LNG接收站BOG压缩机处理能力计算及选型研究

2011-11-07俊张昌维中海浙江宁波液化天然气有限公司宁波315800傅中国成达工程有限公司成都610041

化工设计 2011年1期

吕俊张昌维中海浙江宁波液化天然气有限公司宁波 315800傅皓中国成达工程有限公司成都 610041

吕俊＊张昌维中海浙江宁波液化天然气有限公司宁波 315800傅皓中国成达工程有限公司成都 610041

LNG接收站的功能是接收、储存和气化LNG,并通过管网向下游用户供气。由于在卸船时 LNG进入储罐导致罐内LNG体积变化,以及环境温度、大气压变化、罐内泵电机运转等外界能量的输入,会产生大量的蒸发气 (BOG)。为了维持储罐压力的稳定,必须处理掉过量的BOG。BOG压缩机作为 BOG处理的核心设备,在LNG储运中起到重要作用。本文以某LNG项目为例,探讨BOG压缩机处理能力的计算方法以及选型。

LNG BOG压缩机能力计算选型

LNG(Liquefied Natural Gas)是液化天然气的简称,它充分利用了天然气在常压和 -162℃下液化后,体积可缩小到气态时 1/600这一性质,为天然气高效输送提供了新的途径,也扩大了天然气的应用领域[1]。

LNG接收站的主要功能是接收、储存和气化LNG,并通过管网向下游用户供气。部分 LNG接收站还设置 LNG槽车装车站,向用户直接提供LNG。由于在卸船时 LNG进入储罐导致罐内 LNG体积变化,以及环境温度、大气压变化、罐内泵电机运转等外界能量的输入,会产生大量的蒸发气 (BOG)。为了维持储罐压力的稳定,必须处理掉过量的 BOG。目前处理 BOG的工艺一般用直接压缩外输或再冷凝工艺。由于前者能耗高,不适合大型LNG接收站[2],因此,本文讨论再冷凝工艺下BOG压缩机处理能力的计算及选型。

1 BO G压缩机处理能力计算

BOG压缩机处理能力计算一般是基于以下两点:

(1)接收站产生的 BOG全部被处理,没有多余BOG需要通过火炬排放。

(2)BOG采用再冷凝工艺,经冷凝后再气化[3]。

现在就以某LNG项目为例,计算 BOG压缩机的处理能力。

1.1 LNG储罐漏热引起的BO G增加量

由于从外界吸热而导致储罐内 LNG蒸发形成的 BOG一般为 0.05% (质量)[4],某 LNG设计LNG组分密度为 456kg/m3,LNG气化潜热为522kJ/kg,BOG气体密度 1.7kg/m3(20kPa, -130℃)。那么,某 LNG一期三台 160000m3LNG储罐,计算增加量得:

1.2 LNG管道漏热引起的BO G增加量

由于外界气温大大高于管道内LNG,因此接收站内的大尺寸管线内产生的 BOG不应忽略。经计算,某LNG低温管道面积约为 9201m2,在保冷层采用厚度为 150mmPUR情况下,最大漏热系数约为25W/m2,那么经计算增加量得:

1.3 LNG罐内低压泵及高压泵运转引起的BO G

接收站设计最恶劣工况应在仅有一台 LNG罐内低压泵运行,并且全部流量用于保冷循环,循环后回罐。由于罐内低压泵为电机浸没在 LNG内,因此低压泵电机轴功率应视为全部转换为热能。LNG罐内低压泵流量为 433m3/h,泵效率为 71%,扬程为 256m,那么转化的热能约为 193kW。

设计最恶劣工况应为仅有一台高压泵运行,额定流量 40%回罐。和低压泵类似,回罐流量所得到的轴功应视为全部转换为热能。LNG高压泵流量为 385m3/h,泵效率为 81%,扬程为 1806m,那么转化的热能约为 424kW。合计计算 Wb为2924kg/h。

1.4 LNG装槽车引起的 BO G增加量

LNG槽车在装车时,由于槽车和 LNG储罐的压力差,会引起部分 BOG从槽车回到 LNG储罐。LNG装车速率 420 m3/h,槽车操作压力为 0.7MPa(G),BOG气体密度约为 2.02kg/m3(25kPa(G), -160℃),计算 Wc1为 759kg/h。

由于装车,引起储罐液位下降,带来的 BOG减少量为:

Wc2=装车速率 ×BOG气体密度 =714 kg/h

综上得:

1.5 LNG卸船引起的BO G增加量

LNG运输船靠岸时,由于卸料会引起接收站BOG变化。LNG卸料速率:14000m3/h,引起LNG储罐BOG增加量:

Ws1=卸料速率 ×BOG气体密度 =23800 kg/h

由于 LNG运输船卸料后,需要 LNG储罐返回部分BOG以满足运输船仓压力平衡,LNG船自身BOG蒸发率为 0.15%(wt)。经计算该部分引起的BOG减少量:

因此,

1.6 LNG外输引起的BO G减少量

某LNG最小外输量为 380000Nm3/h,因此,

Ww=外输速率 ×BOG气体密度 =1058 kg/h

1.7 大气压变化引起的 BO G增加量

不考虑台风情况,因为一旦由于台风引起大气压剧烈变化而导致罐内 BOG大量增加,此时产生的BOG若不能处理,应直接放火炬。在通常情况下,极端大气压变化一般为 410Pa/h(根据当地气象数据),因此,

因此,BOG压缩机处理能力 W合计为23193kg/h。圆整后取 24t/h。再考虑到一定的富裕量,取 BOG压缩机能力为 27t/h,数量为 3台,每台9t/h。

2 BO G压缩机

2.1 特点

往复式压缩机是利用容积的改变使气体压缩,LNG接收站采用往复压缩机提高 BOG压力以满足工艺操作的要求,具有以下主要特点:

(1)进口温度低,可以承受 -165℃的低温。

(2)进出口压差大,需采用多级压缩实现较大的压缩比。

(3)采用无油润滑。

(4)较低的活塞速度:经验证明,由于较高的活塞速度对应较频繁的气阀开闭以及往复运动部件较大的惯性力,对活塞环及支撑环会造成较大的磨损,从经济性及安全性角度考虑,要求限制活塞平均速度。

2.2 选型

2.2.1 BOG压缩机型式

LNG接收站的 BOG压缩机一般采用低温无油往复式压缩机,目前市场上实际的 LNG工程运用中,一般有立式迷宫密封式和卧式对置平衡式两种。

(1)立式迷宫密封式压缩机剖面见图 1。

图1 立式迷宫密封式剖面图

立式迷宫密封式压缩机一般由三部分组成:①气缸压缩部分的密封形式为非接触式迷宫密封,无油润滑,无活塞环和支承环等易损件;②机身转动部分为全封闭无泄漏结构,曲轴上设计有机械气密密封,压缩介质不会泄入大气环境,并设置有保证活塞与气缸同轴度的活塞杆导向轴承;③中间隔离段部分能防止曲轴箱润滑油进入气体压缩部分,保证气体不被污染。由于采用了迷宫密封,活塞和气缸为非接触,因此工作表面没有磨损,可以选择较高的活塞速度。

(2)卧式对置平衡式压缩机见图 2。

图2 卧式对置平衡式压缩机

利用特殊材料的活塞环,如特氟龙活塞环实现密封和无油润滑。由于卧式机器自身的局限性,无法做到活塞支持环和活塞环与气缸的直接接触,因此,为了减少磨损,一般要在较低的转速下运行,但其动力平衡性能较好。

2.2.2 特点比较

两种 BOG压缩机特点比较见表 1。

表1 两种BO G压缩机特点比较

从表 1可以看出,卧式对置平衡式压缩机与立式迷宫密封式压缩机各有优缺点。卧式机在平衡性、维护难易度及重心方面具有优势,但立式机在可靠性及维护成本方面具备优势。

2.2.3 操作及运营成本比较

在BOG压缩机的选型上,除了要满足工艺参数 (进气/排气压力、进气/排气温度、处理量)外,还需要从一次性投资和以后的运营成本两个因素综合考虑。

目前,已经安装运行成功的压缩机一般由瑞士的布克哈德公司 (Burkhardt)、日本的石川岛播磨 (IH I)、日本神户制钢 (KSL)以及美国的德莱赛兰 (Dresserrand)公司制造[5]。根据以往项目经验 (福建 LNG,广东 LNG等),立式机的采购成本一般比卧式机高 10%～20% (视项目情况具体而定)。两种压缩机维护成本见表 2(设立式压缩机采购成本为 A)。

从表 2可以看出,虽然卧式对置平衡式压缩机比立式迷宫密封式压缩机一次性投资便宜,但综合 25年运行成本却高于立式迷宫密封式压缩机。

3 结语

(1)BOG压缩机处理能力的计算应综合考虑LNG储罐漏热、管道漏热、罐内低压泵及高压泵运转、装槽车、卸船、外输及大气压变化等 7个因素。经计算,BOG压缩机处理能力 W合计为23193kg/h。圆整后取 24t/h。再考虑到一定的富裕量,因此取该 LNG项目 BOG压缩机能力为 27t/h,采用 3台能力为 9t/h的压缩机。