徐 繼 業(yè)

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BOD低溫往復(fù)壓縮機(jī)

徐 繼 業(yè)

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116085）

BOG壓縮機(jī)是低溫往復(fù)壓縮機(jī)的一種，是液化天然氣接收站的“心臟”，正是通過(guò)它不斷地把BOG壓縮后冷凝成液體來(lái)控制低溫儲(chǔ)罐的壓力和溫度，從而保證LNG儲(chǔ)罐的正常安全運(yùn)行。由于BOG（蒸發(fā)氣）溫度低至-163～-40 ℃ ，對(duì)承受交變載荷的壓縮機(jī)零部件材料在低溫狀態(tài)下的冷脆斷裂、冷縮變形、低溫密封、低溫隔熱、絕熱保冷等一直是國(guó)內(nèi)外研究分析的重要課題。

國(guó)內(nèi)外比較；立式優(yōu)缺點(diǎn)；臥式優(yōu)缺點(diǎn)；國(guó)產(chǎn)化

在執(zhí)行LNG生產(chǎn)及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施研究課題—LNG工廠、接收站工程化研究專題時(shí)，筆者接觸到了BOG壓縮機(jī)［1］，BOG壓縮機(jī)是液化天然氣接收站的“心臟”，如何耐低溫一直是國(guó)內(nèi)外研究分析的重要課題，國(guó)產(chǎn)化也一直是重中之重，下面簡(jiǎn)單介紹下BOG壓縮機(jī)的特點(diǎn)及國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀比較

1.1 國(guó)外

由于迷宮壓縮機(jī)制造技術(shù)難度較大，原材料選用嚴(yán)格，機(jī)械加工與裝配精度要求特別高，目前世界上只有瑞士、日本等為數(shù)不多的幾個(gè)國(guó)家能夠制造生產(chǎn)，而對(duì)于介質(zhì)溫度為-163 ℃的迷宮式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)其低溫材料的試驗(yàn)研究和選用仍是技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)，根據(jù)掌握的信息來(lái)看，僅瑞士布克哈德公司(BURCKHARDT)具有這方面成熟設(shè)計(jì)制造能力，可實(shí)現(xiàn)吸氣溫度在-103～-162 ℃的乙烯、甲烷等氣化蒸氣壓縮機(jī)制造。

1.2 國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)低溫領(lǐng)域的低溫往復(fù)式壓縮機(jī)介質(zhì)溫度一般為-20～-40℃范圍，而對(duì)于溫度低至-100℃以下的氣化蒸汽的低溫迷宮式壓縮機(jī)研究開(kāi)發(fā)在2008年前仍處于空白階段。以致國(guó)內(nèi)石化裝置的烴類蒸發(fā)氣低溫?zé)o油迷宮壓縮機(jī)仍然完全依靠進(jìn)口。

2 國(guó)外-163℃低溫壓縮機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

國(guó)外低溫往復(fù)壓縮機(jī)布置形式為立式，由于BOG（蒸發(fā)氣）溫度低至-163 ℃ ，對(duì)承受交變載荷的壓縮機(jī)零部件材料在低溫狀態(tài)下的冷脆斷裂、冷縮變形、低溫密封、低溫隔熱、絕熱保冷等方面構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)，下面介紹BOG壓縮機(jī)是怎樣應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的。國(guó)外低溫壓縮機(jī)示意圖見(jiàn)圖1。

2.1 國(guó)外-163 ℃立式低溫壓縮機(jī)特點(diǎn)

2.1.1 迷宮式填料環(huán)和迷宮式活塞桿填料

由于LNG極低的氣體溫度， 沒(méi)有濕度（因露點(diǎn)很低），在無(wú)油潤(rùn)滑（有油潤(rùn)滑）區(qū)域中會(huì)加劇材料間的研磨，因此需采用非接觸密封且必須保證氣缸無(wú)油潤(rùn)滑。迷宮密封系統(tǒng)很好的解決了這兩個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗菬o(wú)油潤(rùn)滑的非接觸密封系統(tǒng)。

圖1 國(guó)外低溫壓縮機(jī)示意圖

2.1.2 迷宮密封系統(tǒng)的簡(jiǎn)要介紹

沿活塞和活塞桿填料的許多很小的節(jié)氣點(diǎn)形成了迷宮密封系統(tǒng)。這些節(jié)氣點(diǎn)由于氣流流動(dòng)受到限制，壓力能就被轉(zhuǎn)變成為動(dòng)能。直到達(dá)到所需要的壓降。通過(guò)密封系統(tǒng)的少量氣體在內(nèi)部回收。

由于在相鄰的表面之間，保持著小的間隙，在壓縮區(qū)內(nèi)不存在摩擦，也沒(méi)有熱點(diǎn)，密封不會(huì)發(fā)生磨損，因此這種非接觸式密封系統(tǒng)經(jīng)久耐用和可靠。迷宮密封迷宮密封內(nèi)部氣流示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 迷宮密封內(nèi)部氣流示意圖

1—迷宮活塞；2—?dú)飧變?nèi)壁；3—節(jié)流點(diǎn)；4—密封室；5—渦旋

2.1.3 迷宮式填料環(huán)

迷宮活塞即活塞上的填料環(huán)采用迷宮密封，特點(diǎn)是非接觸密封，部件唯一，僅有金屬材質(zhì)，使用壽命長(zhǎng)。迷宮活塞示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 迷宮活塞示意圖

2.1.4 迷宮式活塞桿填料

（1）非接觸密封

（2）填料泄漏的氣體通過(guò)引管引回一級(jí)入口緩沖罐。

迷宮式活塞桿示意圖見(jiàn)圖4。

(1) 軟式排水管。軟式排水管是一種能側(cè)向集水的軟管，其管體由承力的螺旋鋼絲及其管壁組成，管壁由內(nèi)外兩層纖維交叉的編織布和中間的無(wú)紡?fù)凉げ冀M成。管壁的這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有側(cè)向透水反濾和縱向排水的雙重功能(如圖2所示)。本試驗(yàn)采用的軟式透水管單位面積質(zhì)量400 g/m2，厚1.5 mm，等效孔徑O95為0.226 mm。試驗(yàn)前將軟式排水管管壁按照《土工織物材料測(cè)試規(guī)程》[42](SL 235—2012)裁剪成相應(yīng)的試樣，即直徑為100 mm和直徑為150 mm的圓形試樣。

圖4 迷宮式活塞桿示意圖

2.1.5 活塞桿導(dǎo)向軸承

為減少活塞桿運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)量，活塞桿采用導(dǎo)向軸承定為導(dǎo)向，保證活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)精確對(duì)中。導(dǎo)向軸承上設(shè)有刮油環(huán)，避免潤(rùn)滑油向上竄流，保證氣體潔凈。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）軸承襯套可更換;（2）采用濺油式潤(rùn)滑。活塞桿導(dǎo)向軸承示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 活塞桿導(dǎo)向軸承示意圖

2.1.6 隔冷腔

一級(jí)氣缸缸體不進(jìn)行通水冷卻，為防止缸內(nèi)低溫?cái)U(kuò)散，在氣缸與曲軸箱間設(shè)置隔冷腔（見(jiàn)下圖），阻止低溫傳入曲軸箱，采用乙二醇防凍液進(jìn)行冷熱交換，實(shí)現(xiàn)阻斷冷傳遞，確保機(jī)身及運(yùn)動(dòng)部件不受低溫的影響，保證壓縮機(jī)正常安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.7 螺栓安全系統(tǒng)

（1）制鎖墊圈

制鎖墊圈廣泛應(yīng)用在低溫壓縮機(jī)裝置內(nèi)，以確保壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性。

（2）鋼絲螺套

鋼絲螺套（見(jiàn)下圖）能增強(qiáng)螺孔強(qiáng)度；改善螺紋受力分布，提高動(dòng)載荷強(qiáng)度；表面光潔度提高螺釘承載能力；螺孔修理的理想方法；改善螺釘?shù)穆菅朗芰?；裝卸方便，易于更換；在低溫條件下可對(duì)物理變形進(jìn)行彈性補(bǔ)償。

2.1.8 雙端面機(jī)械密封

壓縮機(jī)曲軸軸伸端采用雙端面機(jī)械密封［2］，結(jié)構(gòu)，保證機(jī)組為全封閉型式，避免工藝介質(zhì)泄露，大幅提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及可靠性。

2.2 國(guó)外-163 ℃立式低溫壓縮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

2.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）占地面積?。?/p>

（2）由于體積小，基本都可以實(shí)現(xiàn)撬裝供貨。

2.2.2 缺點(diǎn)

（1）不平衡力較大，需要較大的基礎(chǔ)，振動(dòng)較大；

（2）重心較高；

（3）管道位置較高，支撐困難，引起的振動(dòng)因素較多；

（4）總效率低，迷宮密封壓縮機(jī)應(yīng)用區(qū)域有限；

（5）維護(hù)困難，需要一定的技藝。

3 國(guó)內(nèi)-40 ℃臥式低溫壓縮機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)-40℃臥式低溫往復(fù)式壓縮機(jī)采用水平對(duì)稱平衡型布置［3］，能很好地平衡軸向力，它與普通的往復(fù)壓縮機(jī)的區(qū)別是第一級(jí)接觸低溫氣體的氣缸使用了低溫材質(zhì)，一般選用16MnDR［4］材質(zhì)，其它地方和普通壓縮機(jī)大同小異。國(guó)內(nèi)臥式往復(fù)低溫壓縮機(jī)示意圖見(jiàn)圖6。

3.2 國(guó)內(nèi)-40 ℃臥式低溫壓縮機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）易于實(shí)現(xiàn)平衡；

（2）重心較低，抗地震安全性好；

（3）管道位置較低，易于牢固支撐，振動(dòng)較?。?/p>

（4）效率高，只有較小的滑動(dòng)磨損及細(xì)微的泄露損失；

（5）維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖6 國(guó)內(nèi)臥式往復(fù)低溫壓縮機(jī)示意圖

3.2.2 缺點(diǎn)

（1）占地面積大

（2）如果機(jī)型綜合活塞力［5］超過(guò)16 t的話，不能撬裝供貨，現(xiàn)場(chǎng)安裝比較困難，供貨期較長(zhǎng)，大約3～6個(gè)月。

4 供貨商情況

4.1 進(jìn)口情況

目前世界上只有瑞士布克哈德等少數(shù)公司能夠設(shè)計(jì)、制造低溫-163 ℃的迷宮立式活塞壓縮機(jī)。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的LNG接收站都采用了布克哈德的壓縮機(jī)，其中包括LNG大連接收站和LNG唐山接收站和LNG福建接收站等。

4.2 國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

-40℃臥式低溫往復(fù)壓縮機(jī)國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很成熟經(jīng)驗(yàn)，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)、沈陽(yáng)遠(yuǎn)大以及無(wú)錫壓縮機(jī)廠都有業(yè)績(jī)，且運(yùn)行良好。

-163 ℃臥式低溫壓縮機(jī)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)廠家正在技術(shù)攻關(guān)。

受國(guó)家能源局委托，中油組織的國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目—山東泰安60萬(wàn)t/a 4K-300MG-55/0.1-17型首臺(tái)套低溫BOG迷宮壓縮機(jī)，經(jīng)沈陽(yáng)遠(yuǎn)大壓縮機(jī)股份有限公司16個(gè)月的攻關(guān)研制，于2013年1月正式進(jìn)行了工況模擬試驗(yàn)試車，實(shí)驗(yàn)過(guò)程全部按實(shí)際工藝條件的要求，壓縮機(jī)進(jìn)口溫度最低達(dá)到-192 ℃，排氣壓力達(dá)到工藝要求的1.7 mPa，機(jī)組的振動(dòng)、各部位的運(yùn)行參數(shù)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目研發(fā)成功，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大型BOG低溫?zé)o油迷宮壓縮機(jī)的空白，整機(jī)水平將接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

從國(guó)家戰(zhàn)略考慮，打破了國(guó)外壟斷的局面，有效的抑制同類設(shè)備進(jìn)口價(jià)格。在本類設(shè)備的價(jià)格方面，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品價(jià)格通常為進(jìn)口產(chǎn)品的0.5倍左右，具有較為顯著地價(jià)格優(yōu)勢(shì)，為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約大量資金，也為國(guó)家節(jié)約大量的外匯支出。

由此看出，BOG壓縮機(jī)加速國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，替代進(jìn)口的天然氣液化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備—低溫BOG壓縮機(jī)是完全可行的。

［1］ 顧安忠，主編. 液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010-01．

［5］ 離心泵與轉(zhuǎn)子泵的軸封系統(tǒng)(API682-3th)[R]. 美國(guó)石油學(xué)會(huì).

［3］ 石油、化學(xué)和氣體工業(yè)設(shè)施用往復(fù)壓縮機(jī)(API618-4th)[R]. 美國(guó)石油學(xué)會(huì)．

［4］ GB150壓力容器[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011-11.

［5］ 郁永章，主編. 容積式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000-11.

BOD Low Temperature Reciprocating Compressor

XU JI-Ye

（China Petroleum Engineering & Construction Corp. Dalian Branch, Liaoning Dalian 116085，China）

BOG compressor is a kind of low temperature reciprocating compressor, and is the "heart" LNG receiving station, it compresses and condensates the BOG into liquid constantly to control the pressure and temperature of the low temperature storage tank, so as to ensure the normal safe operation of LNG tanks. The BOG(evaporation gas) temperature is in the range of -163~-40 ℃,so research on ductile-brittle fracture, cold deformation, sealing, heat insulation, thermal insulation cold insulation of compressor parts’ under low temperature condition and alternate load is a basic project at home and abroad.

Reciprocating compressor; LNG tanks; Thermal insulation cold insulation

TQ 052

A

1671-0460（2016）06-1201-04

2016-04-18

徐繼業(yè)（1984-），男，遼寧省大連市人，工程師，2007年畢業(yè)于沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事機(jī)械工程設(shè)計(jì)類工作。E-mail：xujiye-dl@cpecc.com.cn。