迷宫压缩机在低温BOG 领域的应用

柴卓，刘斌，徐建，胡波

(沈阳远大压缩机有限公司，辽宁 沈阳 110027)

0 引言

烷烃、烯烃类气体以及其化工产品在人们的生产生活中起到至关重要的作用，被广泛用于家庭、工业及交通领域。例如，甲烷作为一种清洁能源，可用于发电、供暖、交通燃料等，也可用于制造合成气和一些有机化合物；乙烯是一种重要的化工原料，广泛用于制造塑料、合成纤维、合成橡胶，以及合成乙醇、乙醛等多种有机化合物；乙烷、丙烷、丁烷等在化工、冶金、电子、石油等工业部门也有广泛的应用。由于市场能源应用的需求增多和在化工产品中的广泛应用，烃类气体在市场上的流通量也在逐渐增加，其通常采用的运输方式有：压缩成高压气体采用CNG 罐车运输、冲入高压气瓶车载运输、转化为液态介质槽车运输或船运等。通过在实际生产中的操作对比，将烃类气体转化为液体进行运输、储存是最为高效和便捷的方式。在这些气体的采集、储存、制备、液化、运输等生产过程中压缩机是必不可少的关键设备，而在BOG(boil off gas)工艺中，迷宫压缩机以其特有的结构形式、密封方法、材料性能在实际应用上体现出明显的优势[1-3]。

1 压缩机应用环境

低温液态烃类在系统中由于温度或压力变化，达到了气液两相介质的临界条件，部分液体转化成气体，这部分气体就是BOG。BOG 的产生通常有以下几种方式：第一，在液体储罐中，虽然罐体外部进行了保冷处理，但罐体与外界不可避免发生热交换，温度的升高造成部分液体转化为气体，这样就会产生BOG；第二，在液体槽车卸车、装船等操作过程中，槽车或储罐内由于压力的变化都会产生BOG；第三，工厂制备的高压液体在外售前需要将压力降低到槽车能承受的低压状态，液体在高压向低压转化的过程中也会产生BOG。由于BOG 发生在气液转化的临界点，因此大部分BOG 的温度都很低，例如甲烷BOG 的温度是-162 ℃，乙烯BOG 的温度是-103 ℃，乙烷BOG 的温度是-88 ℃，丙烷BOG 的温度是-42 ℃，丁烷BOG的温度是-0.5 ℃。压缩机在BOG 工艺中的作用就是抽取这些低温气体，对其进行输送，或者增压再液化，液化后的介质有利于工厂储存和运输。因此所使用的压缩机应具有的基本特征就是能够承受较低的温度，并在低温下具有所需的强度及韧性。

通常情况下，零件接触低温介质后会发生冷脆现象，尤其非金属零件会更加明显。同时在BOG 压缩机的初始运行阶段，往往会遇到常温工况，这就要求压缩机能保持良好的热胀冷缩性能，满足不同工况下气体的温度、压力变化。因此在压缩机的结构形式、材料选择、工艺处理上将带来很大困难[4]，给压缩机的设计者、生产者、运营者都会带来更多的挑战。

2 迷宫压缩机结构介绍

迷宫压缩机属于立式压缩机，各列十字头、活塞、气缸等零件均在压缩机曲轴-连杆正上方。活塞在气缸中垂直往复运动，上部与缸盖一起形成盖侧工作腔，下部与填料、缸底一起形成轴侧工作腔。为活塞垂直往复运动提供保证的是导向轴承部件，它与十字头滑道两点一线控制整个活塞运行的垂直度，整体结构如图1 所示。活塞与气缸之间通过活塞裙套上的迷宫槽进行轴、盖侧工作腔的气体隔离，轴侧用填料密封沿活塞杆发生的气体泄漏，填料环与活塞杆之间的密封也采用迷宫槽密封形式，因此整个密封腔无接触式摩擦。迷宫槽密封原理如图2 所示，高压气体在狭小间隙下有极少部分通过各个节流点向低压侧流动，此时气体的压力能转化为动能，当气体通过节流点后，由于容积的突然扩大，气体速度急速下降，气体的动能转化为热能及涡流能。经过连续均布的节流和齿槽漩涡室的重复作用，泄漏气体的压力逐渐降低到低压侧工作腔的压力，无法继续流动，阻止了两个工作腔气体的相互泄漏。

图1 迷宫机结构原理

图2 节流密封原理

由此可见活塞与气缸之间的节流间隙，是整个迷宫压缩机的关键技术，而在低温或高温压缩机中由于温度变化范围较大，这个间隙的控制成为低温BOG压缩机设计的重点和难点。

3 迷宫压缩机在BOG 中的优势

通过对比迷宫压缩机与卧式活塞环压缩机的结构特点、BOG 迷宫压缩机的关键技术以及迷宫机对变工况的适应能力来分析迷宫压缩机在BOG 工艺中的优势。

3.1 结构特点对比

迷宫压缩机采用迷宫环槽对气体进行节流密封，这样活塞与气缸、填料之间无接触，活塞上不需要设置活塞环；活塞的运动轨迹采用气缸下部的导向轴承进行控制，因此在气缸内部也不需设置支承环。而在卧式活塞环压缩机中，活塞环是关键密封元件，支承环是保证活塞与气缸同心的重要元素，并且两种零件均为非金属材质。下面通过对比活塞环和支承环的有无，可以清楚地体现迷宫压缩机在BOG 工艺中的一些优点：(1)卧式机中的活塞环、支承环通常为非金属零件，适应的温度范围较窄，容易出现冷脆现象，选材比较困难。而迷宫机工作腔全部采用金属材质，不存在此问题。(2)迷宫机压缩的气体不会受到摩擦粉末带来的污染，介质的纯净度得到保证。BOG 气体属于闪蒸气，其杂质很少，属于清洁介质，经过压缩后仍能保持原有的纯度不降低。(3) 迷宫机活塞与气缸不接触，不会像卧式活塞环压缩机那样产生摩擦热，BOG介质温度较低，工作中不会带来附加温升。同时由于压缩机的摩擦功减少，整体功耗下降。(4)迷宫机没有活塞环、支承环，在设计和操作上，具有结构简单、安装方便，后期维护成本低，检维修周期长等优点。

3.2 关键技术

迷宫压缩机在应对低温BOG 介质工况下，根据其结构特点，采用特有的一些材料、工艺可以使其优势更加明显、适应能力更强。

3.2.1 材料的选择

对于低温BOG 压缩机材质的选择应至少考虑以下四个方面的重要因素：(1)具有所需的抗拉强度、屈服强度；由于压缩机需要将气体加压至一定压力，因此这是一个基本要求，合格的强度是所有压缩机承压零件都应具有的特征。(2) 在低温状态下具有要求的抗冲击韧性；一般金属零件在常温下具有很好的强度，但在低温环境下会发生冷脆现象，因此能够在低温工况下保持良好的韧性是低温BOG 压缩机零件所需的重要特性。(3)在低温状态下具有较小的冷缩变形特征；由于零件的加工制造、装配调试是在常温环境下操作的，但在实际的工作中零件会发生冷缩现象，这样会影响相互配合零件的间隙，因此低温状态下保持较小的冷缩变形量也是一个关键指标。(4) 在高温工况下应不会发生较大的膨胀。低温BOG 压缩机有时也会存在常温或高温工况，这就要求零件在高温状态下仍能保持合理的间隙，这就要求零件具有较低的热膨胀系数。

3.2.2 深冷处理

由于气缸、活塞、活塞杆、气阀、填料等零件在工作中直接接触低温气体，并且承受一定的气体压力，因此零件的强度、耐低温性能、防冷脆性能、组织稳定性都至关重要。往往需要通过深冷处理，来提高上述零件的材质性能。深冷工艺采用的处理方法主要有液体法和气体法两种。液体法是将工件直接放入液氮中，处理温度为-150 ℃，缺点是热冲击较大；气体法是通过液氮的气化潜热和低温氮气吸热制冷，处理温度可达到-196 ℃，处理效果更好。零件经过深冷处理可以有以下几方面的改善：(1) 深冷处理通过降低材料的温度，使其慢慢处于低温状态，这样可以改善材料晶体结构，使晶粒得到更加充分的细化，从而使材料的组织结构更加均匀紧密。(2) 由于材料在加工制造过程中受到力和热的作用，因此在零件内部不可避免的存在残余热应力。通过深冷工艺可以有效消除残余热应力，使材料更加稳定。(3)深冷处理可以更好地排除零件内部的气、水、油等物质，从而防止材料受到腐蚀和污染，改善材料表面的质量，增加其耐磨性。(4)深冷处理可以使常规热处理后存在的残余奥氏体进一步转化为能使材料变硬、增强的马氏体，从而改善零件性能。

3.2.3 完全密闭无泄漏

BOG 工艺中的压缩机做成完全密闭无泄漏形式有以下三种好处：(1) BOG 气体是一种化工产品，更是一种商品，压缩机在增压环节中能够保证其完全密闭无泄漏，无疑避免了一定的经济损失。(2) BOG 气体通常为烷烃类介质，属于易燃易爆物质，能控制其不向外界扩散，可以避免危险事故的发生。(3) BOG属于纯净气体，采用完全密闭压缩结构，可以省略氮气保护措施，保证了气体的纯度，也减少了工厂氮气耗量。

基于以上优点，BOG 迷宫压缩机通常采用整体密闭无泄漏结构，该结构具有以下特征：(1)采用整体承压的一体铸造成型机身。机身体积较大，承压能力差，通过采用有限元软件分析优化设置合理的加强筋，增加机身整体强度。(2)在机身轴伸端用机械密封对机身内的气体进行密封。机械密封可有效阻止气体沿曲轴发生泄漏。(3)采用耐工艺气体腐蚀的润滑油。工艺气体进入机身后，很容易与润滑油发生反应而破坏润滑油的黏度、闪点等性能，因此必须使用耐工艺气体腐蚀的润滑油。

3.2.4 设置导冷装置

低温气体位于上部的缸体中，但冷能通过金属向四周及与之相邻的金属零件进行传递。为了防止冷能传递到下部的润滑区，需要在两个区域之间设置隔冷装置，保证机体下部不受到低温的影响。这个低温的影响区域能传递多远，在哪个位置设置合理的隔冷装置，需要根据气缸内气体的具体温度、气缸的结构形式、材料的导热系数进行模拟分析。在选择合理的隔冷位置后，通常采用乙二醇冷却液或润滑油进行导冷。

3.3 应对高温工况的优势

BOG 工艺具有一个特点，在压缩机开始工作前，低温储罐与压缩机之间的管道中往往存在高温气体，由于管道较长，高温气体被压缩机抽走需要一定时间，因此导走高温气体的这段运行时间，属于机组的高温工况。这个工况对于压缩机的难点在于，它与低温工况温度相差过大，普通卧式活塞环压缩机无法直接处理该工况。为了解决此问题，通常需要采取以下额外的措施：第一种方法是将这部分气体排放到火炬系统，压缩机在导走高温气体的过程中产生的压力比很小，即排气温度不会升高太高，因此等到压缩机入口的气体温度逐渐降低以后方可加压输送到下游工艺系统，但是这种方式会产生较大的浪费；第二种方法是采用预冷法，向压缩机上游管道、容器中通入低温介质，将原有高温气体的温度综合下来，降低到可以运行的温度，但这种处理方法需要储备预冷介质、设置预冷管道、阀门等设施，重要的是预冷过程需要较长的时间，在操作上带来很多不便。

而BOG 迷宫压缩机气缸、活塞均采用了线性膨胀系数小的耐低温材质，在应对高温工况时仍旧可以正常操作，避免了上述卧式活塞环压缩机的弊端。

4 结语

根据以上对迷宫压缩机的介绍，并结合BOG 工艺特点，不难看出迷宫压缩机在处理低温BOG 的转运、储存、卸料、装载等工艺流程中，具有自己独特的优势，尤其在应对超低温及温度变化的复杂工况时，迷宫机采用特殊材料配合节流密封结构原理，实现对该核心问题的彻底解决。迷宫压缩机作为一种特殊的往复活塞式压缩机，凭借自身的结构特点具有超强的适应能力，在处理复杂介质、高低温工况等问题中发挥了明显的功效，在石油、化工、天然气等工业领域具有不可或缺的地位。