大型LNG接收站BOG压缩机的选型方案研究

侯伟平

（中海油南山（山东） 天然气有限公司，山东烟台 264010）

1 引言

蒸发气（Boil-Off Gas，简称BOG） 是LNG的一种衍生物。LNG接收站BOG的产生主要与外部热量输入、大气压力变化、储罐初始充满率以及翻滚分层等诸多因素有关[1]。大量BOG的产生会导致LNG储罐内部温度升高，压力增大，将对LNG接收站的正常运营带来极大的安全隐患[2]。当BOG的流量远大于BOG压缩机或者再冷凝器的处理能力时，过量的BOG将直接排至火炬燃烧，会造成较大的经济损失。因此，合理的对BOG压缩机进行选型，对于保障LNG接收站的安全运行及提升接收站运营经济效益等方面至关重要。因此，本文主要围绕国内某在建大型LNG接收站项目BOG压缩机选型方案展开研究。

2 BOG压缩机简介

BOG压缩机作为LNG接收站的核心运转设备，是整个接收站所有设备中技术要求、质量要求、可靠性及维护管理要求最高的运转设备之一。BOG压缩机的主要作用是处理LNG储罐中产生的过量BOG蒸发气，维持LNG储罐内部的压力恒定。本文将针对国内某大型LNG接收站项目BOG压缩机的选型进行对比研究，通过研究分析确定适用于该接收站项目的BOG压缩机选型方案。

2.1 BOG压缩机的分类

根据工作原理的不同，LNG接收站BOG压缩机主要分为离心压缩机和往复压缩机2种类型；其中，往复式BOG压缩机根据结构形式的不同，又分为立式迷宫式BOG压缩机和卧式对置平衡式BOG压缩机[3]。其特点对比如表1所示。

2.2 BOG压缩机工作原理

（1）往复压缩机属于变容积型压缩机，其主要的工作原理是原动机通过挠性联轴器驱动电机转子直接带动压缩机的曲轴做旋转运动，通过十字头将连杆与活塞杆连接，连接后的连杆机构将曲轴的旋转运动通过十字头转化为活塞杆的往复运动，然后活塞杆将往复的推力不断作用于活塞头，使得活塞头在压缩机气缸内不断的进行往复运动，经过膨胀、吸气、压缩、排气4个冲程，实现对吸入压缩机气缸内气体的压缩，并将增压后的气体排出[4]。多级往复压缩机，通过将上一级压缩排出的气体吸入，在下一级压缩机构经上述气体压缩过程，实现气体的进一步压缩增压。

（2）离心压缩机属于速度型压缩机，其主要的工作原理是通过原动机带动压缩机轴上的各级叶轮做高速旋转运动，高速旋转的叶轮对轴向吸入压缩机内的气体做功，将气体沿着叶轮径向甩出，甩出气体到达流通面积逐渐增大的扩压器流道内，使得气体的流速逐渐下降，压力不断升高，压缩后的气体沿着轴向运动，进入下一级叶轮继续被压缩，直至压缩气体从压缩机排气口排出，整个压缩过程是一个机械能转化成为气体压力能的过程[5]。

2.3 BOG压缩机的市场应用

（1）目前已建成的国内LNG接收站项目所配置的低温BOG压缩机皆为往复压缩机，有立式迷宫式压缩机、卧式对置平衡式压缩机两种类型。其中立式迷宫式压缩机应用较多。

（2）离心式BOG压缩机在国内接收站暂无应用业绩，同时也无相关的生产制造业绩；但韩国某压缩机公司研制的离心式BOG压缩机在国外部分LNG接收站已有成功应用的业绩。2011年，韩国韩华压缩机公司的第一台低温离心式BOG压缩机研制成功，并代替之前的往复式BOG压缩机被安装应用于韩国KOGAS平泽LNG接收站；后续增购2台离心式BOG压缩机，目前KOGAS平泽LNG接收站的BOG蒸发气由3台离心压缩机与8台往复压缩机共同完成处理。2014年，韩国三陟LNG接收站（3座27万m3储罐） 的5台BOG压缩机全部采用离心式BOG压缩机，投用运行至今无明显故障出现。

表1 立式迷宫式压缩机与卧式对置平衡式压缩机的特点对比

3 低温BOG压缩机选型研究

3.1 LNG接收站BOG生成工况分析

国内某大型LNG接收站一期工程共建设6座22 m3LNG储罐，根据LNG接收站的工艺设计原则，BOG压缩机的单台处理能力的设计主要是通过计算接收站在正常运行情况下BOG最大的生成量来进行确定。该大型LNG接收站项目BOG生成量的计算主要通过以下5种工况条件来进行确定。在5种工况条件下BOG的生成量，如表2所示：

工况一：零外输+无卸料+有槽车+有小船；

工况二：零外输+有卸料+有槽车+无小船；

工况三：最大外输+无卸料+有槽车+无小船；

工况四：最小外输+无卸料+有槽车+有小船；

工况五：零外输+无卸料+无槽车+无小船。

由上表可知，在零外输+无卸料+有槽车+有小船的极端工况条件下BOG闪蒸汽的生成量最大，达到了34.04 t/h。

3.2 离心式压缩机和往复式压缩机对比分析

（1）从机械原理的角度分析，往复式BOG压缩机有曲柄机构、连杆机构、十字头以及活塞等诸多机械结构组成，且摩擦部件较多，易损件较多；而离心式BOG压缩机的结构设计为单轴设计，只有一个旋转轴，由轴上装配的不同级数的叶轮和对应的扩压器组成，该类型压缩机结构简单，易损件少。从机械原理角度分析得出，离心式压缩机要优于往复压缩机，运行维护成本更低。

（2）从运行范围的角度分析。往复式BOG压缩机运行过程中的流量调节的范围广，属于阶梯型的流量调节，可以实现从0、25%、50%、75%、100%的5级流量调节；而离心式BOG压缩机为了避免喘振现象的发生，其流量调节范围受到一定的限制，一般情况下离心式BOG压缩可以实现62%～100%进气叶轮导片（IGV） 的自动连续调节。当离心式BOG压缩机的工况小于流量调节的设计范围时，压缩机上的回流阀门会自动打开，进行回流操作，以适应调节范围以外的各种工况条件。但在LNG接收站项目建成初期，BOG产生的量少，小于离心式压缩机的流量调节范围，虽可通过打回流的方式进行正常运转，但能耗高，经济性差。因此，从设备运行的角度出发，往复压缩机的流量调节范围广，更具优势。

表2 5种工况条件下BOG的生成量

（3）从长周期稳定运行的角度分析，由于往复式BOG压缩机的工作原理导致往复压缩机的可靠性较低，故障率较高，容易出现设备故障影响接收站的正常运转。因此LNG接收站在设计和建设过程中，在选用往复式BOG压缩机时，需对故障率进行综合考虑，并采购设置备用机组，很大程度上增加了接收站的投资成本，且往复压缩机的检修周期短，一般每半年时间就需要检修并更换配件。而离心式BOG压缩机工作运行稳定，一般可以连续工作5年以上，且有先进的仪表系统对压缩机进行保护，其可靠性高。因而，在运行稳定性方面离心压缩机更有优势。

（4）从调速运行的角度分析，往复式BOG压缩机一般无转速调节，若需要对转速进行调节多通过余隙调节或回流的方式进行调速，而离心式BOG压缩机配备有专门的变频调速系统，采用变频电机进行调速，但变频调速系统的增加也会导致离心式压缩机整体成本的增加。

（5）从生产运维和配件费用的角度出发，往复式BOG压缩机和离心式BOG压缩机两者的费用相差甚大。据统计，往复压缩机3年（24000 h） 产生的维保和配件费用在300～500万/台；而离心式压缩机运行5年（40000 h），产生的维保和配件费用在30～50万元/台。其费用对比如表3所示。

（6）从噪声和振动控制的角度进行对比分析，离心式BOG压缩机的性能要优于往复式BOG压缩机，噪声值和振动值对比如表4所示。

（7）从占地面积的角度出发对比分析，离心式BOG压缩机占地面积远小于往复式BOG压缩机的占地面积。其占地面积对比数据如表5所示。

4 结语

在LNG接收站项目投产初期，只投用1、2座LNG储罐的情况下，采用离心式BOG压缩机会出现运行不经济的情况；当投入3座或更多LNG储罐后，随着BOG量的增加，采用离心式压缩机将具有诸多优势，为项目降低运维费用和提质增效带来好处。同时，离心式压缩机占地面积小，安装费用低等特点有利于项目降低投资成本。

表3 往复压缩机与离心压缩机运维成本对比

表4 往复压缩机与离心压缩机噪声与振动对比

表5 往复压缩机与离心压缩机占地面积对比

目前市场上，离心式BOG压缩机可以提供10～30 t/h的各种机型配置或更大的机型配置，选择范围广，且设备运行平稳、噪声低、振动小、检修周期长；相反往复式BOG压缩机一般最大处理量为12 t/h，且振动大、噪声大、检修周期短。建议用户方根据项目市场容量、总体罐容情况，比选优化BOG压缩机的选型，若项目建设规模大，往复式BOG压缩机和离心式BOG压缩机的混合使用模式不失为一种最佳选择。