BOG压缩机入口阻力增高的原因分析及改进措施

上海液化天然气有限责任公司 李世斌

0 前言

液化天然气(简称LNG)接收站是最近几年在国内开始兴建，以接收和储存船运的液化天然气，并将其升压、气化后输送到各门站和用户为目的的大型工业装置。目前国内已建成并投用的有三座LNG接收站，分别在广东大鹏、福建莆田、上海洋山港。在这三座 LNG接收站运行的过程中，均不同程度地出现了BOG压缩机入口阻力升高(具体表现为入口过滤器前后差压过高)导致压缩机吸入压力过低而不能持续运行的状况。本文以上海 LNG接收站为例，对BOG压缩机入口过滤器差压高的原因进行了分析并提出相应的改进措施。

1 工艺简介

1.1 接收站主工艺流程

LNG接收站一般具有三大功能——接船装卸LNG、储存LNG并回收产生的蒸发气(简称BOG)、气化外输。LNG接收站主工艺流程如图 1所示。LNG船上的输送泵将LNG从船上排出，通过卸料臂进入LNG卸载管线和LNG循环保冷线将LNG输送到岸上的LNG储罐中。

图1 LNG接收站主工艺流程

为维持LNG船舱的压力，通过气体返回线将岸上储罐的BOG流回船舱。在卸船过程中，LNG储罐的工作压力必须高于LNG运输船的工作压力，以便气体可以自然地从储罐流向船中。

LNG一般在-160 ℃、常压(大多在微正压15 kPa左右)的条件下储存在储罐，由于外部热量的渗入会产生一定量的BOG。这些BOG汇入BOG总管，然后经过BOG压缩机加压到0.8 MPa以上，再进入再冷凝器被LNG吸收变成液体。

储罐里的LNG通过罐内泵增压到1.4 MPa左右，分两路输送。一路进入再冷凝器顶部吸收经过压缩机加压的BOG，吸收BOG后的LNG从再冷凝器底部出来和另外一路LNG汇合，进入高压泵，再次加压到10 MPa后输送到汽化器，变成气体的天然气最后经过外输主管道送到各门站和终端用户。

1.2 BOG压缩机简介

LNG接收站BOG压缩机的主要作用是：回收LNG在储存的过程中产生的BOG气体，将其加压后送到再冷凝器转变为液态。上海液化天然气公司使用的BOG压缩机是由日本“IHI压缩机机械公司”生产的 23HD-2N-CM型二级四缸往复式压缩机，有四个容量控制级(25%、50%、75%和 100%)，每台容量为6 400 m3/h，第一期共配置2台。设计进气温度-137.6 ℃，进气压力0.108 MPa(绝压)，排气温度约34 ℃，排气压力1.03 MPa(绝压)。

1.2.1 BOG气体回收的主工艺流程

BOG气体回收的主工艺流程如图2所示。

图2 BOG气体回收主工艺流程示意

从罐顶来的BOG气体汇集到BOG总管，先经过入口缓冲罐(V-0301)，在进罐之前，还设有BOG减温器(E-0301)，如果BOG气体温度高于-100℃，则自动喷入LNG进行降温。低于-100℃的BOG气体经过压缩机入口过滤器(S-031101/S-031201)，过滤网 40目，然后经过压缩机的吸入管进入压缩机一级压缩，压缩后气体压力约0.34 MPa，再经过二级压缩，压力升到0.94 MPa，最后送到再冷凝器。

1.2.2 BOG压缩机对工艺气的参数要求

BOG压缩机对工艺气的参数要求见表1。

表1 BOG压缩机对工艺介质的参数要求

压缩机入口过滤器的压差不能高于 5 kPa，如果高于此数值，很容易导致压缩机的入口压力低而产生联锁停机。压缩机入口温度要求低于-100 ℃，如果高于此温度，有可能导致压缩后的气体温度高于设计温度而产生联锁停机。

2 现象及原因分析

2.1 现象

BOG压缩机通过抽出LNG储罐多余的BOG气体，使储罐保持恒定的压力(15kPa左右)，同时将BOG气体增压后送到再冷凝器变成液相，以提高产品的商品化率。目前，上海 LNG接收站建有三个16.5万m3的储罐，按设计每小时气化量为0.5 ‰，正常情况只需要开启一台BOG压缩机，在自动状态下负荷在 50%和 75%间变动。压缩机入口过滤器的压差随压缩机负荷的变动会有一定的波动，但一般在0~3 kPa，当压差大于4 kPa后，则会在短时间迅速上升，导致压缩机入口压力降低到2 kPa低报，甚至0.5 kPa连锁停机。上海液化天然气接收站自开始试运行以后，多次出现过因过滤器压差增高被迫停运蒸发气压缩机的状况，其中在2010年4月份，就总共出现6次，对生产造成重大的干扰。

2.2 原因初步分析

过滤器差压高说明过滤网有堵塞的现象，原因有两种：

(1)管道不干净，在运行的过程中，将管道中的杂质带入过滤器堵塞过滤网，从而导致前后压差高，介质的通过率低；

(2)BOG总管中一般是自然蒸发的甲烷气体，不会有液体或重组分进入。但是在特定条件下，如果有重组分被带入，介质的露点升高，当管道运行温度下容易在金属过滤网的表面形成液相膜，也可能导致前后压差高，介质的通过率低。

通过对上海LNG接收站历次发生的压缩机入口过滤器的差压高进行分析，发现在接卸船后出现该现象的概率非常高。出现该现象后，将该压缩机停运，静置一段时间后，再次开启时，压缩机入口过滤器的差压正常且可长时间运行。由此可以初步判断，压缩机入口过滤器出现差压高的原因不是由于固体垃圾导致过滤网得堵塞，极有可能是由于BOG管道中携带有较多的重组分在过滤网上凝聚成液膜，从而导致过滤网前后差压变大。

针对这种情况，我们对出现该现象的状况进行了模拟，并和正常状况下BOG总管的气体组分、各组分在常压下的饱和露点以及通过计算所得的不同百分比的混合气体的烃露点进行了分析对比。具体数据见表2。

表2 不同组成的烃类混合物的露点

正常情况下BOG压缩机入口温度：

-105~-125℃，压力：14~16 kPa；

在接卸船情况下BOG压缩机入口温度：

-125~-152℃，压力：14~16 kPa。

从表2可以看出：

(1)常压下乙烷和丙烷以及 C4等的露点均高于BOG总管的运行温度(-125~-125℃)；

(2)在模拟卸船的状况下，BOG气体的组分百分比发生了显著的变化，甲烷含量下降，乙烷和丙烷的含量显著上升；

(3)在模拟卸船的状况下，BOG混合气体的饱和露点也远高于BOG总管的运行温度。(烃类混合气体饱和露点的计算见2.3)

2.3 对烃类混合气体饱和露点的计算

对烃类混合气体露点计算一般借助计算机编程，采用逐步迭代算法或拟牛顿直接算法，求解混合气体露点(具体算法可参考《天然气工程》或《液化天然气技术》)。

计算结果如表2所示，在15 kPa的表压下，拥有LNG组分的气体饱和露点-80.82℃，BOG总管的气体饱和露点-161℃，模拟接卸LNG船的状况下BOG总管的气体饱和露点-89.85℃。

2.4 综合分析

从上面的分析可以看出，BOG气体组分中重组分的增加，导致混合气体的饱和露点升高，而BOG总管的运行温度(-105~-125℃)相对较低，这样被带入的重组分很容易在压缩机过滤网(40目)的表面凝结为液体，堵塞过滤网，降低工艺气体的通过率，增大了过滤器前后的压差，最终导致压缩机入口压力低。

导致BOG气体组分中重组分的增加的原因主要有两种：

(1)由于工艺的原因，直接将LNG排入BOG总管。例如在接卸LNG船的过程中，对卸料臂的预冷过程；对LNG管道和设备的排凝、排漏的过程等。

(2)储存中的LNG的过度气化。例如BOG压缩机对储罐压力的过度抽取；储罐发生闪蒸或类似闪蒸的操作；和BOG总管相连的排凝罐(压缩机前排凝罐、码头排凝罐等)存有大量的LNG自然气化等。

3 措施

下面是针对工艺和操作中易导致LNG或LNG所含的重组分进入BOG总管的几种情况所采取的措施。

(1)改变卸船时预冷卸料臂的方式。在最初设计的预冷卸料臂方案中，用船上的LNG对卸料臂进行预冷后直接排入BOG总管，这样低温的LNG大量进入了BOG总管。更新后的预冷方式是直接将卸料臂连接岸上的快开阀打开，这样冷却卸料臂的LNG气液混合物可以进入卸料总管。

(2)尽量减少启用 E-0301对压缩机的入口进行降温。由于BOG压缩机入口温度不能高于–100℃，当BOG 温度高于此温度时，E-0301自动喷入LNG进行降温，虽然有分液罐，但带入的重组分还是有可能直接在过滤网上形成液膜，这也是导致压缩机入口过滤器压差高的主要原因之一。

要减少启用 E-0301的次数，需要注意下面的情况：当发生事故或管线、设备维修的情况下进行排放时，要控制好速度，因为接收站的高压排放和低压排放都是进入BOG总管，快速、大量的高温或高压介质的排放很容易带高压缩机入口温度从而启用E-0301。

(3)在卸船时储罐压力不足，需要补气时，最好先停止运行压缩机，采用外送的高压天然气回补。但在补气结束后，应尽快开启压缩机，防止 BOG总管温度升高。其它补气的方式，如通过低压泵或高压泵打回流的方式，产生的气量有限，但因闪蒸的原因也可能将LNG中的重组分带入BOG总管。

(4)BOG压缩机增加级间冷却器。由于BOG压缩机是往复式两段压缩机，气体经压缩后，温度会有较大幅度的升高，如果增加级间冷却器，可以放宽压缩机入口温度的限制范围，改善压缩机的可操作性能。这也会减少压缩机入口因为温度高启用E-0301的概率，也减少了BOG总管带入中组分的可能。

(5)在正常操作运行中，和BOG总管相连的排凝罐(压缩机前排凝罐V-0302、码头排凝罐V-0101等)不要长时间存放大量的LNG液体，防止自然受热蒸发，重组分带入BOG总管。

采取以上5点措施后，上海液化天然气接收站BOG压缩机入口过滤器阻力高的现象已经大大减少，从2010年7月到2010年12月只出现了1次。

4 结论

BOG压缩机入口阻力高的最直接的原因是BOG总管中混合气体的组成发生了显著的改变，少量的重组分如乙烷、丙烷等进入BOG总管，当压缩机入口温度低到一定程度时，这些气态的重组分容易在过滤网上形成液膜，堵塞过滤网，过滤器前后压差变大，压缩机入口压力低，从而导致压缩机中断运行。

而要防止BOG压缩机入口过滤器压差出现高的现象，不仅要从工艺上采取措施，如改变卸船时预冷的方式，不让LNG直接进入BOG总管，还要在平时操作时，注意一些细节，如在事故或管线设备维修的情况下需要排放时，要控制好速度，快速、大量排放很容易带高压缩机入口温度。另外，上海LNG接收站所选用的BOG压缩机由于没有设置级间冷却器，所以一级入口温度必须要低于-100℃，如果增加级间冷却器，将很大程度提高操作的灵活性。