劉洋

（中石化上海工程有限公司，上海 200040）

LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐導(dǎo)致罐內(nèi)LNG體積變化，以及大氣壓變化、環(huán)境溫度、罐內(nèi)泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等外界能量的輸入也稱作“漏熱”，會(huì)產(chǎn)生大量的LNG閃蒸氣（BOG），造成罐內(nèi)壓力的不穩(wěn)定，處理掉過量的閃蒸氣非常關(guān)鍵。處理閃蒸氣的核心設(shè)備是BOG壓縮機(jī)，在LNG儲(chǔ)運(yùn)中起到重要作用。與大型LNG儲(chǔ)罐不同的是小型LNG全容罐的內(nèi)罐底板與外罐間有一定厚度的泡沫玻璃磚作為隔熱保冷，且外罐與基礎(chǔ)間的傳熱接觸面積較小，傳熱量較少，可忽略不計(jì)。主要考慮設(shè)備運(yùn)行過程中不同工況時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的閃蒸氣量，對(duì)閃蒸氣量的參數(shù)分析，計(jì)算出BOG壓縮機(jī)的預(yù)處理量，同時(shí)需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)壓縮機(jī)在一次性投資成本、運(yùn)行成本及現(xiàn)場(chǎng)安裝難易等多方面進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)行壓縮機(jī)選型。

1 BOG壓縮機(jī)

目前市場(chǎng)上小型LNG儲(chǔ)罐實(shí)際的工程運(yùn)用中，一般有立式迷宮密封式、臥式對(duì)置平衡式和螺桿式三種型式的壓縮機(jī)。

1.1 BOG壓縮機(jī)型式

立式迷宮密封式、臥式對(duì)置平衡式都是往復(fù)式壓縮機(jī)，是利用容積的改變使氣體壓縮，主要有以下特點(diǎn)：

（1）進(jìn)氣溫度允許度高，可以承受低至-165 ℃的溫度。

（2）進(jìn)出口壓差大，需采用多級(jí)壓縮實(shí)現(xiàn)較大的壓縮比。

（3） 潤(rùn)滑型式采用無油潤(rùn)滑。

（4）活塞運(yùn)動(dòng)速度較低：使用經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，較高的活塞運(yùn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)較頻繁的氣閥開閉以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件較大的慣性力，對(duì)活塞環(huán)及支撐環(huán)會(huì)造成較大的磨損，從經(jīng)濟(jì)性及安全性角度考慮，要求限制活塞平均速度。

以立式迷宮密封式壓縮機(jī)為例，一般由三部分組成：

氣缸內(nèi)壓縮密封形式為非接觸式迷宮密封，無需潤(rùn)滑油，沒有活塞環(huán)、支承環(huán)等易損件；

機(jī)身內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)部分為全封閉無泄漏結(jié)構(gòu)，曲軸上設(shè)置機(jī)械式氣密密封，介質(zhì)氣體不會(huì)泄漏到大氣中，并設(shè)置活塞桿導(dǎo)向軸承確?；钊c氣缸間保持同軸度；

中間隔離段部分能防止曲軸箱潤(rùn)滑油進(jìn)入氣體壓縮部分，保證介質(zhì)氣體不被潤(rùn)滑油污染。迷宮密封保證了活塞和氣缸為非接觸式，因此工作表面沒有磨損，活塞運(yùn)動(dòng)速度也可相應(yīng)提高。

另外還有螺桿式壓縮機(jī)近幾年的應(yīng)用得到推廣。螺桿式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)都是利用容積的改變使氣體壓縮，相比較往復(fù)式壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)具有以下主要特點(diǎn)：

螺桿式壓縮機(jī)適用流量相較往復(fù)式更大，適用范圍寬，單機(jī)壓縮在大壓比工況下仍有比較高的運(yùn)行效率，雙級(jí)壓縮時(shí)，適用壓縮比更高（40以上）。螺桿式壓縮機(jī)具有效率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，但入口溫度需提升至-50 ℃以上，雖配置高效油分離器、除油器但無法避免排氣含油的情況，在特定無油要求的工藝工況下不適用。

螺桿式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，整體撬塊占地面積小，比往復(fù)式占地面積能節(jié)省20% ～ 30%；

一般配置有獨(dú)立潤(rùn)滑油泵進(jìn)行強(qiáng)制潤(rùn)滑，可有效防止殼體與轉(zhuǎn)子腐蝕，長(zhǎng)期使用磨損小。

螺桿式壓縮機(jī)整機(jī)噪音更低。相較往復(fù)式壓縮機(jī)，螺桿式壓縮機(jī)易損件少，檢修周期更長(zhǎng)，一般不小于2年，特殊配置可滿足30 000 h以上連續(xù)運(yùn)行的要求。

螺桿式壓縮機(jī)主機(jī)采用機(jī)械密封，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，可保證在最惡劣工況下介質(zhì)氣不泄漏，滿足安全運(yùn)行的要求。

1.1.1 特點(diǎn)比較

從表1可以看出，臥式對(duì)置平衡式壓縮機(jī)與立式迷宮密封式壓縮機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)。臥式機(jī)在維護(hù)難易度、重心方面占有優(yōu)勢(shì)，立式機(jī)在維護(hù)成本、可靠性方面具備優(yōu)勢(shì)。螺桿壓縮機(jī)不需要備用機(jī)，在維護(hù)難易度及重心方面具有優(yōu)勢(shì)。

表1 三種壓縮機(jī)特點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of the characteristics of three compressors

1.1.2 運(yùn)行成本比較

BOG壓縮機(jī)的選型除了要滿足工藝參數(shù)（處理量、進(jìn)氣／排氣溫度、進(jìn)氣／排氣壓力）外，還需要考慮一次性投資和后期運(yùn)營(yíng)成本等綜合因素。

立式機(jī)的一次性投資一般比臥式機(jī)高10% ～ 20%。三種壓縮機(jī)維護(hù)成本見表2（設(shè)立式機(jī)一次性投資為A）。

從表2可以看出，綜合購買成本、安裝成本及25年運(yùn)行成本，螺桿壓縮機(jī)有一定優(yōu)勢(shì)。

表2 三種壓縮機(jī)運(yùn)行成本比較Tab.2 Comparison of operating costs of three compressors

根據(jù)壓縮機(jī)的安裝特點(diǎn)、一次性投入成本及運(yùn)行成本的比較。小型LNG全容罐較為適合使用螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行處理BOG。

2 BOG壓縮機(jī)處理能力計(jì)算及選型

BOG壓縮機(jī)處理能力計(jì)算一般是基于以下兩點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)中產(chǎn)生的BOG全部被處理，沒有多余BOG需要通過火炬排放。

（2）BOG采用再冷凝工藝，經(jīng)冷凝后再氣化。

2.1 LNG儲(chǔ)罐閃蒸量計(jì)算公式

常用的LNG儲(chǔ)罐閃蒸量的計(jì)算公式有多種，但多數(shù)是以計(jì)算儲(chǔ)罐本身的蒸發(fā)率為主，不能反映多種工況下整個(gè)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的閃蒸氣量。本文采用考慮多種工況下整個(gè)儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的閃蒸量計(jì)算公式[1]。

閃蒸氣量M為環(huán)境熱輻射產(chǎn)生的閃蒸氣m1、LNG產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐產(chǎn)生的閃蒸氣m2、LNG產(chǎn)品通過泵進(jìn)入槽車產(chǎn)生的閃蒸氣m3和LNG槽車預(yù)冷產(chǎn)生的閃蒸氣m4的總和。公式如下：

M=n·m1+a·m2+b·m3+c·m4[1]

式中n——儲(chǔ)罐數(shù)量；

a—— 裝置運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)裝置正常運(yùn)行時(shí)a=1，裝置沒有運(yùn)行時(shí)a=0；

b—— LNG裝車狀態(tài)，當(dāng)LNG產(chǎn)品進(jìn)行裝車時(shí)b=1，無裝車時(shí)b=0；

c—— 預(yù)冷槽車數(shù)量，根據(jù)正在預(yù)冷的槽車的確定數(shù)量，無預(yù)冷時(shí)c=0。

（1）環(huán)境熱輻射產(chǎn)生的閃蒸氣m1計(jì)算方法如下：

式中X——LNG儲(chǔ)罐容積，m3；

ρ1——LNG密度，kg/m3。

（2）LNG產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐產(chǎn)生的閃蒸氣m2的計(jì)算方法如下：

m2=Yρ2

其中Y——LNG產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐的流量，m3/h；

ρ2——20 kPa儲(chǔ)罐閃蒸氣密度，kg/m3。

（3）LNG產(chǎn)品通過泵進(jìn)入槽車產(chǎn)生的閃蒸氣m3計(jì)算方法如下：

m3=Qρ2

其中Q——裝車泵流量，m3/h；

ρ2——20 kPa儲(chǔ)罐閃蒸氣密度，kg/m3。

（4）LNG槽車預(yù)冷產(chǎn)生的閃蒸氣m4的計(jì)算方法如下：

式中C——槽車內(nèi)氣體比熱，kJ/kg· ℃；

ρ3——槽車內(nèi)氣體密度，kg/m3；

V——槽車容積，m3；

t1——LNG產(chǎn)品儲(chǔ)存溫度，℃；

t2——空槽車溫度，℃；

H——LNG的焓，kJ/kmol；

M——LNG的分子量，kg/kmol；

T——單輛槽車預(yù)冷時(shí)間，h。

2.2 某項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

國(guó)內(nèi)西北某煤化工企業(yè)采用煤制甲醇再制烯烴工藝，在甲醇反應(yīng)生產(chǎn)烯烴的過程中會(huì)生成部分甲烷氣及氫氣。該企業(yè)擬采用深冷分離技術(shù)，通過對(duì)尾氣的分離和回收，回收氣體中的C2以上組分和LNG及氫氣等有顯著價(jià)值的產(chǎn)品。LNG儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中產(chǎn)生的BOG氣體全部送至火炬系統(tǒng)，不考慮回收。

根據(jù)工藝物料平衡計(jì)算，LNG的產(chǎn)量4 m3/h；考慮節(jié)約占地面積，擬建1 000 m3的雙金屬全容罐及相應(yīng)的BOG氣體系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 BOG氣體系統(tǒng)、裝車系統(tǒng)，工藝流程Fig.1 BOG system & loading system of process flow diagram

LNG介質(zhì)工藝數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 LNG介質(zhì)工藝數(shù)據(jù)Tab.3 LNG medium process data

2.3 數(shù)據(jù)分析

（1）工況一：LNG罐1座，n=1，LNG罐容積X= 1 000 m3，LNG產(chǎn)品進(jìn)罐流量Y= 4 m3/h，裝置停車檢修沒有運(yùn)行，a= 0，無LNG槽罐車b= 0，無LNG槽車在預(yù)冷c= 0；

（2）工況二：LNG罐1座，n= 1，LNG罐容積X= 1 000 m3，LNG產(chǎn)品進(jìn)罐流量Y= 4 m3/h，裝置正常運(yùn)行，a= 1，無LNG槽罐車b= 0，無LNG槽車在預(yù)冷c= 0；

（3）工況三：LNG罐1座，n= 1，LNG罐容積X= 1 000 m3，LNG產(chǎn)品進(jìn)罐流量Y= 4 m3/h，裝置正常運(yùn)行，a= 1，有2臺(tái)LNG槽罐車正在裝車b= 2，有2臺(tái)LNG槽車在預(yù)冷c= 2；

故，m=n·m1+a·m2+b·m3+c·m4= 18.34 +8.4 + 210 + 225.2 = 461.94 kg/h

根據(jù)上述工況分析結(jié)果可以看出，該工程LNG儲(chǔ)罐投用后閃蒸氣生產(chǎn)量根據(jù)工廠情況可能在18.34 ～ 461.94 kg/h之間波動(dòng)，即0.042 ～ 1.05 m3/h之間波動(dòng)。

2.4 螺桿壓縮機(jī)功率計(jì)算分析

（1）必要的輸入條件：

① 壓縮機(jī)進(jìn)口溫度T1、進(jìn)口壓力P1、進(jìn)口流量Q1；

② 壓縮機(jī)出口壓力P2；

③ 所用公式：T2=T1×ε（k-1）/k，k為壓縮機(jī)多變指數(shù)，ε為壓縮機(jī)的壓比。

（2）確定壓縮機(jī)各級(jí)壓比：

P1= 0.11 MPa；T1= 40 ℃；

出口排氣（絕壓）P2= 0.6 MPa；

總壓比ε=P2/P1= 5.45。

（3）排氣溫度：

按絕熱過程考慮，排氣溫度用下式：

T2=T1×ε（k-1）/k；

介質(zhì)為L(zhǎng)NG：k= 1.383；

T2= （273.15 + 40） × 5.450.383/1.383= 500.8 （K）

= 227 ℃；

如采用單級(jí)壓縮，出口溫度會(huì)達(dá)到227 ℃，對(duì)壓縮機(jī)本體機(jī)件損壞，甚至導(dǎo)致潤(rùn)滑油變質(zhì)。

（4）各級(jí)進(jìn)、排氣壓力（絕壓）：

一級(jí)：P1（一級(jí)進(jìn)口壓力）= 0.11 MPa；

P2（一級(jí)出口壓力）= 0.26 MPa；

二級(jí)：P1（二級(jí)進(jìn)口壓力）= 0.26 MPa；

P2（二級(jí)出口壓力）= 0.6 MPa。

（5）各級(jí)排氣溫度：

按絕熱過程考慮，各級(jí)排氣溫度用下式：

T2=T1×ε（k-1）/k；介質(zhì)為L(zhǎng)NG：k= 1.383；

一級(jí)：T2=T1×ε（k-1）/k= 97.3 ℃；

二級(jí)：T2= T1×ε（k-1）/k= 195 ℃；

采用二級(jí)壓縮，出口溫度為195℃。

（6）計(jì)算功率，選取電機(jī)：

根據(jù)公式：W=P1×V1×[k/ （k-1） ]×ε（k-1）/k-1，

V1=λ（容積系數(shù)） ×Q1，單位m3/s；

螺桿機(jī)的容積效率λ= 實(shí)際容積流量/理論容積流量，此參數(shù)約為≥0.9，兩級(jí)壓縮總功率W=W1+W2，根據(jù)電機(jī)型號(hào)，匹配相應(yīng)的電機(jī)。

根據(jù)上文計(jì)算結(jié)果，LNG的最大閃蒸量=1.05 m3/h×600 = 629 Nm3/h

W=W1+W2

=P1×V1× [k/ （k-1） ]×（ε（k-1）/k-1 +P2×V1×

[k/ （k-1） ]×（ε（k-1）/k-1

= 32.56 kW

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，螺桿壓縮機(jī)的總功率為32.56 kW。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)項(xiàng)目實(shí)例，通過對(duì)小型LNG全容罐閃蒸氣量計(jì)算、壓縮機(jī)型式對(duì)比、費(fèi)用比較、功率計(jì)算步驟。準(zhǔn)確地對(duì)BOG壓縮機(jī)進(jìn)了選型。從而得到一種小型LNG全容罐BOG壓縮機(jī)的選型方法。