侯偉平

（中海油南山（山東） 天然氣有限公司，山東煙臺 264010）

1 引言

蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas，簡稱BOG） 是LNG的一種衍生物。LNG接收站BOG的產生主要與外部熱量輸入、大氣壓力變化、儲罐初始充滿率以及翻滾分層等諸多因素有關[1]。大量BOG的產生會導致LNG儲罐內部溫度升高，壓力增大，將對LNG接收站的正常運營帶來極大的安全隱患[2]。當BOG的流量遠大于BOG壓縮機或者再冷凝器的處理能力時，過量的BOG將直接排至火炬燃燒，會造成較大的經濟損失。因此，合理的對BOG壓縮機進行選型，對于保障LNG接收站的安全運行及提升接收站運營經濟效益等方面至關重要。因此，本文主要圍繞國內某在建大型LNG接收站項目BOG壓縮機選型方案展開研究。

2 BOG壓縮機簡介

BOG壓縮機作為LNG接收站的核心運轉設備，是整個接收站所有設備中技術要求、質量要求、可靠性及維護管理要求最高的運轉設備之一。BOG壓縮機的主要作用是處理LNG儲罐中產生的過量BOG蒸發(fā)氣，維持LNG儲罐內部的壓力恒定。本文將針對國內某大型LNG接收站項目BOG壓縮機的選型進行對比研究，通過研究分析確定適用于該接收站項目的BOG壓縮機選型方案。

2.1 BOG壓縮機的分類

根據工作原理的不同，LNG接收站BOG壓縮機主要分為離心壓縮機和往復壓縮機2種類型；其中，往復式BOG壓縮機根據結構形式的不同，又分為立式迷宮式BOG壓縮機和臥式對置平衡式BOG壓縮機[3]。其特點對比如表1所示。

2.2 BOG壓縮機工作原理

（1）往復壓縮機屬于變容積型壓縮機，其主要的工作原理是原動機通過撓性聯軸器驅動電機轉子直接帶動壓縮機的曲軸做旋轉運動，通過十字頭將連桿與活塞桿連接，連接后的連桿機構將曲軸的旋轉運動通過十字頭轉化為活塞桿的往復運動，然后活塞桿將往復的推力不斷作用于活塞頭，使得活塞頭在壓縮機氣缸內不斷的進行往復運動，經過膨脹、吸氣、壓縮、排氣4個沖程，實現對吸入壓縮機氣缸內氣體的壓縮，并將增壓后的氣體排出[4]。多級往復壓縮機，通過將上一級壓縮排出的氣體吸入，在下一級壓縮機構經上述氣體壓縮過程，實現氣體的進一步壓縮增壓。

（2）離心壓縮機屬于速度型壓縮機，其主要的工作原理是通過原動機帶動壓縮機軸上的各級葉輪做高速旋轉運動，高速旋轉的葉輪對軸向吸入壓縮機內的氣體做功，將氣體沿著葉輪徑向甩出，甩出氣體到達流通面積逐漸增大的擴壓器流道內，使得氣體的流速逐漸下降，壓力不斷升高，壓縮后的氣體沿著軸向運動，進入下一級葉輪繼續(xù)被壓縮，直至壓縮氣體從壓縮機排氣口排出，整個壓縮過程是一個機械能轉化成為氣體壓力能的過程[5]。

2.3 BOG壓縮機的市場應用

（1）目前已建成的國內LNG接收站項目所配置的低溫BOG壓縮機皆為往復壓縮機，有立式迷宮式壓縮機、臥式對置平衡式壓縮機兩種類型。其中立式迷宮式壓縮機應用較多。

（2）離心式BOG壓縮機在國內接收站暫無應用業(yè)績，同時也無相關的生產制造業(yè)績；但韓國某壓縮機公司研制的離心式BOG壓縮機在國外部分LNG接收站已有成功應用的業(yè)績。2011年，韓國韓華壓縮機公司的第一臺低溫離心式BOG壓縮機研制成功，并代替之前的往復式BOG壓縮機被安裝應用于韓國KOGAS平澤LNG接收站；后續(xù)增購2臺離心式BOG壓縮機，目前KOGAS平澤LNG接收站的BOG蒸發(fā)氣由3臺離心壓縮機與8臺往復壓縮機共同完成處理。2014年，韓國三陟LNG接收站（3座27萬m3儲罐） 的5臺BOG壓縮機全部采用離心式BOG壓縮機，投用運行至今無明顯故障出現。

表1 立式迷宮式壓縮機與臥式對置平衡式壓縮機的特點對比

3 低溫BOG壓縮機選型研究

3.1 LNG接收站BOG生成工況分析

國內某大型LNG接收站一期工程共建設6座22 m3LNG儲罐，根據LNG接收站的工藝設計原則，BOG壓縮機的單臺處理能力的設計主要是通過計算接收站在正常運行情況下BOG最大的生成量來進行確定。該大型LNG接收站項目BOG生成量的計算主要通過以下5種工況條件來進行確定。在5種工況條件下BOG的生成量，如表2所示：

工況一：零外輸+無卸料+有槽車+有小船；

工況二：零外輸+有卸料+有槽車+無小船；

工況三：最大外輸+無卸料+有槽車+無小船；

工況四：最小外輸+無卸料+有槽車+有小船；

工況五：零外輸+無卸料+無槽車+無小船。

由上表可知，在零外輸+無卸料+有槽車+有小船的極端工況條件下BOG閃蒸汽的生成量最大，達到了34.04 t/h。

3.2 離心式壓縮機和往復式壓縮機對比分析

（1）從機械原理的角度分析，往復式BOG壓縮機有曲柄機構、連桿機構、十字頭以及活塞等諸多機械結構組成，且摩擦部件較多，易損件較多；而離心式BOG壓縮機的結構設計為單軸設計，只有一個旋轉軸，由軸上裝配的不同級數的葉輪和對應的擴壓器組成，該類型壓縮機結構簡單，易損件少。從機械原理角度分析得出，離心式壓縮機要優(yōu)于往復壓縮機，運行維護成本更低。

（2）從運行范圍的角度分析。往復式BOG壓縮機運行過程中的流量調節(jié)的范圍廣，屬于階梯型的流量調節(jié)，可以實現從0、25%、50%、75%、100%的5級流量調節(jié)；而離心式BOG壓縮機為了避免喘振現象的發(fā)生，其流量調節(jié)范圍受到一定的限制，一般情況下離心式BOG壓縮可以實現62%～100%進氣葉輪導片（IGV） 的自動連續(xù)調節(jié)。當離心式BOG壓縮機的工況小于流量調節(jié)的設計范圍時，壓縮機上的回流閥門會自動打開，進行回流操作，以適應調節(jié)范圍以外的各種工況條件。但在LNG接收站項目建成初期，BOG產生的量少，小于離心式壓縮機的流量調節(jié)范圍，雖可通過打回流的方式進行正常運轉，但能耗高，經濟性差。因此，從設備運行的角度出發(fā)，往復壓縮機的流量調節(jié)范圍廣，更具優(yōu)勢。

表2 5種工況條件下BOG的生成量

（3）從長周期穩(wěn)定運行的角度分析，由于往復式BOG壓縮機的工作原理導致往復壓縮機的可靠性較低，故障率較高，容易出現設備故障影響接收站的正常運轉。因此LNG接收站在設計和建設過程中，在選用往復式BOG壓縮機時，需對故障率進行綜合考慮，并采購設置備用機組，很大程度上增加了接收站的投資成本，且往復壓縮機的檢修周期短，一般每半年時間就需要檢修并更換配件。而離心式BOG壓縮機工作運行穩(wěn)定，一般可以連續(xù)工作5年以上，且有先進的儀表系統(tǒng)對壓縮機進行保護，其可靠性高。因而，在運行穩(wěn)定性方面離心壓縮機更有優(yōu)勢。

（4）從調速運行的角度分析，往復式BOG壓縮機一般無轉速調節(jié)，若需要對轉速進行調節(jié)多通過余隙調節(jié)或回流的方式進行調速，而離心式BOG壓縮機配備有專門的變頻調速系統(tǒng)，采用變頻電機進行調速，但變頻調速系統(tǒng)的增加也會導致離心式壓縮機整體成本的增加。

（5）從生產運維和配件費用的角度出發(fā)，往復式BOG壓縮機和離心式BOG壓縮機兩者的費用相差甚大。據統(tǒng)計，往復壓縮機3年（24000 h） 產生的維保和配件費用在300～500萬/臺；而離心式壓縮機運行5年（40000 h），產生的維保和配件費用在30～50萬元/臺。其費用對比如表3所示。

（6）從噪聲和振動控制的角度進行對比分析，離心式BOG壓縮機的性能要優(yōu)于往復式BOG壓縮機，噪聲值和振動值對比如表4所示。

（7）從占地面積的角度出發(fā)對比分析，離心式BOG壓縮機占地面積遠小于往復式BOG壓縮機的占地面積。其占地面積對比數據如表5所示。

4 結語

在LNG接收站項目投產初期，只投用1、2座LNG儲罐的情況下，采用離心式BOG壓縮機會出現運行不經濟的情況；當投入3座或更多LNG儲罐后，隨著BOG量的增加，采用離心式壓縮機將具有諸多優(yōu)勢，為項目降低運維費用和提質增效帶來好處。同時，離心式壓縮機占地面積小，安裝費用低等特點有利于項目降低投資成本。

表3 往復壓縮機與離心壓縮機運維成本對比

表4 往復壓縮機與離心壓縮機噪聲與振動對比

表5 往復壓縮機與離心壓縮機占地面積對比

目前市場上，離心式BOG壓縮機可以提供10～30 t/h的各種機型配置或更大的機型配置，選擇范圍廣，且設備運行平穩(wěn)、噪聲低、振動小、檢修周期長；相反往復式BOG壓縮機一般最大處理量為12 t/h，且振動大、噪聲大、檢修周期短。建議用戶方根據項目市場容量、總體罐容情況，比選優(yōu)化BOG壓縮機的選型，若項目建設規(guī)模大，往復式BOG壓縮機和離心式BOG壓縮機的混合使用模式不失為一種最佳選擇。