小型LNG全容罐的BOG压缩机选型方法

刘洋

（中石化上海工程有限公司，上海 200040）

LNG进入储罐导致罐内LNG体积变化，以及大气压变化、环境温度、罐内泵电机运转等外界能量的输入也称作“漏热”，会产生大量的LNG闪蒸气（BOG），造成罐内压力的不稳定，处理掉过量的闪蒸气非常关键。处理闪蒸气的核心设备是BOG压缩机，在LNG储运中起到重要作用。与大型LNG储罐不同的是小型LNG全容罐的内罐底板与外罐间有一定厚度的泡沫玻璃砖作为隔热保冷，且外罐与基础间的传热接触面积较小，传热量较少，可忽略不计。主要考虑设备运行过程中不同工况时整个系统的闪蒸气量，对闪蒸气量的参数分析，计算出BOG压缩机的预处理量，同时需根据项目实际情况对压缩机在一次性投资成本、运行成本及现场安装难易等多方面进行比对，从而进行压缩机选型。

1 BOG压缩机

目前市场上小型LNG储罐实际的工程运用中，一般有立式迷宫密封式、卧式对置平衡式和螺杆式三种型式的压缩机。

1.1 BOG压缩机型式

立式迷宫密封式、卧式对置平衡式都是往复式压缩机，是利用容积的改变使气体压缩，主要有以下特点：

（1）进气温度允许度高，可以承受低至-165 ℃的温度。

（2）进出口压差大，需采用多级压缩实现较大的压缩比。

（3） 润滑型式采用无油润滑。

（4）活塞运动速度较低：使用经验证实，较高的活塞运动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。

以立式迷宫密封式压缩机为例，一般由三部分组成：

气缸内压缩密封形式为非接触式迷宫密封，无需润滑油，没有活塞环、支承环等易损件；

机身内转动部分为全封闭无泄漏结构，曲轴上设置机械式气密密封，介质气体不会泄漏到大气中，并设置活塞杆导向轴承确保活塞与气缸间保持同轴度；

中间隔离段部分能防止曲轴箱润滑油进入气体压缩部分，保证介质气体不被润滑油污染。迷宫密封保证了活塞和气缸为非接触式，因此工作表面没有磨损，活塞运动速度也可相应提高。

另外还有螺杆式压缩机近几年的应用得到推广。螺杆式压缩机与往复式压缩机都是利用容积的改变使气体压缩，相比较往复式压缩机，螺杆式压缩机具有以下主要特点：

螺杆式压缩机适用流量相较往复式更大，适用范围宽，单机压缩在大压比工况下仍有比较高的运行效率，双级压缩时，适用压缩比更高（40以上）。螺杆式压缩机具有效率高、系统简单，运行稳定可靠的特点，但入口温度需提升至-50 ℃以上，虽配置高效油分离器、除油器但无法避免排气含油的情况，在特定无油要求的工艺工况下不适用。

螺杆式压缩机结构紧凑，整体撬块占地面积小，比往复式占地面积能节省20% ～ 30%；

一般配置有独立润滑油泵进行强制润滑，可有效防止壳体与转子腐蚀，长期使用磨损小。

螺杆式压缩机整机噪音更低。相较往复式压缩机，螺杆式压缩机易损件少，检修周期更长，一般不小于2年，特殊配置可满足30 000 h以上连续运行的要求。

螺杆式压缩机主机采用机械密封，结构设计可靠，可保证在最恶劣工况下介质气不泄漏，满足安全运行的要求。

1.1.1 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。卧式机在维护难易度、重心方面占有优势，立式机在维护成本、可靠性方面具备优势。螺杆压缩机不需要备用机，在维护难易度及重心方面具有优势。

表1 三种压缩机特点比较Tab.1 Comparison of the characteristics of three compressors

1.1.2 运行成本比较

BOG压缩机的选型除了要满足工艺参数（处理量、进气／排气温度、进气／排气压力）外，还需要考虑一次性投资和后期运营成本等综合因素。

立式机的一次性投资一般比卧式机高10% ～ 20%。三种压缩机维护成本见表2（设立式机一次性投资为A）。

从表2可以看出，综合购买成本、安装成本及25年运行成本，螺杆压缩机有一定优势。

表2 三种压缩机运行成本比较Tab.2 Comparison of operating costs of three compressors

根据压缩机的安装特点、一次性投入成本及运行成本的比较。小型LNG全容罐较为适合使用螺杆压缩机进行处理BOG。

2 BOG压缩机处理能力计算及选型

BOG压缩机处理能力计算一般是基于以下两点：

（1）系统中产生的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。

2.1 LNG储罐闪蒸量计算公式

常用的LNG储罐闪蒸量的计算公式有多种，但多数是以计算储罐本身的蒸发率为主，不能反映多种工况下整个储运系统的闪蒸气量。本文采用考虑多种工况下整个储运系统的闪蒸量计算公式[1]。

闪蒸气量M为环境热辐射产生的闪蒸气m1、LNG产品进入储罐产生的闪蒸气m2、LNG产品通过泵进入槽车产生的闪蒸气m3和LNG槽车预冷产生的闪蒸气m4的总和。公式如下：

M=n·m1+a·m2+b·m3+c·m4[1]

式中n——储罐数量；

a—— 装置运行状态，当装置正常运行时a=1，装置没有运行时a=0；

b—— LNG装车状态，当LNG产品进行装车时b=1，无装车时b=0；

c—— 预冷槽车数量，根据正在预冷的槽车的确定数量，无预冷时c=0。

（1）环境热辐射产生的闪蒸气m1计算方法如下：

式中X——LNG储罐容积，m3；

ρ1——LNG密度，kg/m3。

（2）LNG产品进入储罐产生的闪蒸气m2的计算方法如下：

m2=Yρ2

其中Y——LNG产品进入储罐的流量，m3/h；

ρ2——20 kPa储罐闪蒸气密度，kg/m3。

（3）LNG产品通过泵进入槽车产生的闪蒸气m3计算方法如下：

m3=Qρ2

其中Q——装车泵流量，m3/h；

ρ2——20 kPa储罐闪蒸气密度，kg/m3。

（4）LNG槽车预冷产生的闪蒸气m4的计算方法如下：

式中C——槽车内气体比热，kJ/kg· ℃；

ρ3——槽车内气体密度，kg/m3；

V——槽车容积，m3；

t1——LNG产品储存温度，℃；

t2——空槽车温度，℃；

H——LNG的焓，kJ/kmol；

M——LNG的分子量，kg/kmol；

T——单辆槽车预冷时间，h。

2.2 某项目基础数据

国内西北某煤化工企业采用煤制甲醇再制烯烃工艺，在甲醇反应生产烯烃的过程中会生成部分甲烷气及氢气。该企业拟采用深冷分离技术，通过对尾气的分离和回收，回收气体中的C2以上组分和LNG及氢气等有显著价值的产品。LNG储运系统中产生的BOG气体全部送至火炬系统，不考虑回收。

根据工艺物料平衡计算，LNG的产量4 m3/h；考虑节约占地面积，拟建1 000 m3的双金属全容罐及相应的BOG气体系统、装车系统，工艺流程简图如图1所示。

图1 BOG气体系统、装车系统，工艺流程Fig.1 BOG system & loading system of process flow diagram

LNG介质工艺数据如表3所示。

表3 LNG介质工艺数据Tab.3 LNG medium process data

2.3 数据分析

（1）工况一：LNG罐1座，n=1，LNG罐容积X= 1 000 m3，LNG产品进罐流量Y= 4 m3/h，装置停车检修没有运行，a= 0，无LNG槽罐车b= 0，无LNG槽车在预冷c= 0；

（2）工况二：LNG罐1座，n= 1，LNG罐容积X= 1 000 m3，LNG产品进罐流量Y= 4 m3/h，装置正常运行，a= 1，无LNG槽罐车b= 0，无LNG槽车在预冷c= 0；

（3）工况三：LNG罐1座，n= 1，LNG罐容积X= 1 000 m3，LNG产品进罐流量Y= 4 m3/h，装置正常运行，a= 1，有2台LNG槽罐车正在装车b= 2，有2台LNG槽车在预冷c= 2；

故，m=n·m1+a·m2+b·m3+c·m4= 18.34 +8.4 + 210 + 225.2 = 461.94 kg/h

根据上述工况分析结果可以看出，该工程LNG储罐投用后闪蒸气生产量根据工厂情况可能在18.34 ～ 461.94 kg/h之间波动，即0.042 ～ 1.05 m3/h之间波动。

2.4 螺杆压缩机功率计算分析

（1）必要的输入条件：

① 压缩机进口温度T1、进口压力P1、进口流量Q1；

② 压缩机出口压力P2；

③ 所用公式：T2=T1×ε（k-1）/k，k为压缩机多变指数，ε为压缩机的压比。

（2）确定压缩机各级压比：

P1= 0.11 MPa；T1= 40 ℃；

出口排气（绝压）P2= 0.6 MPa；

总压比ε=P2/P1= 5.45。

（3）排气温度：

按绝热过程考虑，排气温度用下式：

T2=T1×ε（k-1）/k；

介质为LNG：k= 1.383；

T2= （273.15 + 40） × 5.450.383/1.383= 500.8 （K）

= 227 ℃；

如采用单级压缩，出口温度会达到227 ℃，对压缩机本体机件损坏，甚至导致润滑油变质。

（4）各级进、排气压力（绝压）：

一级：P1（一级进口压力）= 0.11 MPa；

P2（一级出口压力）= 0.26 MPa；

二级：P1（二级进口压力）= 0.26 MPa；

P2（二级出口压力）= 0.6 MPa。

（5）各级排气温度：

按绝热过程考虑，各级排气温度用下式：

T2=T1×ε（k-1）/k；介质为LNG：k= 1.383；

一级：T2=T1×ε（k-1）/k= 97.3 ℃；

二级：T2= T1×ε（k-1）/k= 195 ℃；

采用二级压缩，出口温度为195℃。

（6）计算功率，选取电机：

根据公式：W=P1×V1×[k/ （k-1） ]×ε（k-1）/k-1，

V1=λ（容积系数） ×Q1，单位m3/s；

螺杆机的容积效率λ= 实际容积流量/理论容积流量，此参数约为≥0.9，两级压缩总功率W=W1+W2，根据电机型号，匹配相应的电机。

根据上文计算结果，LNG的最大闪蒸量=1.05 m3/h×600 = 629 Nm3/h

W=W1+W2

=P1×V1× [k/ （k-1） ]×（ε（k-1）/k-1 +P2×V1×

[k/ （k-1） ]×（ε（k-1）/k-1

= 32.56 kW

根据计算结果，螺杆压缩机的总功率为32.56 kW。

3 结束语

本文根据项目实例，通过对小型LNG全容罐闪蒸气量计算、压缩机型式对比、费用比较、功率计算步骤。准确地对BOG压缩机进了选型。从而得到一种小型LNG全容罐BOG压缩机的选型方法。