BOG压缩机在LNG接收站的应用

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LNG接收站专栏 

行业技术

LNG（液化天然气）接收站会产生大量的蒸发气( BOG）。为维持储罐内压力稳定，必须把过量的蒸发气处理掉。

BOG 处理是接收站的关键工艺，BOG 压缩机是BOG 处理的核心设备，本文就BOG压缩机的选型、结构特点、流量控制、机组投用及运行维护等方面的内容进行了论述。

前言

在LNG接收站，对BOG 的处理是接收站安全运行的重要工艺。在卸船和储存过程中，储罐内会产生BOG（蒸发气），它的存在会使储罐压力变化，处于不稳定状态，所以需要对BOG 进行处理，维持LNG 储罐内压力的恒定。LNG（液化天然气）接收站一般采用直接输出工艺和再冷凝工艺处理BOG，对于大型LNG 接收站，由于其NG（天然气）输出压力较高，采用直接输出工艺的话能耗较高，所以直接输出工艺不适用于大型LNG 接收站。来自LNG 储罐的蒸发气和压缩机的循环蒸发气，在减温器内经来自低压输出管的LNG 降温后，进入BOG 压缩机入口缓冲罐。BOG 压缩机将蒸发气压缩到一定的压力，从再冷凝器的顶部靠下位置进入再冷凝器，罐内泵输出的部分LNG 从再冷凝器的顶部靠上位置喷入与BOG气体充分混合，由于LNG 加压后处于过冷状态，与蒸发气混合可使蒸发气再冷凝成液态。在压缩机入口管线上设有减温设施，通过温度控制阀调节向蒸发气内喷射的冷态LNG 量，以限制进入压缩机的蒸发气温度。在该LNG 喷射点下游，配置BOG 压缩机入口缓冲罐，防止蒸发气夹带LNG 液体进入压缩机。从LNG 储罐输出的LNG 一部分根据冷凝蒸发气所需量进入再冷凝器，剩余部分通过再冷凝器旁路直接送至高压输出泵。通过LNG高压泵加压后再气化外输。

一、BOG产生的原因分析

BOG产生主要是外界能量的输入造成，如泵运转、外界热量传入、大气压变化、环境的影响及LNG送入储罐时造成的罐内LNG体积的变化等因素，对LNG接收站产生BOG的原因分析归纳如下：
（1）在卸料的过程中，由于LNG船内的蒸气压高而导致的储罐LNG闪蒸；
（2）在卸料的过程中，由于外界环境温度漏热引起BOG的产生；
（3）LNG储罐冷损产生的BOG量；
（4）LNG低压泵和高压泵运行产生的BOG的量；
（5）管道冷损产生的BOG量；
（6）天然气最小外输时产生的BOG量；
（7）LNG装槽车产生的BOG量。

二、BOG处理方法

BOG的主要成分是甲烷，需要进行有效地利用。对于BOG的利用，一般采取两种方式：
在日常运行式的接收站，BOG被压缩机加压后进入再冷凝器，被由储罐来的LNG冷却成液体后由高压泵输出，去往汽化器；
在调峰式的接收站，BOG被压缩机加压后直接进入外输管网。目前，大部分LNG接收站主要以再冷凝BOG的方式最常见。优先处理LNG蒸气的办法如下：（1）蒸气返回LNG船舶（如果正在进行卸料操作）；（2）BOG再冷凝器（通过BOG压缩机）；（3）通往火炬；（4）放空。

三、BOG压缩机

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BOG压缩机特点

（1）压缩的气体是烃类气体（主要为甲烷），属易燃、易爆气体；
（2）进口温度低约-160度，每一压缩级的出口温度要限制；
（3）进出口压差大需采用多级压缩实现较大的压力比；
（4）采用无油润滑经验证明，对气缸采用过多的润滑与润滑不充分相比，对可靠性的危害更大；
（5）控制活塞平均速度，较高的活塞速度可能由较高的转数或行程长度造成，则对应着较频繁的气阀的开闭次数以及往复运动部件较大的惯性力，同时对活塞环及支撑环亦造成较大的磨损，从安全角度要求，要限制其活塞平均速度；
（6）高稳定性，以满足连续运行的需要。

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BOG压缩机选型

LNG接收站的BOG压缩机一般采用低温无油往复式压缩机, 目前市场上实际的LNG工程运用中, 一般有立式迷宫密封式和卧式对置平衡式两种。(1)立式迷宫密封式压缩机立式迷宫密封式压缩机一般由三部分组成:
①气缸压缩部分的密封形式为非接触式迷宫密封,无油润滑, 无活塞环和支承环等易损件;
②机身转动部分为全封闭无泄漏结构, 曲轴上设计有机械气密密封, 压缩介质不会泄入大气环境, 并设置有保证活塞与气缸同轴度的活塞杆导向轴承;
③中间隔离段部分能防止曲轴箱润滑油进入气体压缩部分, 保证气体不被污染。由于采用了迷宫密封, 活塞和气缸为非接触, 因此工作表面没有磨损, 可以选择较高的活塞速度。(2)卧式对置平衡式压缩机利用特殊材料的活塞环，如特氟龙活塞环实现密封和无油润滑。由于卧式机器自身的局限性，无法做到活塞支持环和活塞环与气缸的直接接触，因此，为了减少磨损，一般要在较低的转速下运行，但其动力平衡性能较好。

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特点对比

　从上表可以看出, 卧式对置平衡式压缩机与立式迷宫密封式压缩机各有优缺点。卧式机在平衡性、维护难易度及重心方面具有优势, 但立式机在可靠性及维护成本方面具备优势。

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迷宫式BOG 压缩机结构特点

国内某LNG 项目压缩机采用布克哈德（Burckhardt）压缩机公司设计、制造的立式迷宫式压缩机，驱动机采用鼠笼式异步电动机，压缩机安装于户外，有棚。
压缩机为全封闭式，采用气密性设计，压缩机内的工艺气体不会泄露至空气中。压缩机为迷宫式压缩机，二列二级压缩，气缸为垂直双作用。压缩机活塞和气缸壁之间采用无接触密封，气缸无需润滑，因此被压缩气体不会被油污染，十字头和导向轴承能保证活塞保持精确的线性移动。压缩机曲轴转速为495RPM，活塞速度4.12m/s。
曲轴箱由底板和机架组成，通过圆柱销精确对中，并通过螺栓固定在一起。在运行过程中，曲柄机构中充满了工艺气体，通过在驱动端设置机械气密型曲轴密封件，在非驱动端设置护盖和齿轮油泵，通过护盖与曲轴箱之间的静密封，防止润滑油和工艺气体泄漏到外界。驱动端采用油密性和气密性设计，通过曲轴密封和唇形密封来实现。
曲轴密封件由两个固定密封环和一个转动的内零部件组成，曲轴在旋转的同时，运行环的内面沿着其在密封环的对应部分滑动。运行环和密封环接触面在组装前重叠在一起。由集油器和护盖形成的腔体中一直充满了润滑油，因此曲轴密封装置不会同工艺气体直接接触。
在压缩机运行过程中，新的润滑油进入集油器和护盖的腔体中，并冷却曲轴密封。润滑油通过曲轴密封泄漏出来后，将通过漏油管流至压缩机外部，曲轴密封正常工作时润滑油泄漏量不会超过3-5 滴每分钟。同时在曲轴密封外侧安装了唇形密封，用于防止污染物进入曲轴密封。
在非驱动端通过轴头齿轮油泵壳体与曲轴箱之间的静密封实现曲轴箱密封。润滑油经过齿轮泵加压后进入曲轴主轴承和中间轴承。曲轴轴承出来的润滑油通过润滑油管流向连杆轴承、十字头销轴承和十字头。导向轴承通过十字头的向上运动实现飞溅润滑。
活塞杆通过十字头和导向轴承来实现精确导向，保持精确的线性移动。十字头滑道采用水冷，导向轴承采用润滑油飞溅冷却设计。
活塞杆压盖采用迷宫型设计，由于压盖环和活塞杆之间存在小间隙，会有少量气缸内被压缩气体泄漏到隔离段，泄漏的气体通过返回线返回第一级吸气侧，减少泄漏量。活塞采用迷宫密封设计，由于活塞和汽缸壁之间实现了无接触密封，因此不需要润滑。
压缩机隔离段是活塞杆与导向轴承之间的区域，通过隔离段将润滑后的曲柄机构与气缸中的无油工艺气体隔离开。隔离段与气缸之间通过活塞杆压盖进行密封隔离。
由于压盖环与活塞杆之间为迷宫密封，存在小的间隙，活塞杆压盖会有少量气体泄漏，因此在活塞杆压盖中间设置中间环收集泄漏气体，并将收集的泄漏气体引回第一级入口处，减少泄露到隔离段的被压缩介质。
气缸与活塞之间采用迷宫密封，气缸与活塞精确对中，防止压缩机运行过程中出现撞缸现象。气缸通过销和螺钉固定在隔离段上。为简化活塞的磨合程序，用细螺纹将气缸壁表面打磨粗糙。
气缸采用隔热装置结合循环液可防止温度从温度较低的气缸侧传递到曲柄机构。压缩机设有手动盘车机构。一级气缸入口设置可拆式锥型过滤器，过滤精度为300 目，材质为不锈钢。压缩机主电机之间采用刚性联轴器连接，并配有全封闭无火花防护罩。每级进出口缓冲器的设计压力均按每级出口压力设计，材质为SS304，缓冲罐自带检查孔。

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国内外制造与应用情况

国内压缩机制造厂设计、制造可以运行在(天然气)入口温度在-160℃低温下的无油往复压缩机的经验尚不成熟。
国外对该压缩机的设计、制造、试验和检验已技术成熟、安全可靠, 在国际上已经有了长期的安全操作经验, 可确保压缩机能达到设计的运行指标要求和安全生产。
目前在用的BOG压缩机生产厂家有瑞士的布克哈德(Burkhardt)公司, 日本的石川岛播磨冲工业株式会社(IHI), 神户钢铁(KOBESTEEL)以及美国的德莱塞兰(Dresser-Rand)公司等。

四、BOG压缩机的投运

LNG接收站使用的BOG压缩机, 一般为电机驱动, 在安装完成后要进行轴对中测试和调整、紧固措施。
投运时先进行空载试运, 按照批准的投产方案和压缩机组操作规程进行操作, 按下述内容依次进行:
启动前要进行压缩机组开机前的检查, 压缩机进出口阀关闭、循环阀打开、放空阀打开, 逐项确认后进行下一步。
开启预润滑油泵和预热水泵进行预热, 达到油、水预热温度后, 进行下一步。
点动启动, 以测试电机旋转方向, 如果与铭牌标示不一致, 要调整电机的电缆接法, 确认正确后进行下一步。
依次按照启动运行1 min停机、启动运行5 min停机、启动运行15 min停机、启动运行60 min停机(经验数据, 具体空载运行时间要与压缩机生产厂家协商一致)，每次停机后使用红外线测温仪检查机组轴承温度、气缸温度等关键参数, 检查合格后方可进行下一次的启动, 发现问题应及时断电并拆卸检查, 决不可粗心或心存侥幸再试一次, 造成不可挽回的损失。
空载试运合格后，进行氮气置换，置换合格后等待所有设备单机调试完成、管路系统试压吹扫置换结束、第一船LNG成功接卸, 可进行机组LNG预冷。
现在使用的BOG压缩机的材料已能达到不需要预冷的性能，但LNG首次进入压缩机宜使用压缩机进口的旁路阀, 使压缩机缓慢冷却, 防止出现意外。预冷完成后可按照压缩机组正常启停、加载进行72h连续运行测试和性能测试等。

五、BOG压缩机运行维护

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流量控制

BOG压缩机的流量控制可在自动或手动两种模式下运行。
BOG压缩机处于自动模式时, 通过LNG储罐绝压调节器自动选择BOG压缩机的负荷。如果LNG储罐内压力持续升高, 调节器转换更高一级负荷, 提高压缩机的操作负荷；如果LNG储罐内压力持续降低, 调节器转换较低一级负荷, 降低压缩机的操作负荷。通过BOG压缩机操作负荷的变化,LNG储罐的压力稳定在正常操作绝压值之间。
在手动模式时, 操作人员可以根据LNG储罐压力监测的数据, 手动选择BOG压缩机的负荷。如果再冷凝器的运行工况不稳定时, 则压缩机的能力负荷需要修正。一个信号低选器将根据LNG储罐和再冷凝器的压力值, 选择二者较低值来调整BOG压缩机的负荷。
如果蒸发气流量高于压缩机或再冷凝器的处理能力, 储罐和蒸发气总管的压力将升高, 当压力超过压力控制阀的设定值时, 过量的蒸发气将排至火炬燃烧。

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压力调节

往复压缩机的排气阀为自动排气阀，所以压缩机的排气压力通常是由压缩机的排气背压决定的，在一定范围内，压缩机可以自动跟踪背压的变化，不需人工调节，但需考虑排气压力的变化对压缩机的影响。
(1)出口压力不变。如进口压力升高, 则总压比降低, 级间压力重新分布；一般排气温度降低, 排气量有所增加, 但须校核新的进口压力及级间压力是否超标；如进口压力降低, 则总压比升高, 级间压力也重新分布, 一般排气温度有所升高, 排气量有所降低。
(2)进口压力不变。如出口压力升高, 则总压比升高, 级间压力重新分布；一般排气温度升高, 排气量有所降低, 但须校核新的出口压力及级间压力是否超标；如出口压力降低, 则总压比降低, 级间压力也重新分布, 一般排气温度有所降低, 排气量有所升高。
(3)入口、出口压力同时变化。主要看总压缩比的变化, 具体情况可参照以上分析。
(4)压力变化对轴功率的影响。对于压比较小的压缩机, 进口压力降低, 轴功率一般会增加, 反之轴功率会减小；对于压比较大的压缩机进口压力降低, 轴功率一般会减小, 反之轴功率则增加。出口压力增加, 轴功率增加, 排气温度升高；反之轴功率减小；排气温度降低。
(5)对活塞力的影响。对于一台现有的压缩机, 其活塞力的设计允许值是一定的；压缩机的进排气压力的变化, 会使活塞荷载发生变化;排气压力升高, 一般会导致活塞力增加；实际生产中应注意, 压缩机的活塞力不能超过许用值, 否则将影响压缩机的正常操作, 甚至发生活塞杆断裂及机器的损坏。

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压缩机的报警和连锁保护控制

为了保证压缩机安全正常运行, 为其装配了一整套报警和连锁保护控制系统, 主要包括压缩机设备报警和连锁保护及压缩机工艺报警和连锁保护两部分, 分为预报警和连锁保护停机报警两级报警。
压缩机设备报警和连锁保护包括压缩机轴承温度、电机轴承温度、润滑油压力和温度、空载运行时间等；压缩机工艺报警和连锁保护包括压缩机一级进、出口气体压力、二级出口气体压力、一级出口气温、二级出口气温等。
实际运行时, 由于仪表信号飘移、电缆接触不良或外界因素影响(如电磁干扰、鼠害等), 常出现误报警现象, 会造成操作人员对报警信息的麻痹思想，进而造成出现真的报警后不予理睬或处理不及时，造成设备故障或财产损失。
因此要从管理上和技术上两方面提高安全防范措施, 管理上要加强操作人员的重要性认识及责任心教育。
从技术上要有可靠的保证措施, 成熟的经验有：选用可靠性高的、有在同类设备上有成熟使用经验的仪表设备；定期检查、紧固仪表电缆连接点;按规定及时对仪表及系统进行单校与联校；禁止强干扰设备在系统附近工作；及时检查电缆沟及墙壁穿越等关键部位的电缆有无磨损及鼠害影响。

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日常维护与检修

故障的查找和解决可以通过记录、识别、发现、解决的基本步骤来实现。

基本步骤如下：

（1）定时巡检，并做好记录；

（2）定时检查各部轴承及摩擦副部位的温度，应符合规定；

（3）定时检查油温、油压、油位、油过滤器压差，并定期对润滑油化验分析或更新；

（4）定时检查气缸、填料等部位冷却水出口温度；

（5）定时检查压缩机各段进出口压力、温度、流量及各气阀温度；

（6）定时检查各级密封的泄漏及活塞杆的位移；

（7）定时监测机组的振动，包括基础、压缩机本体以及管路系统；

（8）定时检查各运动件有异常响声，各部紧固螺栓是否松动或断裂；

（9）检查辅助油泵电源指示，并确保开关在“自启动”位置。润滑系统备用油泵应定期进行自启动试验；

（10）保持机组洁净，清除机体表面、油系统，基础表面及周围地面的油污或积水。

结语

BOG压缩机是BOG处理系统的核心, BOG通过它不断地压缩后在在冷凝器里与从储罐抽出的深冷LNG混合, 再冷凝成液体来控制LNG储罐的压力, 从而保证LNG储罐的压力稳定。
因此只有把握好BOG压缩机的设计选型、投产试运、运行维护各个关键环节, 才能保证BOG压缩机的运行稳定, 从而实现接收站的安全平稳运行, 减少BOG放空。

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