BOG压缩机的选型优化探讨

李 宁

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

随着我国国民经济的快速发展和绿色低碳能源的快速转型，天然气及乙烯的需求量快速增长，与之相适应，LNG(Liquid Natural Gas)、乙烷、LPG(Liquefied Petroleum Gas)和乙烯等低温储罐无论从规模上还是数量上都有着长足的发展。

BOG压缩机作为低温罐区中的关键设备，其作用是保证BOG总管和低温储罐压力稳定。压缩机的合理选型及多方面优化可以显著降低成本，有效提高运行周期。

1 BOG来源及BOG压缩机的发展趋势

1.1 BOG来源

BOG(Boil Off Gas)也就是闪蒸气，是在临界温度、压力下，由于温度、压力等条件的波动而产生的气体。

压力的变化主要与装卸车、装卸船的操作工况以及BOG压缩机的操作流量有关，通常BOG总管的压力控制在5～20 kPa(表)，压力越高蒸发量越小。温度条件的影响主要来自2大部分：一是自然吸热，包括储罐、管道和设备等从环境中吸热；二是转动设备的发热，包括罐内泵、外输泵等设备运转产生的热量。

1.2 BOG压缩机的发展趋势

随着低温罐区装置规模的扩大和低温管道的增加，低温罐区BOG的量也从最初的8～12 t/h增加到16～24 t/h，部分装置装卸船工况产生的BOG甚至已经超过30 t/h。其中LNG 工厂BOG量随着装置的扩能增长更为明显，国内大型LNG接收站最大BOG量甚至已经达到40～50 t/h。为了节省一次性投资并尽量减小占地，BOG压缩机大型化的趋势已经非常明显。

2 BOG压缩机的选择

2.1 常温和低温BOG压缩机

BOG经过压缩机增压后通常进入下游装置或者返回低温储罐。

在BOG进入压缩机前，如果装置中有冷能回收装置与BOG进行换热，且压缩机进气温度足够高，是可以按照常温压缩机进行设计的。常温设计的压缩机的优点是一次性投资较低，技术更为成熟。

但是，仅仅为了降低压缩机的设计难度而采用加热器得到常温BOG的方法是不可取的。原因是BOG的压力很低，BOG换热器的投资和运营费用比较高，而且，BOG的流量波动太大，工艺调节很困难，且换热后BOG压缩机需要做更多的功来调节，从优化设计的角度看，这种方式是不可取的，故而采用这种常温压缩机的情况只占很少一部分。

综合以上原因，对低温BOG压缩机进行开发和应用更符合项目预期。市场决定了低温BOG压缩机成为行业的主流趋势。目前绝大多数的LNG接收站和低温罐区都采用低温BOG压缩机。

2.2 低温BOG压缩机的种类

BOG压缩机的入口压力通常在5～20 kPa(表)，出口压力根据工艺的需要变化较大，通常在800～1 800 kPa(表)。结合BOG的流量来看，压缩机有3种型式可以选择，分别是离心式、螺杆式和往复式。

离心式压缩机的结构可靠性高，能满足大流量操作要求，气量调节有变转速和返回线控制2种方式，可以实现气量连续调节。不过机组一次性投资成本较高，气量调节范围相对较小，在国内尚没有较为成熟的应用案例。

螺杆式压缩机的可靠性相对较高，操作流量与往复式压缩机相当，气量调节主要有变转速和返回线控制2种方式，可以实现气量连续调节。不过由于干式结构和低温问题，设计加工难度较大，目前只有极少数国外制造厂商具备该技术，且投产业绩很少、一次性投资和后续运行成本偏高，推广难度较大。

往复式压缩机虽然可靠性相对低一些，但是机组配置相对灵活，操作也更为简单，一次性投资也较低，成为了BOG压缩机的首选型式。

3 往复式BOG压缩机

3.1 往复式压缩机的分类和比较

应用在低温BOG压缩上的往复式压缩机主要有2种结构：卧式对置平衡型压缩机和立式迷宫式压缩机。2种结构各有优缺点，表1为其优缺点对比。

表1 卧式对置平衡型压缩机和立式迷宫式压缩机对比

3.2 机组能力分析

从表1的对比情况看，卧式平衡型机组的转速和线速度都比较低，对置结构有利于活塞力的平衡，更适合应用于重载工况，可以有效保证机组的平稳性和可靠性。

迷宫式压缩机由于其结构的特殊性，没有活塞环和支撑环，因此可以达到更高的线速度、转速和出口温度，机组的启停对压缩机的可靠性影响相对较小，但是理论上活塞力较高时机组的可靠性和稳定性会相应降低。

从目前了解的LNG项目的业绩情况看，在5 kPa(表)入口压力下，卧式压缩机组的能力约16 t/h，而迷宫压缩机组能力约10 t/h。

因此，大流量机组选择卧式压缩机更为可靠。

3.3 磨损碎屑的影响

卧式压缩机较迷宫式压缩机比较明显的一个缺点是有活塞环和支撑环的磨损碎屑。通常磨损碎屑本身对介质是没有影响的，大部分磨损碎屑会随着气流附着在缓冲罐和管路上，很少的一部分会随着气体进入下游装置。由于其含量微乎其微，故对工艺流程的影响基本是可以忽略不计的。

需要特别指出的是，有部分化工产品对这些磨损碎屑比较敏感，如乙烯BOG，这个时候应首选迷宫式压缩机。多方探讨分析认为，气体经过压缩机压缩后，压力、温度都比较高，如果活塞环和支撑环的材质中含有一些特殊添加成分，碎屑可能会作为催化剂，引起化学反应。因此，如果是卧式压缩机，除了要控制活塞环、支撑环和阀片的材质，还要严格控制压缩机的出口温度(如果出口温度过高，应考虑增加压缩级数，以确保安全和可靠性)。而对迷宫式压缩机而言，因其没有支撑环和活塞环，只要选好阀片的材质便可以保证机组的可靠使用。

3.4 一级气缸的单级压比分析

BOG压缩机第一级的压比尤为重要，需要综合考虑出口温度、气缸的容积效率和缸径这3个影响因素。

首先，出口温度不宜过高，应尽量控制在40 ℃以下，避免进出口温差过大导致气缸变形；同时还要考虑BOG的露点温度，应保证足够的温差，避免出现液化现象。

其次，不能选择容积效率过低的气缸，API 618中明确指出，气缸的容积效率小于40%时，其性能预测往往不可靠【1】。通常而言，BOG压缩机入口体积流量较大，过大的压比会直接影响和降低气缸的容积效率。为保证可靠的性能，避免吸入气量不足，容积效率应控制在45%以上，且应适当保留设计裕量。

最后是气缸缸径的影响。流量大会导致气缸缸径过大。过大的缸径和特殊的低温材质会造成气缸铸件成形时的成功率降低，增加了潜在的制造风险。对卧式压缩机来说，缸径过大会增大往复件质量，使偏磨更为明显，从而降低活塞环和支撑环的使用寿命。而迷宫式压缩机如缸径过大，不平衡力则更为突出，机组稳定性会明显降低。根据多年的使用经验，低温BOG压缩机缸径不宜超过φ850 mm，如果缸径超过该值，增加一级气缸数量是比较好的选择。

3.5 气缸水套

由于低温介质的特殊性，低温气缸通常没有合适的气缸冷却液体，因此低温气缸选型时应优先采用无水套结构。如因铸件模具问题无法取消水套，应考虑设置氮气吹扫，避免水套内结冰。

3.6 缓冲罐

低温气缸的缓冲罐应考虑优先选择独立的缓冲罐，避免共用。很多时候缓冲罐在常温下安装对中后，低温下工作时可能会再次出现不对中。部分焊接位置可能出现应力集中情况，伴随着压缩机的振动，开裂的风险会大幅上升。

3.7 中体接筒

通常中体接筒的选材不耐低温，设计温度只有-20 ℃，一旦低温传导至中体，可能会导致其出现脆性破坏，因此机身和中体的低温隔绝就显得非常重要。制造厂商应该提供稳妥的设计方案防止低温传导，同时应考虑适当提高接筒部件材质的耐低温性能。

3.8 低温冲击试验

为保证材料的可靠性，低温接触部件的材料应根据ASTM相关标准的要求进行夏比冲击试验。如果降低试验要求很可能会出现无法预计的后果。

3.9 低温螺栓和预紧力

低温螺栓应优先采用经应变硬化处理的螺栓，避免低温下变形。同时制造厂商应对常温时的预紧力设定值进行计算，尽量避免机组投用后再做低温冷紧操作。

4 往复式BOG压缩机的气量调节和开车流程

4.1 气量调节

目前低温往复式BOG压缩机尚没有成功使用无级气量调节的经验，主要的流量调节方式为返回线控制和卸荷控制。

返回线控制的优点是可以连续调节气量，能有效保证BOG总管的压力平稳；缺点是能耗高，同时需要设置调节阀和旁路冷却器(入口冷却器)，且一次性投资高。

卸荷控制的优点是节能可靠并且操作简单，不过缺点也很明显，即不带余隙缸的情况下只能实现0-50%-75%-100%流量操作，且流量调节不具备连续性。在稳定BOG总管的压力过程中，如果不停地切换卸荷器，可能会增加机组故障的概率。除此之外，卸荷操作时，个别活塞杆的反向角会减小，而如果反向角过小、使得轴瓦润滑不充分，可能会出现异常停机的情况。因此，选型时应对各卸荷工况分别进行计算和确认，以确保所有工况都在可接受的反向角使用范围内。若出现反向角过低且无法调整的情况，应尽量避开该卸荷工况进行操作。

4.2 开车流程

开车流程是优化BOG压缩机选型的重要环节。由于流程不同，开车方案也是多种多样。但是不管哪种开车流程，过流部件都需要考虑降温速率对材料的影响，因此常规低温BOG压缩机开车过程都比较长。比较常规的开车步骤如下：

1) 压缩机及管道的氮气置换，通常与低温储罐、管道和压缩机前后的设备一同进行置换。

2) 管道的工艺介质置换和预冷时，通常在低温储罐完成工艺介质置换和初步冷却后进行，且需要冷却到压缩机入口分液罐前。该过程主要是为了避免压缩机在超过入口温度要求使用时出现出口温度超过设定值的情况。

3) 压缩机预冷和压缩机后设备的工艺介质置换。进行该步骤的前提是管道已经基本冷却到压缩机机组可以运行的入口温度，如LNG冷却到-120 ℃左右、乙烯冷却到-40 ℃左右。此时压缩机无负载启动，在0负荷工况下运行一段时间，完成预冷。

4) 建立背压，完成压缩机正常加载。

5) 由于压缩机加载前阶段的冷却时间较长，部分装置开工时会采用液氮进行冷却。在满足压缩机入口温度的加载要求时，使用工艺介质置换的方案对压缩机开车影响不大。

以上的开车流程步骤中， 2)和3)阶段耗时较长， 介质排放至火炬的量大。如果没有采用步骤5)的置换方法，BOG压缩机的开车成本将相对较高。

4.3 返回线和冷却器

从以上过程可以发现，开车过程没有用到压缩机的返回线和入口冷却器。实际上，BOG压缩机正常操作时返回线和入口冷却器也很少投用，基本靠负荷调节来控制。

基于以上原因，在选型时应综合考虑开停车、试车、正常操作等工况，与工艺和压缩机厂商探讨，以确定是否可以取消BOG压缩机旁路冷却器和返回线的设置。

5 往复式BOG压缩机的国内外制造情况

目前往复式BOG压缩机技术比较成熟的厂家主要有IHI(石川岛播磨/卧式)、Burckhardt(布克哈德/迷宫式)、KOBE STEEL(神钢/卧式)和DRESSER-RAND(德莱塞兰/卧式)。JSW(日钢/迷宫式)也有涉猎，但是近年业绩很少。国内虽然起步比较晚，但是也已经具备一定的低温BOG压缩设计、制造和试验能力，沈阳远大压缩机有限公司(迷宫式)和浙江强盛压缩机制造有限公司(卧式)已经分别在迷宫式压缩机和卧式压缩机的国产化应用上取得了一定的成绩。

6 结语

随着低温装置规模的扩大，往复式压缩机将逐渐成为低温BOG压缩机的首选，大型重载的卧式BOG压缩机将进一步崭露头角，而迷宫式压缩机因其特殊的结构型式，在一定流量范围内也是一种不可或缺的选择。优化BOG压缩机的选型方案，可以有效地降低投资和运行成本，同时还可以确保机组更加可靠稳定地开车及运转。随着选型优化的深入，国产化机组的可靠性也将会更上一个台阶，并进一步为国内低温BOG行业的稳定可靠发展提供重要支撑和有力保证。