新建大型LNG接收站BOG压缩机选型研究

王卫晓

北京燃气集团（天津）液化天然气有限公司，天津 300399

我国目前已投产的LNG接收站已有十几座。近几年，随着国家能源政策调整，LNG接收站出现了第二次建设高峰，且建设规模呈现大型化发展趋势，储罐总罐容不断增大。常压下储存在LNG储罐中的LNG温度为-162℃。LNG接收站日常运行中因储罐漏热、管道漏热、装槽车/装船/卸料/泵送的热输入、大气压变化等因素而不断产生蒸发气（BOG）。BOG压缩机作为BOG处理系统中的关键设备，用于保证储罐压力维持在一定范围，保证接收站运行安全。由于BOG压缩机是低温压缩机，价格十分昂贵且功率较大，为了降低贵重设备投资，提高设备利用率，降低投产后运行能耗，合理地选择BOG压缩机型式、单台能力及配置数量十分重要，直接影响着投资成本及后期运行的经济性[1]。

1 BOG处理工艺流程

按照储罐的不同，液化天然气接收站对BOG的处理工艺有直接输出和再冷凝两种方法。直接输出法是将BOG压缩到外输压力后直接送至输气管网，而再冷凝法是将BOG压缩到较低的压力与由LNG低压输送泵从LNG储罐送出的部分LNG在再冷凝器中混合。由于LNG加压后处于过冷状态，可以使BOG再冷凝，冷凝后的LNG经LNG高压输送泵加压后外输。因此，再冷凝法可以利用LNG的冷量，并减少了BOG压缩功的消耗，节省了能量，接收站大多工况下均采用再冷凝工艺，流程如图1所示。

图1 再冷凝工艺流程

LNG接收站BOG压缩机设计选型时需考虑诸多因素，压缩机启动初期存在最高温度工况，压缩机入口缓冲罐至压缩机之间管道内积气的气体温度范围为-110～40.9℃，压缩机需能够在此温度范围短时间运行。正常操作工况时，入口温度变化范围为-162～-110℃，有时会达到-40℃，但压缩机出口温度均不能超过120℃，压缩机必须能够在入口温度变化范围内满足卸船工况和不卸船工况及最大功率工况下不同成分BOG的处理要求，最大功率工况为考虑下游设备操作压力波动时工况。另外，压缩机开车阶段有可能采用低温氮气对接收站主要管道进行预冷，所以压缩机必须能够处理压力为10～20 kPa、温度为-140～30℃的氮气。

综上所述，BOG压缩机选型时需考虑以下几个方面的因素：较宽范围的入口温度变化、多种操作工况下运行、满足氮气预冷时氮气处理要求、低温材料的应用[2-3]。

2 BOG压缩机应用情况

我国第一批接收站大都在2008—2013年前后投产，前期接收站设计规模较小，最多配置4个16×104m3储罐，压缩机基本选用立式或卧式往复式压缩机，具体应用情况见表1。从表1中可以看出：常规接收站吸入压力在1.15 bar（1 bar=0.1 MPa）左右，排出压力在8 bar左右，立式迷宫式压缩机占据了国内接收站大多数市场，卧式活塞环式压缩机仅有大鹏、上海、珠海LNG接收站使用。

表1 已投产接收站BOG压缩机应用情况

立式迷宫式压缩机占地面积相对较小，活塞运动方向与地面垂直，活塞与气缸之间、活塞杆与填料之间采用非接触迷宫式密封，压缩机不存在活塞环、支撑环和气缸套等易损件。压缩机的立式设计使得十字头重量不再作用在滑道上，降低了磨损。另外，压缩机开机无需预冷，可以适应频繁开停机的工况，操作程序简单。迷宫式压缩机具有较高的可靠性，但立式压缩机重心较高，轴向力较大，需专用平台维修，效率较卧式压缩机低。

卧式活塞压缩机占地面积相对立式压缩机要大，活塞运动方向与地面水平，气缸与活塞间的密封为环式，紧接触、高摩擦、多道环密封，主填料与活塞杆的密封为高摩擦、抱紧式环式密封，活塞环、支撑环属于易损件，根据不同厂家的制造工艺不同，其更换时间也不同，有的厂家能够达到16 000 h，在实际运行中反馈的更换周期更长。卧式压缩机对置的运动部件有较小重量差，且运动方式对称，故其产生较小的惯性力差。对置的活塞之间轴距短，故其产生较小的力矩。相较竖直式压缩机，水平式压缩机的振动小很多。不同厂家对于卧式机开机预冷的要求也不同，部分卧式机开机前需预冷6 h，而日本相关公司卧式机采用快速启动法，可以1 min内送出压缩气体，容量调节在15 min后可实现100%负荷进行，而高级快速启动系统可在2 min进行任意容量调节。卧式机存在活塞杆下沉的问题，会因刮油环偏磨造成使用寿命缩短。活塞环和支撑环的磨损对于温度十分敏感，温度越高，磨损越快，卧式机后期维护成本高。

立式和卧式压缩机根据气阀开启数量和余隙容积调节均能够进行0%、25%、50%、75%、100%负荷调节。环式活塞与气缸套间隙为0，迷宫式活塞与气缸壁间隙为h。环式活塞与迷宫式活塞对比见图2，立式与卧式BOG压缩机具体技术对比见表2。通过对比可以看出，立式机和卧式机各有优缺点，但鉴于立式机可靠性高、后期维护成本低的特点，我国第一批LNG接收站用户大多数选择了立式迷宫式压缩机[4-6]。

表2 立式与卧式BOG压缩机技术对比

图2 环式活塞与迷宫式活塞对比

3 整体齿轮式BOG压缩机应用分析

3.1 结构及工作原理

整体齿轮式BOG压缩机（也称多轴离心压缩机）属于离心压缩机的一种，其设计有多根高速轴，带有两个叶轮的小齿轮轴围绕中央大齿轮布置，两个叶轮在小齿轮轴两侧反向布置，能够很好地平衡轴向力。小齿轮通过与大齿轮啮合传动，单独匹配所需转速，让每级叶轮运行在最佳转速上，效率可以达到最佳，结构如图3所示，主要部件包括叶轮、蜗壳、齿轮、扩压器、中间冷却器等。

图3 整体齿轮式压缩机外观

工作原理是电动机带动大齿轮转动，大齿轮带动小齿轮转动，进而实现叶轮的高速旋转，气流在离心力的作用下被压缩获得动能，然后经过叶轮后的扩散器，动能转化为压力能，气流的级间冷却可以在每次叶轮排放后完成[7-9]。齿轮传动结构分解如图4所示。

图4 齿轮传动结构分解示意

3.2 适应性

国外相关机构已对不同类型的压缩机应用范围做过相关研究，并绘制了不同类型压缩机典型应用区域图，表明离心式压缩机适用于中间流量范围。整体齿轮式压缩机在其应用流量压力范围内与往复式压缩机相比，在液化天然气接收站市场上是有竞争力的。整体齿轮式BOG压缩机的应用范围区域如图5所示。

图5 整体齿轮式BOG压缩机应用范围

从图5可以看出：整体齿轮式压缩机处理流量和所能达到的压力，对BOG处理工况有很好的适应性。BOG处理量越大，对于整体齿轮式压缩机叶轮直径及转速的设计越有利，压缩机的整体性能越优异。在气量很小时，压缩机在设计时选取的叶轮直径也相对较小，而要达到一定的出口压力需要设计高转速，这对压缩机的转子及轴承会有很高的要求[10]。

3.3 负荷调节

LNG接收站实际运行中，BOG产生量与操作工况密切相关，其变化幅度也比较大，因此压缩机在处理BOG气体时经常遇到负荷调节的工况。整体齿轮式压缩机进行负荷调节有两种方式，扩大低流量操作范围。一种是通过入口的入口导叶IGV，IGV与压缩机出口流量进行联锁，中控系统根据压缩机出口流量计反馈信号，对IGV进行控制，改变IGV叶片角度，进而改变进气面积，达到调节流量的目的。另外一种通过第一级可调出口导叶VDV，将出口导叶设计成可转动的，通过负荷调节信号，改变出口导叶角度，以改变叶轮出口气流方向及气流流通面积，进而适应不同流量的操作要求。VDV可以提供比IGV更大的节流范围，但其设计比IGV更复杂，而且费用也更高。IGV流量调节通常能达到设计流量的60%，而VDV流量调节能够达到设计流量的40%。在BOG处理时，对于更低负荷的流量调节，通常采用旁路的方式来进行，可以达到连续调节的目的[10]。

3.4 整体齿轮式BOG压缩机与活塞式BOG压缩机对比

整体齿轮式BOG压缩机目前在国内尚无应用，但在国外接收站已有应用业绩，主要生产厂家有阿特拉斯、西门子、韩华、埃利奥特等。针对LNG接收站BOG处理工况，这两种压缩机的使用各具特点。整体齿轮式BOG压缩机结构紧凑，占地面积与同处理量的活塞压缩机相比仅为活塞压缩机的三分之一左右，并且整体质量小，对基础的承载力要求不高。整体齿轮式BOG压缩机由于运动部件少，因而其故障率低，可靠性高，另外没有气阀、活塞环、气缸套、活塞杆及填料等易损件。在操作维护方面，整体齿轮式BOG压缩机一般可以连续运转3年，而往复式压缩机一般每连续运转一年就需要维护保养，前者更节省人工和费用，利于长期运行。整体齿轮式BOG压缩机另一个优点是振动非常小，这在接收站设计中非常重要，因为接收站中BOG压缩机长期使用，其前后的管道都会受到压缩机振动的影响，压缩机在设计过程中都会做脉动分析，确保振动在可控范围内，但由于各种原因，已投产的部分接收站中往复式压缩机振动并不在理想范围内，压缩机前后的管道在长期振动影响下会出现疲劳现象，容易发生泄漏，而整体齿轮式压缩机很好地解决了振动问题。LNG接收站中整体齿轮式BOG压缩机一般采用三级压缩，活塞式压缩机采用两级四缸，整体齿轮式BOG压缩机与活塞式BOG压缩机具体对比情况见表3[11]。另外，根据国外刊物相关统计，不同压缩机可靠性对比如表4所示，整体齿轮式压缩机可靠性最高。

表3 整体齿轮式BOG压缩机与活塞式BOG压缩机对比

表4 不同压缩机可靠性对比

4 新建LNG接收站BOG压缩机应用

新建LNG接收站单罐罐容20×104m3以上，最大达到27×104m3，总罐容均已达到200×104m3以上，具体见表5。

表5 新建LNG接收站罐容

对于新建的大型LNG接收站，BOG量较大，如果接收站全年外输量稳定，且最小负荷外输量能够满足BOG处理要求，BOG流量变动较小，在相同的进出口压力、进气温度的工况下，可以优先选用整体齿轮式压缩机，而且BOG处理量越大，整体齿轮式压缩机的优势越明显。对于立式迷宫式压缩机，随着BOG处理量增大，其设计的级数和每级气缸数都有相应增加，但对于立式布置来说，这样会增大机身的不稳定性，增大振动量。另外，据了解立式压缩机由于自身固有机型尺寸限制，制造超过15 t处理量的BOG压缩机存在一定困难，而如果选用处理量小的压缩机组，则在数量上需相应增多，导致增加占地面积。对于卧式活塞环式压缩机，其处理量不受限制，可以满足大BOG产生量的需求，但其易损件多，不利于操作维护。

综上所述，对于处理大流量BOG气体，且操作负荷调节变化幅度在60%～100%之间，下游有稳定的输出量，选择整体齿轮式压缩机有优势，虽然国内目前尚无应用业绩，但韩国有相关应用业绩可供参考，见表6[12-13]。

对比表6与表5，可以看出我国新建大型接收站规模与韩国已投产的平泽、三陟接收站相当，具备齿轮式压缩机应用条件。

表6 韩国部分LNG接收站罐容

对于LNG接收站冬夏两季外输量变化大、操作工况变化频繁的情况，BOG的产生量也会随工况的改变而改变，整体齿轮式压缩机在较小流量调节时，通常是通过打开旁路阀回流的方式，能耗较大。而往复式压缩机通过开关气阀、余隙容积调节等方式，对小流量工况有很好的适应性。因此，在接收站BOG流量变化较大且有小流量工况出现时，可以选择立式或卧式活塞式压缩机；但当接收站单台BOG压缩机设计处理量过大时，可以考虑选择卧式压缩机。

对于接收站大多数情况下BOG产生量稳定且较大，只存在小概率BOG量变化的工况下，可以考虑整体齿轮式压缩机和往复式压缩机共同使用。韩国平泽LNG接收站共13台BOG压缩机，其中3台为整体齿轮式压缩机，其余10台为往复式压缩机，2011年投产了2台整体齿轮式压缩机，2017年投产了第三台整体齿轮式压缩机，并与其余往复式压缩机并联运行至今，状态良好[14]。对于我国今后大型接收站的建设，在合适工况下也可选择整体齿轮式压缩机与往复式压缩机并联使用。

5 结论

新建大型LNG接收站的BOG压缩机选型需要综合考虑多方面因素，包括LNG接收站全年的操作工况、整体占地面积、项目投资、交货期及后期操作维护费用等。通过以上对立式迷宫式压缩机、卧式活塞环压缩机以及整体齿轮式压缩机从不同角度进行对比，分析了各自的优缺点，对不同LNG接收站可结合实际，进行BOG压缩机选型。随着接收站大型化、下游外输量稳定、单台BOG压缩机设计处理量的提高，整体齿轮式压缩机的应用前景十分广阔。