也需要考慮壓縮機運動(dòng)部件的轉速限制。
活塞直徑限制：受限于活塞質(zhì)量，活塞越大，重力越大，活塞環(huán)磨損越快，應限制活塞直徑小于600mm。
主填料密封形式：彈簧作用于填料環(huán)，抱緊活塞桿，接觸式密封，臥式結構，填料環(huán)磨損快；有吹掃密封氣、氮氣。
泄露工藝氣與密封氣氮氣混合，為不凝氣，排放火炬有工藝氣損失和密封氣消耗。
隔冷設施：通常不設設置隔冷水套，冷能可以傳遞到中體和曲軸箱等鑄件，造成應力和扭曲，甚至可能會(huì )出現脆性破壞，同時(shí)也會(huì )影響傳動(dòng)部件的配合關(guān)系。
活塞桿形式：臥式。
往復質(zhì)量由導向環(huán)和十字頭滑履承擔，造成易損件導向環(huán)和十字頭滑履磨損。而且，運行一段時(shí)間后活塞桿會(huì )沉降，造成填料環(huán)、刮油環(huán)等易損件偏磨，加速易損件磨損。
需要安裝活塞桿沉降探頭，監控導向環(huán)磨損情況，以避免活塞磨缸。
4.2立式迷宮壓縮機和活塞環(huán)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個(gè)更可靠性的壓縮機。
4.3立式迷宮壓縮機和活塞環(huán)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活塞環(huán)壓縮機平均高出15%～20%，但維修成本和運行成本等方面，活塞環(huán)壓縮機比立式迷宮壓縮機要高出很多。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%。
注：測算根據廠(chǎng)商提供典型數據，單臺BOG壓縮機平均運行3337h，單臺設備運行期限25年。
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，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。
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，但運行維修成本較低。
參考文獻
①?lài)野l(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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