LNG接收站用BOG迷宫压缩机的应用研究

王灵德，计洪旭，何振鹏，李元英

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州730060；2.兰州市第三十四中学，甘肃兰州730060）

1 引言

随着全球LNG需求量的不断增加，各个国家都在不断地建设LNG接收站；自广东大鹏LNG接收站投产以来，这几年国内的LNG接收站发展迅速。在未来，随着我国能源结构的调整，大量引进LNG清洁能源将成为必然发展趋势。然而在LNG卸船和贮藏期间都会产生大量BOG（Boil-off Gas，蒸发气）气体，如果不及时处理，将会对设备造成危害，如果排放，将会对经济和环境都造成很大影响。目前国内已经建好和规划在建的LNG接收站较多，合理利用和回收这些BOG是LNG接收站重要的一个环节。目前LNG接受站BOG的处理主要有2种工艺流程：一种是将BOG经压缩机压缩直接外输至用户；另一种是将BOG压缩后与罐中LNG换热冷凝至液态，在经高压泵加压，气化后外输至用户。上述两种BOG处理工艺流程，都需要对BOG进行增压，因此BOG压缩机是处理LNG的关键设备。两种BOG处理工艺原理图，见图1、2。

图1 采用直接压缩工艺

图2 采用再冷凝工艺

2 BOG回收装置在L NG接收站应用的必要性

LNG接收站在卸船和储罐储存的过程中，会产生大量BOG，另外管线的循环保冷和装车等也将产生巨大的BOG量。早期处理这些BOG的方式非常原始，就是将这些BOG直接引至火炬燃烧排放。这种处理方式不仅造成资源浪费，造成巨大的经济损失，而且会产生大量的温室气体，对自然环境也造成很大的破坏。例如某LNG接收站在卸船和投产调试初期，由于LNG储罐的置换及冷却，下游城市燃气和电厂施工、调试进度不到位，接收站不能进行高压外输而影响BOG回收，累计损耗LNG约8000 t（约合人民币5000万元左右）。

另外，LNG接收站正常工作时产生的BOG主要集中在卸船期间和储罐储存期间。卸船时，每天BOG产生量大约在18~38万m3之间，而储存期间接收站每天产生BOG量大约在8~16万m3之间。该LNG接收站根据每天BOG的蒸发量，最终选择了液化量为每天5万m3的再液化装置。当然在选择液化装置液化量时需要考虑到设备购置成本、使用周期、以及下游用户的实际用气量变化；还有，从节能角度考虑，在该工艺条件下，无需启动接收站高压泵及气化器等外输设备，只需将LNG储罐内蒸发的BOG加压到一定值即可直接外输。因此，LNG接收站还需要增设一台日处理能力20万m3的常温BOG增压压缩机，将接收站低温BOG压缩机初步加压后的BOG进一步增压至下游需要的压力，其中每天5万m3的高压BOG压缩输送到再液化装置进行液化回收输送到LNG储罐，其中20万m3的高压BOG可直接外输至下游管网回收利用。

因此，LNG接收站在处理BOG时，为了避免火炬燃烧而大量排放导致的环境污染以及减少不必要的资源浪费，提高项目整体投资的经济性和环保性，考虑增加BOG增压外输或再液化装置的工艺是十分必要的。

3 BOG压缩机工作的特点

BOG压缩机是处理LNG接收站中蒸发出的BOG的设备，该设备将低温状态下的BOG加压后，分两路进行下一步的处理，第1路进入管网，第2路进入冷凝器再冷凝后回流入储罐。因此，BOG压缩机正常工作温度超低，属于超低温工况下工作的压缩机，与一般的压缩机相比，BOG压缩机具有如下特点：

（1）压缩的气体主要为甲烷，属易燃、易爆气体；

（2） 当BOG气体直接进入压缩机时，吸气温度通常为-160℃至-100℃，气缸、活塞、滑动磨损件等需要采用特殊材料和设计，以保证气缸在低温下的正常工作；

（3）在这种极低温度下气缸等部件不能采用有油润滑；

（4） 低温下能够长时间稳定工作，以满足连续运行的需要；

（5） 蒸发量并非恒定，因此需要考虑气量调节。

4 BOG压缩机型式的选择

由于BOG气量不稳定，入口压力比较低，且部分工艺要求压缩机入口温度比较低，因此根据工艺要求选择合适的压缩机型式对工厂的稳定运行至关重要。目前国内LNG项目上采用的BOG压缩机主要有迷宫式压缩机、往复式压缩机和螺杆式压缩机。下面就这3类压缩机的优缺点并结合LNG接收站的工艺要求分别进行对比介绍。

4.1 迷宫压缩机

迷宫压缩机的优点有：

（1）可靠性高：迷宫压缩机主机与压缩气体接触部分均采用了非接触式迷宫密封，压缩机气缸内无润滑油和粉尘磨屑，同时对压缩介质中混入的杂质颗粒不敏感，其优点在于排气无污染，充分保证了其压缩介质的品质；在压缩易燃易爆烃类气体中，或在超高温或在超低温工况时使用更具有极高的安全可靠性，且很可能是唯一的选择。

（2） 安全型高：迷宫压缩机由于采用了非接触式迷宫密封，主机通过气流的所有部件用金属制成，所以在设计时尽可能简单，另外在压缩范围内无机械摩擦产生，另外整机可以设计成全封闭式结构，在压缩易燃、易爆、有毒气体时保证压缩机的安全性。

（3） 经济效益高：正是由于迷宫压缩机的以上两个特点，所以此类的设备易损件少，而且由于长周期运行无故障，所以维护费用也很低；整个机组仅有极少的几个部件需要维护，维护的部件都易于拆卸和方便安装，所以开工率高；另外，迷宫压缩机都是立式结构，所以占地面积小；主机气缸因为没有活塞环和润滑油，所以整机工作温度即可逾越非金属材料活塞环允许的最高工作温度安全运行，也可高于气缸有油润滑压缩机的压缩机油闪点正常工作，还可低于普通金属材料为防冷脆而限定的最低工作温度下正常工作；无疑提高了经济效益。

迷宫压缩机的缺点有：

（1）结构复杂，制造难度大；

（2）在LNG行业应用业绩较少，操作经验少。

4.2 往复压缩机

往复压缩机的主要优点：

（1） 使用压力范围广；

（2）热效率高，单位耗电量少；

（3）加工较容易，造价也比较低廉；

（4） 技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验。

主要缺点有：

（1）机器的外形尺寸及重量较大；

（2） 结构复杂，易损件多，维修量大；

（3） 占地面积较大。

4.3 离心式压缩机

离心式压缩机优点主要有：

（1）结构紧凑、尺寸小、重量轻；

（2）排气均匀、连续、无周期性脉动；

（3） 转速高、排量大 （可达到15×106～42.5×106m3/d）；

（4）工作稳定，振动小；使用期限长、可靠，易损件少；

（5）便于调节流量和节能，易实现自控等。

其缺点为：

（1）压比较低，热效率低，流量过小时会产生喘振；

（2）适用于大流量、中低压条件。

从以上的对比分析可以看出，迷宫式压缩机占地面积小，效率比较高，从长周期运行来看比较经济，安全环保。

表1 不同材料的力学性能对比

5 BOG迷宫压缩机的结构性能研究

其主要特点有：

（1） 一级气缸材料为GGG Ni35,高镍球墨铸铁，其力学性能参数见表1，进气可以到-160℃，压缩机无需预冷可以直接从常温启动。活塞采用迷宫式间隙密封，因此没有磨损。

（2） 气缸与机身间设有隔热层，在其夹层中充乙二醇循环液，压缩机正常运行时保持温度约-20℃，以免机身过冷而脆裂。

（3） Ⅰ、Ⅱ级无需中间及后冷却器，若为三级压缩机可能需要后冷却器。

（4） 活塞与活塞杆均采用迷宫密封，不存在传统活塞环、填料函润滑问题；

（5）泄漏气体收集后回到一级进气，曲轴轴封为含在油内的双端面轴封。

6 BOG压缩机装置收益情况

按照LNG接受站的BOG增压机已调试完毕具备外输条件，向下游用户输送天然气。按照设计负荷19×104m3/d的外输处理能力，装置24 h连续运行后每天收益=1.7元/m3×19×104m3/d=32.3万，BOG增压压缩机装置的设备购置费用加上土建施工等费用总计约1200万元。

7 结语

BOG增压外输或再液化装置在LNG接收站的成功应用，能够有效避免不必要的资源浪费和环境破坏，BOG压缩机作为该系统的核心装置，无论从运行安全可靠性还是经济性的角度讲用迷宫压缩机是最佳的选择。