李瑩珂 蒲黎明 祁亞玲 王 科 姜 寧

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

LNG 生產(chǎn)是天然氣發(fā)展領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，LNG 相對(duì)于成品油和CNG，具有更加安全清潔、便于運(yùn)輸使用等特點(diǎn)。 通過LNG 的開發(fā)及引進(jìn)，實(shí)施LNG 替代石油，既有利于緩解國內(nèi)大中城市的空氣污染，又能夠獲得更好的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，有利于能源供應(yīng)方式的多元化，提高天然氣的利用程度，從更廣的領(lǐng)域加快能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整，保障國家能源安全［1-7］。 我國已經(jīng)進(jìn)入LNG 快速發(fā)展的時(shí)期， 截止2013 年12 月已經(jīng)建成湖北500×104m3/d（120×104t/a）、哈納斯300×104m3/d、泰安260×104m3/d、延長50×104m3/d、安塞200×104m3/d、廣安100×104m3/d 等80 多座LNG 工廠。 建成投產(chǎn)廣東大鵬、福建莆田、上海洋山港、江蘇如東、大連新港、河北唐山、天津浮式等多個(gè)LNG 接收站，浙江寧波、山東青島、廣東珠海等LNG接收站正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)到2015 年中國東南沿海將建成LNG 接收站10 多個(gè)， 總接收能力將超過4 500×104t/a（約合600×108m3/a）［1-7］。 壓縮機(jī)是LNG 液化工廠和接收站工程的核心轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，主要用于LNG 液化工廠中原料氣、分子篩脫水裝置的再生氣、天然氣液化制冷劑和閃蒸氣（BOG），以及接收站中BOG 增壓過程。因此，在LNG工廠中選擇合適的壓縮機(jī)及壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式、冷卻方式非常重要。

圖1 壓縮機(jī)的基本型式

圖2 壓縮機(jī)的適用范圍

1 壓縮機(jī)類型及適用范圍

壓縮機(jī)種類繁多，按作用原理可分為容積式和速度式兩大類，具體分類見圖1。由于不同類型的壓縮機(jī)特點(diǎn)不同，適用于不同的生產(chǎn)條件。 在LNG 液化工廠和接收站中主要采用往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)。 這三種壓縮機(jī)在石油、天然氣加工、制冷等領(lǐng)域中占非常重要的地位，其適用范圍見圖2［8］。

2 LNG 處理過程中常用壓縮機(jī)選型原則

LNG 處理過程中常用的三種壓縮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)見表1，LNG 處理常見工藝中壓縮機(jī)的選型原則如下：

a）判斷氣體的組成與潔凈度。 在氣體中硫含量和水含量較高、含有固體顆粒時(shí)采用往復(fù)式壓縮機(jī)或螺桿式壓縮機(jī)，因?yàn)殡x心式壓縮機(jī)對(duì)介質(zhì)潔凈度要求較高；

表1 LNG 處理過程中常用的三種壓縮機(jī)特點(diǎn)

b）考慮氣體流量的變化。 若氣量穩(wěn)定，則可以考慮離心機(jī)，若氣量變化較大，考慮選擇往復(fù)式壓縮機(jī)或螺桿式壓縮機(jī)。

c）考慮壓縮比。 出口壓力高于2.5 MPa，采用往復(fù)式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)。

d）考慮投資成本。 壓縮機(jī)型式選定以后，需要結(jié)合整體工藝流程來確定壓縮機(jī)數(shù)量。 離心式壓縮機(jī)由于可靠性與穩(wěn)定性較高，一般不需要考慮備機(jī)。 螺桿式壓縮機(jī)機(jī)穩(wěn)定性也較好， 應(yīng)用于制冷系統(tǒng)時(shí)一般不考慮備機(jī)。 往復(fù)式壓縮機(jī)可靠性低，維修量大，必須考慮備機(jī)。

3 LNG 處理過程中壓縮機(jī)選型

基于上述選型原則，LNG 處理常見工藝中壓縮機(jī)的選型結(jié)果如下。

3.1 原料氣增壓和輸送

LNG 工廠的原料氣來源有管輸氣， 也有氣田氣、煤制氣、煤層氣等。 當(dāng)原料氣需要增壓后輸送或者由于原料氣壓力較低，需要增壓至適宜液化的壓力時(shí)，則需設(shè)置原料氣增壓壓縮機(jī)。 原料氣壓縮機(jī)選擇需考慮的主要因素是原料氣介質(zhì)情況。 若原料氣為管道氣或煤制氣，介質(zhì)潔凈度較高，輸氣量大且穩(wěn)定，一般選擇離心式壓縮機(jī)。 若原料氣為氣田氣、煤層氣，介質(zhì)較臟需要輸送至預(yù)處理系進(jìn)行凈化， 且氣田氣的處理氣量變化較大，離心機(jī)的適應(yīng)能力差則需要選擇往復(fù)式壓縮機(jī)［9］。

3.2 分子篩再生氣增壓

LNG 工廠的原料氣預(yù)處理部分中，分子篩脫水裝置的再生氣壓縮機(jī)由于再生氣量一般較小， 氣壓比較小，在常用的兩塔脫水工藝中，再生氣量不連續(xù)，且需要再生氣量回流來保證壓縮機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此再生氣壓縮機(jī)一般選擇往復(fù)式壓縮機(jī)。 目前，國內(nèi)天然氣輕烴回收工廠的再生氣壓縮機(jī)已有采用高速旋轉(zhuǎn)離心式壓縮機(jī)先例，但該類壓縮機(jī)為進(jìn)口產(chǎn)品，可供選擇廠家少、應(yīng)用業(yè)績少。

3.3 制冷劑壓縮機(jī)

液化裝置是LNG 工廠的核心，制冷劑壓縮機(jī)是液化裝置的關(guān)鍵設(shè)備。 同時(shí)制冷劑一般由一種或幾種組分構(gòu)成，組成相對(duì)簡單，潔凈度高且流量穩(wěn)定，因此制冷劑壓縮機(jī)可按照壓縮機(jī)功率劃分來選型。 大型液化裝置制冷劑壓縮機(jī)功率較大（N＞5 000 kW），選擇離心式壓縮機(jī)。中型液化裝置的制冷劑壓縮機(jī)（1 500 kW ＜N＜5 000 kW）可以選擇低溫往復(fù)式壓縮機(jī)（臥式或者立式迷宮型壓縮機(jī)）。 小型的制冷系統(tǒng)（N＜1 500 kW）可選擇螺桿式低溫壓縮機(jī)。

3.4 閃蒸氣（BOG）壓縮機(jī)

在天然氣液化節(jié)流、LNG 儲(chǔ)存以及裝卸等過程中均會(huì)產(chǎn)生BOG，BOG 具有低壓、 低溫以及氣量波動(dòng)大的特點(diǎn)。 在BOG 壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)選型中需要充分考慮其特點(diǎn)，進(jìn)行多方案對(duì)比［10］。

LNG 工廠BOG 壓縮機(jī)的選型需結(jié)合工廠規(guī)模和建設(shè)水平進(jìn)行， 根據(jù)BOG 是否加熱以及加熱的程度可分為超低溫（如-150 ℃）、低溫（如-30 ℃）以及常溫（如0～20 ℃）運(yùn)行方案。 BOG 溫度越高，能耗越高，相應(yīng)的壓縮機(jī)投資越低。 由于我國超低溫閃蒸氣壓縮機(jī)技術(shù)尚處于開發(fā)階段，僅個(gè)別廠家有少量業(yè)績，而進(jìn)口超低溫臥式往復(fù)壓縮機(jī)和立式迷宮式壓縮機(jī)價(jià)格高、 生產(chǎn)工期長，國內(nèi)大量LNG 工廠采用低溫以及常溫運(yùn)行方案。 采用低溫和常溫方案，排氣壓力較低時(shí)適宜選擇螺桿式壓縮機(jī)，通過滑閥實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)10%～100%的負(fù)荷調(diào)節(jié)，適應(yīng)BOG 氣量波動(dòng)大的特點(diǎn)，且無需設(shè)置備機(jī)；排氣壓力較高時(shí)受到螺桿壓縮機(jī)排氣壓力的限制，多采用往復(fù)式壓縮機(jī)。

LNG 接收站一般需設(shè)置2 臺(tái)及以上壓縮機(jī)， 便于LNG 卸船時(shí)多機(jī)運(yùn)行，非卸船工況時(shí)單機(jī)運(yùn)行，通常不對(duì)BOG 進(jìn)行加熱，有超低溫（如-150 ℃）臥式往復(fù)壓縮機(jī)以及立式迷宮式壓縮機(jī)供選擇，兩種機(jī)型均有成熟業(yè)績。

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)的選擇

LNG 工藝中再生氣壓縮機(jī)、BOG 壓縮機(jī)及小型的制冷劑壓縮機(jī)功率較小，可選擇使用電動(dòng)機(jī)或者燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，且以電動(dòng)機(jī)居多。在大型LNG 工廠中，原料氣壓縮機(jī)與冷劑壓縮機(jī)往往功率較大，其壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)三種可供選擇［11-13］。

燃?xì)廨啓C(jī)是采用天然氣為燃料的驅(qū)動(dòng)機(jī)，其燃料來源較為便利。自20 世紀(jì)70 年代以來，燃?xì)廨啓C(jī)廣泛用作基地型LNG 工廠的驅(qū)動(dòng)機(jī)， 國內(nèi)鄯善、 廣匯以及海南LNG 工廠均有采用。 燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度很高，熱能損失很大，存在著能源整體效率較低、運(yùn)行可靠性差的不足。同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的效率對(duì)負(fù)荷的變化非常敏感，當(dāng)負(fù)荷低于額定負(fù)荷的70%時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的效率顯著降低。另外燃?xì)廨啓C(jī)的檢修周期間隔較短，檢修費(fèi)用高。 相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)方式，燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)復(fù)雜，定型和完善的周期長，目前各主要燃?xì)廨啓C(jī)制造廠商的產(chǎn)品均是按標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，不能提供與壓縮機(jī)軸功率緊密配合的非標(biāo)燃?xì)廨啓C(jī)，因此在選擇燃?xì)廨啓C(jī)做驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)需要進(jìn)行壓縮機(jī)匹配性研究。

工業(yè)汽輪機(jī)利用蒸汽作為驅(qū)動(dòng)來源，汽輪機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、功率大、經(jīng)濟(jì)性好、性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)，20 世紀(jì)60～80 年代時(shí)已在基本負(fù)荷型LNG 工程中普遍用于冷劑壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)。 相對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，蒸汽輪機(jī)的部件通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高，設(shè)計(jì)和制造成本低，生產(chǎn)周期短，且汽輪機(jī)型號(hào)多樣化，可以根據(jù)壓縮機(jī)軸功率的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，使壓縮機(jī)與汽輪機(jī)的配合達(dá)到最優(yōu)化。 由于汽輪機(jī)效率較低，且LNG 工廠中一般缺乏蒸汽來源，限制了汽輪機(jī)在缺乏淡水的LNG 工廠中的應(yīng)用。

采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是設(shè)備簡單、可靠、易于維修；無固定大修期，可頻繁啟動(dòng)、噪音低、無灰塵、無粉塵污染；在輕載狀態(tài)下消耗很低；一次投資較低，使用壽命長，安裝維修費(fèi)用低。但在LNG 工廠中，大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)往往需要增加變頻器（或液力耦合），大型變頻器+電動(dòng)機(jī)需要大容量電廠的配合，還需要較多的大功率輸電線路、輸配電等設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜。

因此，LNG 工廠中大功率的冷劑壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇需要對(duì)外界條件、經(jīng)濟(jì)投資等因素進(jìn)行綜合考慮后才能確定。

5 壓縮機(jī)冷卻方式的選擇

壓縮機(jī)冷卻方式主要有風(fēng)冷、水冷、風(fēng)冷+水冷、水冷+水冷四種方式。 風(fēng)冷主要是空氣通過空氣冷卻器帶走熱量，主要用于年平均氣溫低于25 ℃的地區(qū)以及無水或缺水地區(qū)，冷卻后的氣體溫度高于環(huán)境溫度10～15 ℃，但是不適用于溫度較高的濕熱地區(qū)，同時(shí)空冷裝置占地較大。 水冷主要采用循環(huán)水經(jīng)水冷卻器換熱帶走熱量，冷卻后的介質(zhì)溫度一般高于循環(huán)水進(jìn)水溫度5～10 ℃，冷卻效果好，但用水量較大，需要設(shè)置循環(huán)水冷卻塔設(shè)備且定期清理。 風(fēng)冷+水冷也稱混冷方式，即水冷卻器系統(tǒng)中的水封閉循環(huán)，冷卻后的熱水再由空氣通過空氣冷卻器帶走熱量。LNG 工廠中，分子篩再生氣壓縮機(jī)、BOG 壓縮機(jī)、原料氣壓縮機(jī)等對(duì)冷卻后的溫度要求不高，一般優(yōu)先考慮風(fēng)冷（濕熱地區(qū)除外），達(dá)到節(jié)能目的。

制冷劑壓縮機(jī)冷卻方式的選擇需要根據(jù)冷劑的冷凝點(diǎn)來確定。 冷劑循環(huán)是壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)、壓縮的循環(huán)過程。 冷劑氣體經(jīng)壓縮后需在出口壓力下冷卻冷凝，對(duì)于采用空冷方式的環(huán)境溫度較高地區(qū)，在相同條件下與水冷方式相比，冷劑只有在更高的壓縮機(jī)出口壓力下才會(huì)冷凝，導(dǎo)致冷劑壓縮機(jī)功率增大。 因此有混合冷劑壓縮機(jī)采用先空冷， 后水冷方式將冷劑氣體冷凝，其目的是為更好地節(jié)約循環(huán)水用量。

6 結(jié)論

LNG 處理過程中需要綜合考慮工藝、介質(zhì)、環(huán)境與投資等因素來確定壓縮機(jī)的型式、驅(qū)動(dòng)方式與冷卻方式等。 選型往往抓住主要矛盾，根據(jù)技術(shù)、成本、可靠性、能耗等方面選擇一個(gè)較優(yōu)、更適合工藝流程的壓縮機(jī)。 本文基于往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)的特性和適用范圍， 通過分析LNG 液化工廠中的原料氣、分子篩脫水裝置的再生氣、天然氣液化制冷劑和BOG 的增壓過程中工藝要求和介質(zhì)特點(diǎn)，提出LNG 工藝中壓縮機(jī)選型原則與方法。 基于以上壓縮機(jī)選型結(jié)果，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)、 蒸汽輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)三種壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)， 以及地理環(huán)境對(duì)壓縮機(jī)冷卻方式的影響， 提出了LNG 處理過程中壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇原則和冷卻方式的選擇方法，為LNG 工廠中壓縮機(jī)及其驅(qū)動(dòng)方式和冷卻方式的合理選型提供了原則和方法。

［1］ 顧安忠. 液化天然氣技術(shù)［M］. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2004.437-465.Gu Anzhong. Liquefied Natural Gas （LNG）Technology［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2004.437-465.

［2］ 王海博，孫文宇，單衛(wèi)國.2013 年中國天然氣市場(chǎng)年中回顧與展望［J］. 國際石油經(jīng)濟(jì)，2013，21（10）：92-95.Wang Haibo，Sun Wenyu，Shan Weiguo. Retrospect and Prospect of China's Natural Gas Market in 2013［J］. International Petroleum Economics，2013，21（10）：92-95.

［3］ 賀 靜， 錢伯章. 石油消費(fèi)持續(xù)低迷 能源市場(chǎng)變化加劇—BP 公司2013 年世界能源統(tǒng)計(jì)綜述［J］.中國石油和化工經(jīng)濟(jì)分析，2013，（8）：27-34.He Jing，Qian Bozhang.BP Statistical Review of World Energy Company 2013-Oil Consumption Downturn Exacerbated by Changes in the Energy Market ［J］. China Petroleum and Chemical Industry Economic Analysis，2013，（8）：27-34.

［4］ 李 兵，程香軍，陳功劍.LNG 接收站BOG 處理技術(shù)優(yōu)化［J］. 天然氣與石油，2012，30（5）：27－30.Li Bing, Cheng Xiangjun, Chen Gongjian. Optimization of BOG Treatment Process in LNG Terminal［J］.Natural Gas and Oil,2012,30（5）：27-30.

［5］ 錢伯章，朱建芳，世界液化天然氣的現(xiàn)狀及展望［J］. 天然氣與石油，2008,26（4）：34－38.Qian Bozhang, Zhu Jianfang. Present Situation and Prospect of LNG in the World［J］.Natural Gas and Oil,2008,26（4）：34-38.

［6］ 陳賡良. 天然氣液化流程的發(fā)展及其有效能分析 ［J］. 天然氣與石油，2013，31（1）：27-32.Chen Gengliang. Development and Available Energy Aualysis of Natural Gas Liquefaction Process［J］. Natural Gas and Oil,2013,31（1）：27-32.

［7］ 夏 丹，鄭云萍，李劍峰，等. 浮式液化天然氣技術(shù)綜述［J］.天然氣與石油，2013，31（3）：9－13.Xia Dan,Zheng Yunping,Li Jianfeng.et al.Review on floating LNG Production Facility Technology［J］. Natural Gas and Oil,2013,31(3)：9-32.

［8］ 郁永章. 壓縮機(jī)工程手冊(cè)［M］. 北京： 中國石化出版社，2012.34-45.Yu Yongzhang.Compressor Engineering Handbook［M］. Beijing：China Petrochemical Press，2012.34-45.

［9］ 宣建寅，王銀亮，祖丙訶，等. 天然氣增壓壓縮機(jī)組的選擇［J］. 油氣田地面工程，2004，23（10）：34-35.Xuan Jianyin，Wang Yinliang，Zu Bingke. Selection of Natural Gas Booster Compressors［J］. Oil-Gasfield Surface Engineering，2004，23（10）：34-35.

［10］ 葉忠志，張園星. 液化天然氣BOG 壓縮機(jī)選型分析［J］.石油和化工設(shè)備，2013，16（3）：61-63.Ye Zhongzhi， Zhang Yuanxing. Selection of LNG BOG compressor ［J］.Petroleum and Chemical Equipment，2013，16（3）：61-63.

［11］ 宋昕海.工業(yè)汽輪機(jī)作為天然氣液化工廠制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的評(píng)述［J］.化學(xué)工程與裝備，2011，（12）：166-167.Song Xinhai.Review of Steam Turbine as a Driven Equipment of Refrigeration Compressor in LNG Plant ［J］.Chemical Engineering&Equipment，2011，（12）：166-167.

［12］ 宋昕海， 蔡憲和. 燃?xì)廨啓C(jī)作為天然氣液化工廠制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的評(píng)述［J］.化學(xué)工程與裝備，2012， （1）：122-123.Song Xinhai，Cai Xianhe.Review of Gas turbine as a Driven Equipment of Refrigeration Compressor in LNG Plant［J］.Chemical Engineering&Equipment，2012，（1）：122-123.

［13］ 宋昕海， 蔡憲和. 變頻電動(dòng)機(jī)作為天然氣液化工廠制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的評(píng)述［J］. 化學(xué)工程與 裝備，2012，（2）：123-124.Song Xinhai， Cai Xianhe. Review of Frequency Motor as a Driven Equipment of Refrigeration Compressor in LNG Plant［J］. Chemical Engineering & Equipment，2012，（2）：123-124.