整体齿轮式压缩机在LNG接收站中的适用性分析

姜 良 张文国 李志权 邵 晨 范吉全

中国寰球工程有限公司北京分公司, 北京 100020

0 前言

近年来,我国对天然气的需求量日益增加,国家每年都在沿海及周边地区投入大量LNG接收站建设[1]。液化天然气(LNG,Liquefied Natural Gas)易闪蒸,在操作过程中不可避免地会产生大量的蒸发气(BOG,Boiling Off Gas),需要使用压缩机将其加压后回收利用,目前国内LNG接收站工程广泛采用往复式压缩机[2]。随着接收站规模越来越大,需要处理的BOG气量也越来越大,多台大型往复式压缩机组并联成为一种必然选择,但这种配置也在占地、维护、调节等方面暴露出一些缺陷,而且综合消耗水平也比较高。另外对一些新型接收站工程,如浮式LNG、FSRU等,压缩机组布置在船上等空间受限区域,占地的大小也在一定程度上限制了装置规模的增长。而在韩国、日本等一些国家的LNG接收站工程中已有部分开始使用整体齿轮式压缩机解决该问题。整体齿轮式压缩机(IGC，Integrally Geared Compressor)是一种多轴离心压缩机,转速高、做功能力强,非常适合用在气量比较大、压力不太高的领域。探索在我国LNG接收站工程中采用整体齿轮式压缩机作为BOG压缩机,具有较好的应用前景和经济意义。

1 LNG接收站工艺流程及特点

LNG接收站用于储存和外输LNG,根据外输方式可分为直接加压外输或再冷凝外输工艺,典型再冷凝外输工艺流程见图1。液相LNG首先通过卸船臂(卸船设施)从船上储罐输送至接收站储罐储存,需要外输时通过罐内泵输送至再冷凝器,再经高压外输泵加压后进入气化器气化外输;液相LNG进入储罐后会置换出储罐内原有的BOG,同时操作过程也会闪蒸出大量的BOG,这些BOG一部分经气相臂(卸船设施)返回船上储罐以维持压力平衡,另一部分由BOG压缩机增压后进入再冷凝器液化。直接加压外输工艺则是将再冷凝过程改为直接外输,其他与再冷凝工艺流程基本相似[3-5]。

图1 再冷凝外输工艺LNG接收站流程图Fig.1 Flowchart of LNG receiving terminal re-condensation process

LNG是一种极易挥发的液体,在日照、环境温度、大气压变化及装卸船/槽车、泵运行、液体翻滚等过程都会产生大量的BOG,其中影响最大的过程是环境吸热和卸船工况,呈现出季节性和周期性变化规律。装置中的BOG除去用于全厂压力平衡的部分,其余大部分都通过压缩机处理[4],因此接收站工程中的BOG压缩机通常会有多个气量差别较大的工况,而且每个工况气量也会小幅度变化。大型LNG储罐一般采用常压设计,罐内闪蒸BOG通过总管进入压缩机,压缩机入口压力通常比较稳定;再冷凝工艺压缩机出口压力应与冷凝压力匹配,而直接加压外输工艺则根据不同的管网需求确定,不管采用哪种工艺,都希望压缩机出口压力稳定,以保持整个系统的稳定运行。部分接收站工程BOG压缩机工艺参数见表1。由表1可以看出BOG压缩机处理能力和压力等级,也可以粗略看出接收站规模越大,压缩机需要处理的BOG气量也越大。

表1 部分接收站工程BOG压缩机工艺参数表Tab.1 Process parameters of BOG compressor in some receiving terminals

储罐内直接蒸发的BOG温度约-160 ℃,在输送过程中BOG会因管道吸热而逐渐升温,特别是在长期停转的备用压缩机管线内,甚至会升高至接近环境温度;而装船工况时BOG温度则会在-60～-40 ℃左右。可见LNG接收站中BOG压缩机入口温度范围很宽。

综上所述,LNG接收站工程中BOG压缩机主要有如下操作特点:极低温度下运行;存在多个气量工况点,每个工况点下气量也小幅度波动;入口压力稳定,但入口温度变化大;要求出口压力稳定。

2 整体齿轮式压缩机结构及原理

整体齿轮式压缩机又称多轴离心压缩机,最早于1948年由德马格公司设计而成,用于解决汽车行业空气供给问题。自问世以来,整体齿轮式压缩机凭借其占地小、效率高以及调节范围宽的优点得到了迅速推广[6]。整体齿轮式压缩机主要由大齿轮、小齿轮、高速轴、低速轴、叶轮和蜗壳等部件组成,典型结构见图2。驱动机通过低速轴驱动大齿轮转动,再由大齿轮带动小齿轮转动,小齿轮轴获得极高的转速,叶轮布置在小齿轮轴两侧。工作时旋转的叶轮将工艺气体吸入,气体在离心力的作用下获得动能,然后扩压器进一步将动能转变为压力能,最后经蜗壳收集后排出[7-8]。

a)内部结构图a)Internal structure drawing

整体齿轮式压缩机小齿轮与高速轴一体锻造成型,大齿轮则与低速轴过盈配合,叶轮布置在高速轴两侧,通过大小齿轮啮合获得极高转速,每一个叶轮就是一级。因为空间和效率的原因,目前大多数厂家最多设计四根高速轴和八个叶轮,即八级压缩。相比于单轴多级离心压缩机,这种设计每根高速轴都独立布置,可以根据叶轮性能设计不同转速;而且两个叶轮反向布置在高速轴两侧,可以消除大部分不平衡力,整体平衡性较好,因此机组性能更好。国内外许多制造厂、研究人员也对进一步提高机组使用性能展开了大量研究工作[9-12]。

整体齿轮式压缩机的缺点是结构相对比较复杂、技术难度高,特别是多齿轮—多转子—多轴承的复杂耦合轴系系统,导致机组动力学特性复杂、制造和设计难度较大,容易产生振动、噪声等故障[13-16]。目前世界范围内投产的整体齿轮式压缩机,特别是工艺用的,主要由阿特拉斯、西门子、胜达因等国外制造厂提供,而国内制造厂仅在空分行业有一定业绩,整体市场占有率很低,国产化水平较低。

3 整体齿轮式压缩机适用性分析

3.1 选型

LNG接收站选用压缩机,首先需要压力和流量满足工艺需求,能够安全稳定运行,同时需要具有较好的经济性和维护性。各类压缩机吸入体积流量—排出压力范围见图3,结合前文接收站工程压缩机参数要求,可以看出往复式压缩机和整体齿轮式压缩机都适合一些BOG压缩机的参数范围,但往复式压缩机更适合小流量、高压力工况,而整体齿轮式压缩机适合大流量、中低压力工况[2,5]。值得一提的是,虽然从工作区间看,单轴多级离心压缩机也能胜任部分工况,但此类压缩机转速较低,单级做功能力较弱,通常需要很多的压缩级,机组轴系较长、结构复杂、投资巨大,因此几乎没有应用。

图3 各类压缩机流量—压力使用范围图Fig.3 Flow-pressure range of all types of compressors

3.2 流量

如图3所示,整体齿轮式压缩机可以在大吸入流量(3 000～300 000 m3/h)范围内工作，也可以使用流量系数来验证其通流能力。公式(1)、(2)为ISO 5389—2005Turbo-Compressors-Performance Test Code对流量系数的定义[17],可见吸入流量跟圆周速度和叶轮直径有很大关系,压缩机设计时为保证一定的效率,都需要选用合适的数值。以流量系数0.12,圆周速度300 m/s和350 m/s为例,对不同直径和转速叶轮通流能力进行测算,结果见表2。

表2 某压缩机流量估算表Tab.2 Flowrate calculation of a compressor

(1)

(2)

从表2可以明显看出,整体齿轮式压缩机有很宽的流量范围,而且更适合在大流量区间工作。压缩机设计时,为保证一定的出口压力,叶轮轮缘周速不能太慢,这时候如果要获得小流量就需要选用小直径的叶轮,导致叶轮转速极高,给转子和轴承的设计、制造带来巨大影响,因此在现有规模比较小的接收站工程中,鲜有整体齿轮式压缩机的使用;当接收站规模变大,需要处理的BOG气量也越来越大,整体齿轮式压缩机的转速、轮径均在设计最佳范围内,整体性能较好,而如果选用往复式压缩机则只能多台并联使用。

3.3 排出压力

排出压力也是BOG压缩机的关键参数,选用整体齿轮式压缩机必须能够满足接收站的使用需求。公式(3)～(6)为叶轮多变能量头系数[6,18-19],表征叶轮的做功能力,可据此测算机组排出压力。以某四级整体齿轮式压缩机为例,各级叶轮圆周速度分别设计为350 m/s、350 m/s、300 m/s和300 m/s,多变效率为85%,能量头系数为0.5,分子量取18 g/mol,绝热指数1.37,可计算出机组各级排出压力见表3。

表3 某压缩机排出压力估算表Tab.3 Discharge pressure calculation of a compressor

(3)

(4)

(5)

(6)

从表3测算结果可知,该机组排出压力一级可达到约0.282 MPa.a,二级可达到约0.574 MPa.a,三级可达到约0.886 MPa.a,四级可达到约1.464 MPa.a。同样,如果为八级压缩最高压力约在4 MPa.a,这与LNG接收站工程中所需要的排出压力也基本匹配。从表3也可以看出随着入口温度的升高,即便同样高效的叶轮可实现压比也逐渐降低,要实现更高的压力需要更多级的叶轮,因此整体齿轮式压缩机不太适合超高排出压力工况,对于此种工况,可以采用接力压缩的方式实现。

3.4 负荷调节

LNG接收站工程中BOG压缩机需要在多个工况下工作,机组必须具有很好的负荷调节特性。对于往复式压缩机,一般都通过卸荷器和余隙阀实现0、25%、50%、75%、100%五档调节,对于要求更高的机组则需要配置昂贵的无极负荷调节系统,系统复杂，成本较高。整体齿轮式压缩机因为独立叶轮的结构,可以配置可调入口导叶(IGV,Inlet Guide Vane)和可调出口导叶(DGV,Discharge Guide Vane),具有很好的负荷调节特性,配合旁路调节基本可以在全流量范围内进行负荷调节。对于整体齿轮式压缩机,因为复杂齿轮系统的原因,并不推荐采用变转速调节。

3.4.1 可调入口导叶

可调入口导叶[6,18]就是在叶轮前设置可转动的导流叶片,通过导叶的开合进行负荷调节,某机组入口导叶结构以及调节曲线见图4。研究表明可调入口导叶有阀门和气流预旋两种作用,导叶关闭角度不大时预旋起主要的调节作用,而关闭角度增大以后阀门作用明显,非常节能。这种调节方式可以在维持出口压力不变的情况下,沿着曲线向左调节至喘振线流量,效率的减少也远远小于往复式压缩机效率的减少。

a)可调入口导叶结构a)IGV structure

3.4.2 可调出口导叶

离心压缩机采用有叶扩压器不仅比采用无叶扩压器效率更高,还可采用可调出口导叶调节[6,18],某机组可调出口导叶结构及调节曲线见图5。可调出口导叶将扩压器叶片设计成可转动的,以适应不同流量下的来流方向,使机组压力曲线可在大范围内近似平行移动,而效率变化不大。

综上,整体齿轮式压缩机负荷可以在大范围内线性调节,而出口压力不变,对于流量不停波动的BOG压缩机具有很好的适用性,比往复式压缩机负荷调节性能更好。

3.5 温度及其它使用问题

LNG接收站BOG压缩机必须适应低温工况。整体齿轮式压缩机叶轮和壳体等过流部件都可以采用不锈钢材料,整体结构简单。往复式压缩机气缸和活塞需要采用高镍低温球铁[20],相比之下整体齿轮式压缩机材料的加工、制造技术都非常成熟,低温工况运行时零部件的冷缩变形、隔冷以及轴端密封的配置都更容易实现,适合在低温工况下运行。

同其它压缩机一样,整体齿轮式压缩机入口温度变化也会影响其做功能力,而且影响更大。从上文3.3节分析可知,级入口温度升高,就会导致机组升压不够,温度变化越大这种影响越大。为了应对接收站工程入口温度变化问题,可以在入口设置减温器或急冷器,保证机组入口温度始终保持在稳定范围内,机组始终在稳定状态运行。

a)可调出口导叶结构a)DGV structure

BOG是一种易燃、易爆气体,必须保证使用的安全性。整体齿轮式压缩机可以配置干气密封,杜绝工艺介质与大气之间的泄露,而且可以长周期连续运行,极大地减少维护工作。

3.6 国外应用实例介绍

在韩国、日本等国家的部分LNG接收站工程中已有整体齿轮式压缩机应用,根据一些国际知名制造厂提供的应用实例见表4,可以看出大多机组流量比较大、排出压力不太高,这些机组现场长期稳定运行、表现良好。

表4 部分国外接收站工程应用实例表Tab.4 References of some foreign LNG receiving terminal

3.7 与往复式压缩机对比分析

往复式压缩机是一种容积式压缩机,利用活塞往复运动带动气缸容积变化压缩气体,按照结构可以分为卧式活塞环和立式迷宫两种形式。两者区别主要在于活塞运动方向以及活塞与气缸的密封方式,在技术性和经济性方面差别不太大[20-21],本文以卧式活塞环选型为例进行对比。针对某一接收站工程中BOG压缩机选用整体齿轮压缩机和往复式压缩机的具体对比见表5,机组吸入流量5 800 m3/h,入口压力0.12 MPa.a,排出压力1.1 MPa.a。

表5 整体齿轮式与往复式压缩机选型对比表Tab.5 Comparison of integrally geared compressor and reciprocating compressor

由表5数据可见,对于此BOG压缩机,选用整体齿轮式压缩机占地小、重量轻,对于地面和平台的要求也比较低,可以极大地减少工程用地的投入;可以整体橇装到货,安装简单,运行稳定,噪音和振动小;易损件也较少,可以长期连续运行,后期维护费用也较低,机组的技术经济性较好。当接收站规模越大时,这种优势越明显。但是由于整体齿轮式机组的国产化水平较低,基本需要依赖进口,而且每个叶轮都需要干气密封,一次投资也比较高,提高机组国产化水平是提高竞争力的必由之路。

4 结论

整体齿轮式压缩机通过齿轮传动,叶轮在高速下运转,使得机组在具有单轴离心机结构简单、运行稳定、通流能力大等优点的同时,做功能力也很强,机组布置紧凑、占地小、重量轻,可以替代部分往复式压缩机组作为BOG压缩机,在接收站规模进一步增大时这种优势将更加明显,具有很好的适用性。机组的应用推广也会进一步促进其国产化水平的提高,推动国内压缩机行业和天然气行业的发展,对于国家节能降耗、提高能源综合利用率具有很高的应用价值。