乙烯液化气船再液化系统压缩机的选型

童正明，胡东亮，侯 鹏，贺军成

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

乙烯液化气船再液化系统压缩机的选型

童正明，胡东亮，侯 鹏，贺军成

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

乙烯的产量是衡量一个国家工业发展水平的一个重要标准，但乙烯的生产分布非常不均匀，乙烯供需地点也不尽相同，只依靠传统管道运送乙烯不能满足各地的需求，因此船舶运输成为运送乙烯的重要途径。由于运输船空间的限制以及运送成本的问题，采用乙烯液化气船时，为避免运输过程中产生乙烯蒸发气的浪费及排放造成的环境污染，要配备乙烯蒸发气再液化系统；压缩机成为再液化系统的重要组成部分，其配置选型尤为重要。根据各种压缩机的特点和对压缩机的压缩级数、各级压力、各级排气温度、气缸直径、活塞直径及气缸行程容积进行严格、精确热力计算所得到的结果以及乙烯液化气船的实际情况，对乙烯液化气船再液化系统压缩机进行精确的配置选型，以达到简单、高效、节能的目的。

乙烯液化气船；再液化系统；压缩机；热力计算；配置选型

0 引 言

乙烯工业作为石油化工业的龙头，一直是衡量一个国家和地区工业化发展水平的标志。随着全球工业化的发展，乙烯的全球交易已经非常成熟。乙烯产量和供需的不均匀分布导致船舶运输成为乙烯运送的主要方式之一。考虑到乙烯气体体积过于庞大，运送不切合实际，且不符合经济预算，采用乙烯液化气船运送液态乙烯。但是，乙烯液化气船的乙烯蒸发气（Boil Off Gas，BOG）历来都是既浪费又污染环境，必须采用乙烯液化气船再液化系统对其进行处理。再液化系统需要用到很多设备，主要介绍乙烯液化气船再液化系统压缩机的配置选型。

1 压缩机分类及选用原则

1.1 压缩机分类

压缩机被广泛地应用于各大工业领域，在制冷和空调领域，压缩机是核心设备。本文所述的BOG液化系统中的核心设备就是压缩机。按压缩气体原理的压缩机分类见图1。

从对压缩机的体型要求、工作特点和实际应用经验来看，选择活塞式压缩机比较合适。活塞式压缩机是容积式压缩机中常见的一种类型，它的工作原理是利用气缸内活塞的往复运动来压缩气体。该类压缩机适用于中小气量、高压和超高压的情况。

图1 按压缩气体原理的压缩机分类

活塞式压缩机分立式压缩机和卧式压缩机两种。立式活塞式压缩机的主要优点在于其机身直立，节省占地面积。另外，由于机身的零部件不承受自重导致的弯曲应力，所以它在设计时可减薄壁厚；因此，机身相对卧式活塞式压缩机来说更加轻便，尤其在超低温气体等领域，立式活塞式压缩机具有明显的优势。但是，立式压缩机也有其缺点，如高度较大，不方便维修。卧式活塞式压缩机的优点在于其平铺式的结构方便维修，管道在铺设时也较方便。缺点是占地面积大。乙烯液化气船虽然比较大，但是船上的空间终究有限，因此立式活塞式压缩机更适合应用于该类船舶。

1.2 压缩机选用原则

活塞式压缩机在选型时，对结构、震动、噪声、寿命、工作压力、润滑、仪表、出口温度、功率、机身刚度及换热管束等的选择方面都有基本原则［1-3］。但这些基本原则仅是最常遇到的情况下的一些要求，对压缩机的选型还应根据特定的环境来决定。在选用立式活塞式压缩机时，不仅要考虑一些常规的要求，还须要考虑热力性能计算。

2 压缩机热力性能计算

热力性能计算的目的是为选取压缩机时提供具体的参数和数据支持，具体需要计算的参数和数据要求为：① 级数的选择和各级压力比的分配；② 各级排气温度的确定；③ 排气量及相关系数的确定；④ 气缸直径、活塞杆直径的计算；⑤ 气缸行程容积的计算等。

2.1 级数选择和各级压力比分配

2.1.1 压缩机级数

压缩机级数的选择原则是节能高效、节省功率、结构简单等。不同工业领域对压缩机的级数有不同的要求［4］。

在一些大型工业，比如石油、石化等，它们的要求首先是设备运行的连续性、可靠性，而且由于化工类产品对温度有限制，不能有过高的排气温度，因此级数要求为2～4级；对于一些生产规模小、厂房要求有限制的企业，压缩机在选取时要小巧轻便，所以级数较低。在选取级数时，首先考虑的参数是压缩机的终压，然后再结合工业生产实际情况。根据经验统计出级数与终压的选取关系见表1。

表1 级数选取与终压的关系

根据再液化系统已知的一些参数、再液化系统各过程的物性要求和船厂提供的数据，经计算和整理，得到相关数据见表2。

表2 乙烯再液化循环系统已知参数及压缩机部分参数

在BOG与压缩机之间有一个回热器，用以增加BOG温度，回热器热出口温度-90℃即为压缩机进口温度。

由表2可知，压缩机出口压力为1.0MPa，压力范围为0.6～3.0MPa，故建议选取级数为2。

2.1.2 压缩机压力比分配

在压缩机级数确定后，要确定各级压比的分配。进行压力比的分配是为了最大地节省功。经计算，两级压力比相等时最省功，即

式（1）中：1p，2p，xp为分别为进气压力、排气压力及中间压力。

但在实际情况下，压力比分配并不相等，要考虑很多实际情况，比如压力损失、余隙影响等。因此，在进行压力比分配时，要参照压力比分配公式。压力比分配修正公式为

式（2）和式（3）中：ε为总压力比，且21/p p ε= ；z为级数。

由表2可知，进出口压力 p1和 p2分别为 0.1MPa及 10MPa，所以 ε= 10。根据式（2）和式（3）可知：ε1= 3.318；ε2= 3.002。根据进气压力、出气压力和压力比的分配，可得压缩机的两级分配情况（见表3）。

表3 压缩机两级名义进、排气压力分配情况

2.2 各级排气温度

按照理想状态，绝热情况下，各级排气温度可用式（4）计算。

式（4）中：1T为进气温度；2T为排气温度；ε为压力比；k为绝热指数。

绝热指数是一种与气体种类、温度及压力都有关系的理想气体可逆绝热过程的指数，一般情况下，单原子气体的绝热指数 k= 1.66，双原子气体的绝热指数 k= 1.41，多原子气体的绝热指数 k= 1.29。再液化系统BOG循环中的介质为乙烯，化学式为 C2H4，属于多原子气体，故绝热指数k近似取值1.29。由上文可知，压力比 ε= 10。各压力比 ε1和 ε2分别近似为3.3。由此，可计算出各级排气温度，具体见表4。

表4 各级名义排气温度

2.3 各级排气系数

由于压缩机工作压力不高，故可按理想气体处理。

2.3.1 排气系数λ

排气系数λ的计算式为

式（5）中：Vλ为容积系数；Pλ为压力系数；Tλ为温度系数；1λ为泄漏系数。

2.3.2 容积系数Vλ

容积系数Vλ的计算式为

式（6）中：α为余隙容积；m为膨胀系数。

余隙容积α的取值参考为：低压级0.07～0.12，中压级0.09～0.14，高压级0.11～0.16。膨胀系数m的取值与绝热系数k有关［5］，参考关系见表5。

根据表5可得Ⅰ级和Ⅱ级膨胀系数分别为 mI= 1.15， mII= 1.22。于是各级容积系数为： λVI= 0.847；λVΙI= 0.856。

表5 膨胀系数m与绝热系数k的关系

2.3.3 压力系数 λP

该压缩机工作压力不大，故根据经验，压力系数选取： λPI= 0.97， λPII= 0.98。

2.3.4 温度系数 λT

由于进、排气量及压力比不大，根据压力比与温度系数的关系确定温度系数为： λTI= λTII= 0.96。

2.3.5 泄漏系数 λ1

根据相关资料和数据查表［6］，结合实际工业生产要求，可得出泄漏系数 λ1（见表6）。

表6 泄漏系数计算

综合以上关于各级容积系数、压力系数、温度系数和泄漏系数等参数的计算结果，代入式（5）得表7所示的结果。

表7 各级排气系数计算结果

2.4 气缸行程容积

气缸行程容积公式［7-9］为

式（7）和式（8）中： μφ为凝析系数； μ0为加气系数；λ为排气系数； Vd为排气量；n为电机转速。

凝析系数 μφI取1， μφII取0.98；没有级间抽气的步骤，所以 μ0 I= μ0 II= 1；由表7可知，λI=0.768，λII=0.783；压缩机电机转速根据经验选取 n= 450r/min 。

由船舶公司提供的数据知，排气量 Vd= 9.48m3/min，故将以上数据代入式（7）和式（8）可得：VhI= 0.028 47m3； VhI I= 0.00912m3。

2.5 活塞杆直径和气缸直径

2.5.1 活塞杆直径

活塞杆直径是确定压缩机的重要参数，其大小是由最大气体力来确定。最大气体力和活塞面积是相关的，活塞面积公式［10］为

式（9）中： Vhk为气缸行程容积；k取I或者II；S为活塞行程；Z为同一级的气缸数。

Vhk在上一节中已经求得；根据船舶公司提供数据得 S= 200mm， Z=1。将以上数据代入式（9）得：FI= 1428cm2； FII= 456cm2。

根据活塞面积的大小及两侧压差，可以估算出该压缩机的最大气体力约为1.6×104N［11］。当最大气体力约为1.6×104N时，通过查表8可选活塞杆直径 d= 35mm。

表8 活塞式压缩机活塞力与主要结构参数

2.5.2 气缸直径

气缸是活塞式压缩机的核心构成部分，活塞杆在其中运动［12］。一般气缸直径的计算式为

式（10）中： Vhk为气缸行程容积；k取I或者II；S为活塞行程；Z为同一级的气缸数；d为活塞杆直径。

将已知数据代入式（10），得： DI= 0.302 m ； DII= 0.172 m 。根据计算数据，经过查表可得气缸公称直径为： DI=300mm； DII=300mm。

2.6 热力计算结果汇总

1） 压缩机级数：2级。

2） 压缩机压力及压力比见表9。

表9 压缩机压力及压力比

3） 各级排气温度：I级排气温度24.3℃，II级排气温度53.7℃。

4） 各级排气系数：I级排气系数λI=0.768，II级排气系数λII=0.783。

5） 气缸行程容积： VhI=0.02847m3， VhII=0.00912m3。

6） 排气量： Vd= 9.84m3/min。

7） 电机转速： n= 450 r/min 。

8） 活塞行程： S= 200 mm 。

9） 活塞杆直径： d= 35 mm 。

10） 气缸直径： DI= 300 mm， DII= 300 mm 。

根据以上热力计算数据，结合工程中实际情况、现场要求及船舶条件等情况，便可在现有压缩机型号和品牌中选取合适的压缩机。

3 结 语

对乙烯液化气船再液化系统的BOG循环中的压缩机进行了热力学计算，得出了相应的热力学数据：压缩机级数、压力分配、排气温度、排气系数、气缸行程容积、活塞杆直径及气缸直径等。根据这些数据，结合实际情况，可以在现有的压缩机型号中配型。同时，也为乙烯液化气船其他设备的选型提供了示范。

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Compressor Selection for the Re-liquefaction System of Liquefied Ethylene Gas Carrier

TONG Zheng-ming， HU Dong-liang， HOU Peng， HE Jun-cheng

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Ethylene production is an important criterion to measure the industrial level of a country but ethylene production locations are normally scattered unevenly and the supply and demand are not in the same place. As transportation of ethylene by traditional pipelines cannot meet the demands in every place， waterway has become one of the major ways for ethylene transportation and liquefied ethylene gas carrier is used because there are space limitations and cost requirements for the vessels to carry ethylene. Liquefied ethylene gas carrier should be equipped with re-liquefaction system to avoid the waste and the environmental pollution caused by evaporated ethylene gas. Compressor is a vital part of the system and its selection is very important. To attain the aim of a simple， efficient and energy-saving device， the compressor for the re-liquefaction system of ethylene gas carrier should be selected on the basis of the characteristics of the compressors and the results of accurate thermodynamic calculation for compressed stages，compressed pressures， exhaust temperatures， cylinder diameter， piston diameters， cylinder stroke volume as well as the actual situations onboard ethylene gas carrier.

ethylene gas carriers； re-liquefaction system； compressor； thermodynamic calculation； type selection

U664.5+1

A

2095-4069 （2016） 04-0027-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.007

2015-08-04

童正明，男，上海理工大学化工过程机械研究所副所长，教授，1955年生。主要从事换热器研发、换热器性能测试、过程装备系统集成、反应器动力学方面的研究工作。