邢鈞，陳浩明，徐繼金，陳然

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東 泰安 271033）

超低溫BOG氣體迷宮活塞壓縮機(jī)特點(diǎn)研究

邢鈞，陳浩明，徐繼金，陳然

（山東泰安昆侖能源有限公司，山東 泰安 271033）

在LN G液化工廠和接收站中，BO G氣體壓縮機(jī)是維持LN G儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定、保證生產(chǎn)安全的關(guān)鍵設(shè)備；針對(duì)BO G氣體的超低溫、極干特性，設(shè)計(jì)制造時(shí)對(duì)壓縮機(jī)可靠性提出了更高的要求，本文從密封機(jī)理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、耐低溫材料、氣量調(diào)節(jié)等方面入手對(duì)超低溫進(jìn)氣迷宮活塞式壓縮機(jī)組的特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

迷宮活塞式BO G壓縮機(jī)；迷宮密封；N i-ResistD-5；組合式氣量調(diào)節(jié)

1　概述

1.1定義

超低溫BOG氣體壓縮機(jī)是指在LNG液化工廠和接收站中，用于處理LNG儲(chǔ)罐中閃蒸出的過量BOG低溫氣體，維持儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定、保證安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備。

1.2介質(zhì)屬性

LNG是一種通過深冷技術(shù)將天然氣降溫至-162℃從氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)存儲(chǔ)利用的清潔能源；一般存儲(chǔ)于常壓儲(chǔ)罐（-1.5～23kPa）中。BOG氣體指在LNG存儲(chǔ)過程中，因進(jìn)入儲(chǔ)罐前節(jié)流降壓、儲(chǔ)罐自身漏熱等因素影響閃蒸出的超低溫氣體，主要成分包含甲烷（90%以上）、乙烷、氮?dú)饧吧倭康腃3、C5烷烴，屬易燃易爆介質(zhì)。

1.3技術(shù)要點(diǎn)

易燃易爆介質(zhì)。介質(zhì)為易燃易爆氣體，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮機(jī)組防泄漏措施及漏氣回收辦法，禁止氣體外泄。

壓力比大。壓力比可達(dá)12-18，一般采用兩級(jí)或三級(jí)壓縮，應(yīng)充分考慮各級(jí)壓縮后排氣溫度及溫升。

入口溫度低。從LNG儲(chǔ)罐直接抽取BOG氣體，進(jìn)氣溫度可低至-160℃，材料選擇時(shí)充分考慮低溫下材料的應(yīng)力與強(qiáng)度問題、變形問題及低溫下的潤(rùn)滑問題。

極干性氣體。LNG閃蒸氣屬于極干性氣體，常規(guī)填充PTFE自潤(rùn)滑活塞環(huán)應(yīng)用于BOG氣體壓縮時(shí)壽命很短。

2　迷宮密封

2.1密封機(jī)理

迷宮密封是一種非接觸式動(dòng)密封，通過若干相對(duì)運(yùn)動(dòng)的迷宮曲折通道阻止氣體從高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏。如圖所示，活塞與氣缸作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在一定的小間隙下部分氣體通過迷宮齒槽時(shí)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)近似于理想狀態(tài)下的節(jié)流膨脹過程；氣體從高壓側(cè)通過節(jié)流點(diǎn)時(shí)，由于流通截面突然收縮，流速增加，部分壓能轉(zhuǎn)變?yōu)樗倌?；而后進(jìn)入齒槽空腔，容積突然增大，氣流在空腔中形成漩渦消耗能量，速能轉(zhuǎn)變渦流能和熱能；經(jīng)過連續(xù)均布節(jié)流點(diǎn)和齒槽空腔的重復(fù)作用，高壓側(cè)泄漏氣體壓力逐步降至與低壓側(cè)壓力相同，從而達(dá)到密封的目的（圖1）。

2.2泄漏量的影響因素

迷宮式密封泄漏量的分析一般選用Dr.A.Stodola理論式：

式中：QL—穿過迷宮密封的氣體泄漏量，m3/ min；QV—?dú)飧坠Q容積流量，m3/min；φ— 迷宮槽形狀系數(shù)；Z—迷宮齒槽數(shù)量；C1—吸氣管內(nèi)音速，m/s；Cm—活塞的平均速度，m/s；δ/D—活塞間隙率；P2/ P1—所屬級(jí)壓比。

由公式可知，迷宮密封的泄漏量不僅與密封徑向間隙和齒槽數(shù)量有關(guān)，還與活塞平均運(yùn)動(dòng)速度、所屬級(jí)壓比、活塞間隙率等因素息息相關(guān)。一般來說，可以通過提高活塞平均速度和增加齒槽數(shù)目等方法改善密封效果；保證迷宮密封徑向間隙在整個(gè)圓周方向的均勻一致性也是減少泄漏，避免偏磨的一個(gè)重要因素。

圖1　 迷宮活塞壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3保證密封效果的先決條件

在活塞高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，為保證運(yùn)動(dòng)過程中密封間隙在整個(gè)圓周方向的一致性，避免偏磨，因此對(duì)活塞桿導(dǎo)向系統(tǒng)的精準(zhǔn)性提出了更高的要求。確?；钊麠U導(dǎo)向定心技術(shù)精確的控制點(diǎn)主要有：

（1）活塞與活塞桿同軸度?；钊c活塞桿組裝后要求絕對(duì)同心。通?；钊箖啥宋膊吭O(shè)計(jì)成圓錐形，與氣缸壁形成收斂性空間，活塞運(yùn)動(dòng)過程中壓縮氣體對(duì)活塞產(chǎn)生自動(dòng)定心力。（2）十字頭與導(dǎo)向軸承共同作用。相比臥式布置壓縮機(jī)組，立式迷宮壓縮機(jī)無支撐環(huán)部件，無法像臥式機(jī)組構(gòu)成十字頭-支撐環(huán)兩點(diǎn)式導(dǎo)向系統(tǒng)。并且立式迷宮機(jī)組活塞組件在豎直方向做線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣體壓力及組件自身重量的共同作用容易導(dǎo)致活塞桿振動(dòng)，造成偏磨和泄漏增加，僅靠十字頭的單點(diǎn)定位是不夠的，因此需要在十字頭上部適合距離增設(shè)導(dǎo)向軸承，通過導(dǎo)向軸承和十字頭兩個(gè)約束點(diǎn)共同作用，保證活塞組件的精確導(dǎo)向。（3）氣缸與曲軸箱同軸度。運(yùn)動(dòng)部件同軸度和導(dǎo)向定心技術(shù)得到保證后，靜止部件氣缸與曲軸箱之間同軸度也是保證密封間隙的控制點(diǎn)。

3　超低溫材料的選擇

壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度低至-160℃，氣缸材料選擇時(shí)應(yīng)充分考慮低溫下的應(yīng)力、強(qiáng)度及變形等問題。如圖所示，普通碳鋼材料溫度低于-50℃時(shí)開始變脆，無法滿足氣缸在低溫下的使用要求。

圖2　不同材料沖擊韌性隨溫度變化情況

Ni元素可以改善金屬在低溫環(huán)境中的力學(xué)性能，因此將氣缸材料選擇轉(zhuǎn)向鎳鋼。低溫氣缸制造常用的低溫材料有奧氏體不銹鋼和Ni-R esistD-5（鎳含量為35%的球墨鑄鐵）兩種，兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)基本一樣（分別為14 W/(m·k)和11 W/(m·k)）。采用有限元法對(duì)兩種材料從常溫降至-160℃時(shí)的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩種材料的應(yīng)力值均在許用范圍之內(nèi)，可以滿足低溫下的應(yīng)力和強(qiáng)度要求。

大溫差變化帶來的材料收縮變形將直接影響迷宮密封徑向間隙，為保證密封效果，避免因間隙變化而帶來磨損或泄露問題，材料選擇時(shí)應(yīng)對(duì)降溫后的密封間隙值進(jìn)行校核，盡量選擇變形量小的材料。奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為1.65×10-5/℃，而Ni-R esist D-5只有0.9×10-6/℃(所有鋼材中熱膨脹系數(shù)最小)，缸徑相同條件下Ni-R esist D-5隨溫度變化變形量更小，有利于保證活塞密封間隙和氣缸的對(duì)中性良好，低溫迷宮壓縮機(jī)氣缸材料一般選用Ni-R esist D-5（表1）。

4　立式迷宮機(jī)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4.1氣密式結(jié)構(gòu)

迷宮活塞壓縮機(jī)通常由壓縮區(qū)、隔離段和曲軸箱三部分組成。隔離段可分為敞開式、密閉吹掃式、氣密式和氣密耐壓式四種；曲軸箱根據(jù)要求不同可分為敞開吹掃式和密閉耐壓式兩類?？紤]到輸送介質(zhì)的易燃、易爆特性，為防止氣體外泄進(jìn)入周圍環(huán)境，BOG迷宮壓縮機(jī)隔離段和曲軸箱一般選用氣密式結(jié)構(gòu)，曲軸兩端設(shè)有機(jī)械氣密密封，整個(gè)腔體構(gòu)成一個(gè)密閉的空間，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有少量泄露氣體進(jìn)入隔離室和曲軸箱內(nèi)，當(dāng)密封腔內(nèi)壓力與壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力相等時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。腔體設(shè)有氮?dú)獯祾吖苈?，正常運(yùn)行時(shí)閥門關(guān)閉，腔內(nèi)充滿BOG氣體，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，打開吹掃閥門將腔內(nèi)氣體吹掃干凈，吹掃壓力一般控制在0.3 MPa左右。正常運(yùn)行時(shí)，曲軸箱內(nèi)潤(rùn)滑油與輸送介質(zhì)直接接觸，因此要求選用潤(rùn)滑油有良好穩(wěn)定性，不能與氣體發(fā)生反應(yīng)，定期化驗(yàn)檢測(cè)潤(rùn)滑油指標(biāo)，取油樣時(shí)應(yīng)注意所選用潤(rùn)滑油密度，當(dāng)潤(rùn)滑油密度比水大時(shí)，應(yīng)從潤(rùn)滑油上層取樣。

圖3　氣密式結(jié)構(gòu)示意圖

4.2導(dǎo)向軸承

導(dǎo)向軸承部件由軸承座、導(dǎo)向軸承套、刮油環(huán)、回油管路和冷卻水道構(gòu)成。導(dǎo)向軸承上部設(shè)有刮油環(huán)組件，刮油環(huán)刮下的潤(rùn)滑油經(jīng)回油孔滴回曲軸箱油池中，可以防止曲軸箱內(nèi)的油蒸氣進(jìn)入氣體壓縮部分。導(dǎo)向軸承座中設(shè)有冷卻水道，通過循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走接觸摩擦熱，改善導(dǎo)向軸承工作條件，保證活塞桿精確導(dǎo)向。

4.3隔冷腔

在低溫氣缸下部設(shè)置隔冷腔阻止冷量向下部曲軸箱擴(kuò)散。配套設(shè)置一套單獨(dú)的閉式循環(huán)防凍液系統(tǒng)，防凍液采用乙二醇與除鹽水按1：1比例配置而成，由于選用閉式系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)循環(huán)正常，循環(huán)水泵進(jìn)出口應(yīng)保持0.1 MPa以上的壓差。乙二醇溶液在使用過程中易產(chǎn)生酸性物質(zhì)，對(duì)冷卻水管路和腔體產(chǎn)生弱腐蝕，可加入少量磷酸二氫鈉抑制腐蝕；使用過程中發(fā)生少量泄漏只需補(bǔ)充除鹽水即可，避免過量加入乙二醇造成溶液粘度增加。

4.4活塞桿迷宮密封

活塞桿迷宮密封原理與活塞密封原理相同，BOG壓縮機(jī)活塞桿密封材料選用MOTA低線性膨脹石墨。

其具有良好的干運(yùn)行減磨性和自潤(rùn)滑性、高化學(xué)穩(wěn)定性、低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。迷宮填料末級(jí)設(shè)有漏氣回收管路，泄漏的氣體通過回收管路返回壓縮機(jī)一級(jí)入口。

5　氣量調(diào)節(jié)方式

目前往復(fù)式壓縮機(jī)常用的氣量調(diào)節(jié)方式有旁路調(diào)節(jié)、進(jìn)氣閥卸荷調(diào)節(jié)、余隙容積調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等幾種。

5.1旁路調(diào)節(jié)

往復(fù)壓縮機(jī)旁路調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流量可連續(xù)變化、各級(jí)壓力比保持不變、運(yùn)行穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于回流氣體壓縮功全部損耗掉，經(jīng)濟(jì)性差，一般只用于啟動(dòng)過程。

5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是氣量連續(xù)，調(diào)節(jié)工況比功率消耗小，各級(jí)壓力比保持不變，無需設(shè)置專門的調(diào)節(jié)裝置。應(yīng)用于迷宮活塞壓縮機(jī)時(shí)，由于迷宮密封泄漏量與活塞運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)（活塞運(yùn)動(dòng)速度一般控制在3～5 m/s），氣量調(diào)節(jié)范圍受到限制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)一般不用于迷宮活塞壓縮機(jī)。

5.3進(jìn)氣閥卸荷調(diào)節(jié)

通過安裝在進(jìn)氣閥上的卸荷器將閥片壓開，使進(jìn)氣閥始終保持打開狀態(tài)，活塞壓縮行程受壓后的氣體因進(jìn)氣閥全開又被壓回進(jìn)氣管路，從而實(shí)現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)。對(duì)于一個(gè)雙作用氣缸，一側(cè)進(jìn)氣閥壓開時(shí)排氣量降至50%，兩側(cè)同時(shí)壓開時(shí)排氣量降為0%，因此對(duì)于一個(gè)雙作用氣缸可實(shí)現(xiàn)排氣量的0%、50%、100%三級(jí)調(diào)節(jié)。

5.4余隙容積調(diào)節(jié)法

在氣缸蓋側(cè)除固定的余隙容積外，另外設(shè)置一定的空腔，調(diào)節(jié)時(shí)打開余隙容積調(diào)節(jié)閥，將空腔接入氣缸工作腔，使余隙容積增大，容積系數(shù)減小，從而降低壓縮機(jī)排氣量；通過調(diào)整空腔容積，可以實(shí)現(xiàn)蓋側(cè)排氣量的0～50%無極調(diào)節(jié)。

5.5進(jìn)氣閥卸荷與余隙容積調(diào)節(jié)組合使用

進(jìn)氣閥卸荷和余隙容積調(diào)節(jié)組合使用可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的氣量調(diào)節(jié)。以兩列兩級(jí)壓縮機(jī)為例，單獨(dú)采用進(jìn)氣閥卸荷法只能實(shí)現(xiàn)氣量的0%、50%、100%三級(jí)調(diào)節(jié)通過與余隙容積調(diào)節(jié)方式組合使用，在蓋側(cè)增加余隙空腔和余隙空腔啟閉閥，假定余隙腔啟閉閥打開后蓋側(cè)排氣量降低一半，則通過卸荷控制閥和余隙腔調(diào)節(jié)閥的組合控制可以實(shí)現(xiàn)氣量的0%、25%、50%、75%、100%五級(jí)調(diào)節(jié)。

6　結(jié)論

（1）35Ni球墨鑄鐵在低溫下優(yōu)秀的力學(xué)性能和極低的熱膨脹系數(shù)，允許BOG迷宮壓縮機(jī)無需預(yù)冷直接啟動(dòng)。（2）迷宮密封的泄漏量不僅與密封間隙、齒槽數(shù)目有關(guān)，組件同軸度、導(dǎo)向系統(tǒng)的精確性也是保證密封效果關(guān)鍵因素。（3）迷宮密封的使用解決了低溫下的摩擦與潤(rùn)滑問題，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行周期，降低了活塞環(huán)等易損件的成本投入。（4）壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝特點(diǎn)，綜合考慮操作便利性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠性等因素進(jìn)行選擇。

[1]郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]戴曉洲，應(yīng)洪山，范吉全，翟曉寧.迷宮式活塞壓縮機(jī)迷宮密封及結(jié)構(gòu)分析[J].化工機(jī)械，2000(02).

表1　35Ni球墨鑄鐵牌號(hào)對(duì)照表

TQ 051.3

A

1671-0711（2016）09（下）-0106-03