呂 俊張昌維 中海浙江寧波液化天然氣有限公司 寧波 315800傅 皓 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

LNG接收站BOG壓縮機(jī)處理能力計(jì)算及選型研究

呂 ?。獜埐S 中海浙江寧波液化天然氣有限公司 寧波 315800傅 皓 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

LNG接收站的功能是接收、儲(chǔ)存和氣化LNG,并通過(guò)管網(wǎng)向下游用戶供氣。由于在卸船時(shí) LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐導(dǎo)致罐內(nèi)LNG體積變化,以及環(huán)境溫度、大氣壓變化、罐內(nèi)泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等外界能量的輸入,會(huì)產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣 (BOG)。為了維持儲(chǔ)罐壓力的穩(wěn)定,必須處理掉過(guò)量的BOG。BOG壓縮機(jī)作為 BOG處理的核心設(shè)備,在LNG儲(chǔ)運(yùn)中起到重要作用。本文以某LNG項(xiàng)目為例,探討B(tài)OG壓縮機(jī)處理能力的計(jì)算方法以及選型。

LNG BOG壓縮機(jī) 能力計(jì)算 選型

LNG(Liquefied Natural Gas)是液化天然氣的簡(jiǎn)稱,它充分利用了天然氣在常壓和 -162℃下液化后,體積可縮小到氣態(tài)時(shí) 1/600這一性質(zhì),為天然氣高效輸送提供了新的途徑,也擴(kuò)大了天然氣的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

LNG接收站的主要功能是接收、儲(chǔ)存和氣化LNG,并通過(guò)管網(wǎng)向下游用戶供氣。部分 LNG接收站還設(shè)置 LNG槽車裝車站,向用戶直接提供LNG。由于在卸船時(shí) LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐導(dǎo)致罐內(nèi) LNG體積變化,以及環(huán)境溫度、大氣壓變化、罐內(nèi)泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等外界能量的輸入,會(huì)產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣 (BOG)。為了維持儲(chǔ)罐壓力的穩(wěn)定,必須處理掉過(guò)量的 BOG。目前處理 BOG的工藝一般用直接壓縮外輸或再冷凝工藝。由于前者能耗高,不適合大型LNG接收站[2],因此,本文討論再冷凝工藝下BOG壓縮機(jī)處理能力的計(jì)算及選型。

1 BO G壓縮機(jī)處理能力計(jì)算

BOG壓縮機(jī)處理能力計(jì)算一般是基于以下兩點(diǎn):

(1)接收站產(chǎn)生的 BOG全部被處理,沒(méi)有多余BOG需要通過(guò)火炬排放。

(2)BOG采用再冷凝工藝,經(jīng)冷凝后再氣化[3]。

現(xiàn)在就以某LNG項(xiàng)目為例,計(jì)算 BOG壓縮機(jī)的處理能力。

1.1 LNG儲(chǔ)罐漏熱引起的BO G增加量

由于從外界吸熱而導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi) LNG蒸發(fā)形成的 BOG一般為 0.05% (質(zhì)量)[4],某 LNG設(shè)計(jì)LNG組分密度為 456kg/m3,LNG氣化潛熱為522kJ/kg,BOG氣體密度 1.7kg/m3(20kPa, -130℃)。那么,某 LNG一期三臺(tái) 160000m3LNG儲(chǔ)罐,計(jì)算增加量得:

1.2 LNG管道漏熱引起的BO G增加量

由于外界氣溫大大高于管道內(nèi)LNG,因此接收站內(nèi)的大尺寸管線內(nèi)產(chǎn)生的 BOG不應(yīng)忽略。經(jīng)計(jì)算,某LNG低溫管道面積約為 9201m2,在保冷層采用厚度為 150mmPUR情況下,最大漏熱系數(shù)約為25W/m2,那么經(jīng)計(jì)算增加量得:

1.3 LNG罐內(nèi)低壓泵及高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)引起的BO G

接收站設(shè)計(jì)最惡劣工況應(yīng)在僅有一臺(tái) LNG罐內(nèi)低壓泵運(yùn)行,并且全部流量用于保冷循環(huán),循環(huán)后回罐。由于罐內(nèi)低壓泵為電機(jī)浸沒(méi)在 LNG內(nèi),因此低壓泵電機(jī)軸功率應(yīng)視為全部轉(zhuǎn)換為熱能。LNG罐內(nèi)低壓泵流量為 433m3/h,泵效率為 71%,揚(yáng)程為 256m,那么轉(zhuǎn)化的熱能約為 193kW。

設(shè)計(jì)最惡劣工況應(yīng)為僅有一臺(tái)高壓泵運(yùn)行,額定流量 40%回罐。和低壓泵類似,回罐流量所得到的軸功應(yīng)視為全部轉(zhuǎn)換為熱能。LNG高壓泵流量為 385m3/h,泵效率為 81%,揚(yáng)程為 1806m,那么轉(zhuǎn)化的熱能約為 424kW。合計(jì)計(jì)算 Wb為2924kg/h。

1.4 LNG裝槽車引起的 BO G增加量

LNG槽車在裝車時(shí),由于槽車和 LNG儲(chǔ)罐的壓力差,會(huì)引起部分 BOG從槽車回到 LNG儲(chǔ)罐。LNG裝車速率 420 m3/h,槽車操作壓力為 0.7MPa(G),BOG氣體密度約為 2.02kg/m3(25kPa(G), -160℃),計(jì)算 Wc1為 759kg/h。

由于裝車,引起儲(chǔ)罐液位下降,帶來(lái)的 BOG減少量為:

Wc2=裝車速率 ×BOG氣體密度 =714 kg/h

綜上得:

1.5 LNG卸船引起的BO G增加量

LNG運(yùn)輸船靠岸時(shí),由于卸料會(huì)引起接收站BOG變化。LNG卸料速率:14000m3/h,引起LNG儲(chǔ)罐BOG增加量:

Ws1=卸料速率 ×BOG氣體密度 =23800 kg/h

由于 LNG運(yùn)輸船卸料后,需要 LNG儲(chǔ)罐返回部分BOG以滿足運(yùn)輸船倉(cāng)壓力平衡,LNG船自身BOG蒸發(fā)率為 0.15%(wt)。經(jīng)計(jì)算該部分引起的BOG減少量:

因此,

1.6 LNG外輸引起的BO G減少量

某LNG最小外輸量為 380000Nm3/h,因此,

Ww=外輸速率 ×BOG氣體密度 =1058 kg/h

1.7 大氣壓變化引起的 BO G增加量

不考慮臺(tái)風(fēng)情況,因?yàn)橐坏┯捎谂_(tái)風(fēng)引起大氣壓劇烈變化而導(dǎo)致罐內(nèi) BOG大量增加,此時(shí)產(chǎn)生的BOG若不能處理,應(yīng)直接放火炬。在通常情況下,極端大氣壓變化一般為 410Pa/h(根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)),因此,

因此,BOG壓縮機(jī)處理能力 W合計(jì)為23193kg/h。圓整后取 24t/h。再考慮到一定的富裕量,取 BOG壓縮機(jī)能力為 27t/h,數(shù)量為 3臺(tái),每臺(tái)9t/h。

2 BO G壓縮機(jī)

2.1 特點(diǎn)

往復(fù)式壓縮機(jī)是利用容積的改變使氣體壓縮,LNG接收站采用往復(fù)壓縮機(jī)提高 BOG壓力以滿足工藝操作的要求,具有以下主要特點(diǎn):

(1)進(jìn)口溫度低,可以承受 -165℃的低溫。

(2)進(jìn)出口壓差大,需采用多級(jí)壓縮實(shí)現(xiàn)較大的壓縮比。

(3)采用無(wú)油潤(rùn)滑。

(4)較低的活塞速度:經(jīng)驗(yàn)證明,由于較高的活塞速度對(duì)應(yīng)較頻繁的氣閥開(kāi)閉以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件較大的慣性力,對(duì)活塞環(huán)及支撐環(huán)會(huì)造成較大的磨損,從經(jīng)濟(jì)性及安全性角度考慮,要求限制活塞平均速度。

2.2 選型

2.2.1 BOG壓縮機(jī)型式

LNG接收站的 BOG壓縮機(jī)一般采用低溫?zé)o油往復(fù)式壓縮機(jī),目前市場(chǎng)上實(shí)際的 LNG工程運(yùn)用中,一般有立式迷宮密封式和臥式對(duì)置平衡式兩種。

(1)立式迷宮密封式壓縮機(jī)剖面見(jiàn)圖 1。

圖1 立式迷宮密封式剖面圖

立式迷宮密封式壓縮機(jī)一般由三部分組成:①氣缸壓縮部分的密封形式為非接觸式迷宮密封,無(wú)油潤(rùn)滑,無(wú)活塞環(huán)和支承環(huán)等易損件;②機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)部分為全封閉無(wú)泄漏結(jié)構(gòu),曲軸上設(shè)計(jì)有機(jī)械氣密密封,壓縮介質(zhì)不會(huì)泄入大氣環(huán)境,并設(shè)置有保證活塞與氣缸同軸度的活塞桿導(dǎo)向軸承;③中間隔離段部分能防止曲軸箱潤(rùn)滑油進(jìn)入氣體壓縮部分,保證氣體不被污染。由于采用了迷宮密封,活塞和氣缸為非接觸,因此工作表面沒(méi)有磨損,可以選擇較高的活塞速度。

(2)臥式對(duì)置平衡式壓縮機(jī)見(jiàn)圖 2。

圖2 臥式對(duì)置平衡式壓縮機(jī)

利用特殊材料的活塞環(huán),如特氟龍活塞環(huán)實(shí)現(xiàn)密封和無(wú)油潤(rùn)滑。由于臥式機(jī)器自身的局限性,無(wú)法做到活塞支持環(huán)和活塞環(huán)與氣缸的直接接觸,因此,為了減少磨損,一般要在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,但其動(dòng)力平衡性能較好。

2.2.2 特點(diǎn)比較

兩種 BOG壓縮機(jī)特點(diǎn)比較見(jiàn)表 1。

表1 兩種BO G壓縮機(jī)特點(diǎn)比較

從表 1可以看出,臥式對(duì)置平衡式壓縮機(jī)與立式迷宮密封式壓縮機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。臥式機(jī)在平衡性、維護(hù)難易度及重心方面具有優(yōu)勢(shì),但立式機(jī)在可靠性及維護(hù)成本方面具備優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 操作及運(yùn)營(yíng)成本比較

在BOG壓縮機(jī)的選型上,除了要滿足工藝參數(shù) (進(jìn)氣/排氣壓力、進(jìn)氣/排氣溫度、處理量)外,還需要從一次性投資和以后的運(yùn)營(yíng)成本兩個(gè)因素綜合考慮。

目前,已經(jīng)安裝運(yùn)行成功的壓縮機(jī)一般由瑞士的布克哈德公司 (Burkhardt)、日本的石川島播磨 (IH I)、日本神戶制鋼 (KSL)以及美國(guó)的德萊賽蘭 (Dresserrand)公司制造[5]。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn) (福建 LNG,廣東 LNG等),立式機(jī)的采購(gòu)成本一般比臥式機(jī)高 10%～20% (視項(xiàng)目情況具體而定)。兩種壓縮機(jī)維護(hù)成本見(jiàn)表 2(設(shè)立式壓縮機(jī)采購(gòu)成本為 A)。

從表 2可以看出,雖然臥式對(duì)置平衡式壓縮機(jī)比立式迷宮密封式壓縮機(jī)一次性投資便宜,但綜合 25年運(yùn)行成本卻高于立式迷宮密封式壓縮機(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)BOG壓縮機(jī)處理能力的計(jì)算應(yīng)綜合考慮LNG儲(chǔ)罐漏熱、管道漏熱、罐內(nèi)低壓泵及高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)、裝槽車、卸船、外輸及大氣壓變化等 7個(gè)因素。經(jīng)計(jì)算,BOG壓縮機(jī)處理能力 W合計(jì)為23193kg/h。圓整后取 24t/h。再考慮到一定的富裕量,因此取該 LNG項(xiàng)目 BOG壓縮機(jī)能力為 27t/h,采用 3臺(tái)能力為 9t/h的壓縮機(jī)。

表2 兩種壓縮機(jī)維護(hù)成本比較

(2)BOG壓縮機(jī)選型除了要滿足工藝參數(shù)(進(jìn)氣 /排氣壓力,進(jìn)氣 /排氣溫度、處理量)外,還要根據(jù)項(xiàng)目,結(jié)合壓縮機(jī)自身特點(diǎn)綜合考慮,并且鑒于壓縮機(jī)的型式不同,導(dǎo)致兩種機(jī)器的維護(hù)費(fèi)用差據(jù)較大,應(yīng)綜合考慮一次性投資和以后的運(yùn)營(yíng)成本兩個(gè)因素而最終選擇。

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5 尹清黨.BOG壓縮機(jī)在LNG接收站的應(yīng)用 [J].壓縮機(jī)技術(shù),2009(6):35-39.

2010-10-26)

＊ 呂 俊:工程師。2005年畢業(yè)于浙江大學(xué)獲碩士學(xué)位。現(xiàn)從事技術(shù)工作。聯(lián)系電話:13780080854,E-mail:lvjun2@cnooc.com.cn。