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              我國天然氣BOG壓縮機技術和經濟性淺議

              1、引言

              近年來,我國液化天然氣(LNG)需求持續增長,LNG設施快速增加,由于在LNG生產、儲存和裝/卸載等過程中不可避免存在漏熱、設備散熱和閃蒸等現象,導致大量蒸發氣(Boil-Off Gas,簡稱BOG)產生,其回收處理對LNG設施的安全運行和整體經濟效益都有重要影響。

              BOG壓縮是一個高耗能過程,合理選擇壓縮工藝對提高BOG回收效率、降低成本具有重要作用。本文結合實際工程案例,從技術與經濟性角度開展低溫BOG壓縮機與復熱BOG壓縮機的對比研究。

              2、BOG壓縮機技術分析

              目前關于BOG處理的相關研究多數集中在LNG接收站,本文則選擇LNG工廠為研究對象。隨著近年來天然氣液化裝置規模大型化,單線產能不斷提高,BOG的高效回收顯得尤為重要。LNG工廠中BOG主要包括閃蒸氣(Flash Gas) 與蒸發氣,根據BOG處理工藝不同,除作為燃料氣外,通常采用直接壓縮外輸或再液化進行回收,前者將BOG增壓至管網所需壓力后直接外輸,后者則將壓縮后的BOG送回液化單元再液化。

              1.BOG壓縮機

              工程上常用的BOG壓縮機類型主要有往復式、離心式和螺桿式,往復式排氣壓力高,價格低,可在小氣量下工作;離心式處理氣量大,占地小,可靠性高,供氣脈動;螺桿式結構簡單,連續運行時間長,負荷調節范圍寬。目前國內LNG工廠規模普遍較小,往復式BOG壓縮機應用廣泛。圖1為典型低溫BOG壓縮流程,由于BOG溫度低至-160益,壓縮機需采用特殊的耐低溫材料。

              實際應用中以立式迷宮式和臥式對置平衡式最為常見,低吸氣溫度可以保證每級具有較高的壓縮比和壓縮效率,并且前兩級排氣溫度低,無需冷卻器。

              圖2則為典型復熱BOG壓縮流程,低溫BOG經換熱器與壓縮機末級排氣換熱,復熱后進入普通天然氣壓縮機,為降低排氣溫度、減小壓縮功,級間均設置冷卻器。此外,也有采用BOG與原料氣或冷劑進行換熱,復熱的同時回收部分冷量。

              2.技術分析

              采用低溫BOG壓縮機流程簡單、設備少、占地面積小,易調節,壓縮機直接吸入低溫BOG,可實現快速啟動,但低溫壓縮機在設計、選材及制造上均有特殊要求。而BOG復熱后可采用普通機型,但流程復雜,壓縮級數與輔助設備多,導致調節靈活性降低,占地面積大。

              LNG工廠實際運行過程中,受操作工況、環境與氣源條件等多種因素影響,BOG量往往很難保持穩定,使得BOG壓縮具有動態變化的特點。對于圖2中的復熱BOG壓縮機,當BOG進氣量發生變化,壓縮系統需要經過一段時間的慣性延遲才能達到穩態,這使得末級壓縮排氣滯后于BOG進氣的變化,難以實現復熱過程的能量匹配,特別是當BOG量突然增大,末級排氣量不足以使BOG完全復熱時,第一級壓縮機容易遭受低溫沖擊,導致系統運行的不穩定,甚至造成設備損壞,存在技術缺陷。相對而言,圖1中低溫BOG壓縮機則具有操作簡便、調整控制靈活的特點,有利于應對復雜的BOG量的變化。

              3、基于工程實例的經濟性分析

              BOG壓縮機的主要經濟指標包括初期投資、預期壽命內的運行與維護成本,另外壓縮機類型與數量、備用機組、驅動方式等也有較大影響。以下采用工程案例分析方法,選取基于不同BOG處理工藝的兩個中型LNG工廠項目,開展低溫BOG壓縮機與復熱BOG壓縮機的經濟性對比分析。

              1.案例項目A

              (1)項目概況及BOG壓縮機

              項目A為國內一座已投產的中型LNG工廠,原料為管輸氣,由于臨近城市天然氣管網,BOG選擇直接壓縮外輸,系統配置了一開一備2臺國產低溫往復式BOG壓縮機,電機驅動,單臺BOG處理量為6t/h,設計工況下的運行參數如表1所示。若將本項目BOG改為復熱后壓縮,參考國內同等規模LNG工廠的壓縮機配置,適用于本項目條件的復熱BOG壓縮機工作參數在表1中一并列出。

              表1中,復熱后BOG由-150℃升溫至-15℃,受往復壓縮機最高排氣溫度限制,需采用三級壓縮,并設置級間冷卻器,而低溫壓縮機單級增壓比高,壓縮級數、氣缸數以及整機尺寸相應減小,并省去冷卻器,節約占地面積。根據熱力學理論,壓縮相同質量的氣體,耗功量隨著進氣溫度的降低而減少,表1中,低溫BOG壓縮機軸功率僅為復熱BOG壓縮機的60%左右。

              (2)初期投資與維護

              本案例中BOG壓縮機初期投資主要包括壓縮機及其驅動電機、冷卻器、緩沖罐、BOG換熱器等主要附屬設備的費用。國產BOG復熱壓縮機目前已能夠滿足多數工程項目需要,基本可以替代進口機型,而低溫壓縮機生產技術難度高,目前國內僅有少數廠家擁有工程應用業績。表2中數據來源于實際項目資料與廠家報價,國產低溫BOG壓縮機價格較進口機型低35%左右,而復熱BOG壓縮機價格遠低于低溫機型,但換熱設備較多,系統相對復雜。

              往復壓縮機易損件多,日常檢修與維護保養頻繁,國產機型在易損件壽命、連續運轉時間等方面與進口機型還存在較大差距。本案例中維護成本按照壓縮機預期壽命內各組件的更換次數來進行估算,根據廠家提供的典型數據,主要部件預期壽命如下:

              進口機型活塞環、支撐環、氣閥等易損件預期壽命約20000h,國產機型約8000h;國產機型活塞桿、十字頭銷預期壽命約40000h;進口機型推力軸承、導向軸承套預期壽命約44000h;進口機型整機壽命超過25年,國產機型一般為20年。

              (3)經濟指標對比分析

              本案例中BOG壓縮機按照1年滿載運行8000h小時計算耗電量,另外將壓縮機整個壽命周期內產生的總運行維護費折算到每年,循環冷卻水消耗量以及水泵功率很小,均忽略不計,不考慮其他公用工程消耗和勞動力成本,其經濟指標對比如表3所示?梢姳景咐械蜏谺OG壓縮機年均使用成本比復熱BOG壓縮機低20%~25%,經濟性更好。盡管復熱壓縮機初期投資與維護成本較低,但其耗電量為低溫壓縮機的1.6倍,導致其年均使用成本顯著增加。另外表3中電費支出占到低溫壓縮機年均使用成本的70%以上,而復熱壓縮機更高達90%,顯然電費支出是影響BOG壓縮經濟性的決定因素。

              2.案例項目B

              (1)項目概況及BOG壓縮機項目B為國內另一座已投產的中型LNG工廠,通過將上游氣田來氣液化后槽車外運。低溫BOG首先預冷原料氣,復熱后被BOG壓縮機增壓用作再生氣,最后經再生氣壓縮機進一步升壓后進入液化單元再液化。目前配置了一開一備2臺往復式BOG壓縮機,電機驅動,單臺BOG處理量為5t/h,設計工況下的運行參數如表4所示。若本項目改用低溫BOG壓縮機,參考國內同等規模LNG工廠的壓縮機配置,適用于本項目條件的低溫往復式天然氣壓縮機工作參數在表4中一并列出。

              (2)初期投資與維護

              本案例中BOG壓縮機初期投資包括BOG壓縮機及其驅動電機、冷卻器、緩沖罐、BOG換熱器等主要附屬設備的費用。低溫BOG通過與原料氣換熱,在復熱的同時實現冷量回收,降低液化單元能耗。表5中數據來源于實際項目資料與廠家報價,可見復熱BOG壓縮機初期投資遠低于低溫BOG壓縮機。與案例A相同,本案例中維護成本也按照壓縮機預期壽命內各組件的更換次數來進行估算。

              (3)經濟指標對比分析

              本案例中BOG壓縮機按照1年滿載運行8000h計算耗電量,并對回收的BOG冷量進行折算,另外將壓縮機整個壽命周期內產生的總運行維護費折算到每年,循環冷卻水消耗量以及水泵功率均忽略不計,不考慮其他公用工程消耗和勞動力成本,經濟指標對比如表6所示。

              可見本案例中低溫BOG壓縮機年均使用成本比復熱BOG壓縮機低22%左右,冷量回收對液化過程功耗的降低十分有限,電費支出仍然是影響BOG壓縮經濟性的決定因素,壓縮機功率越大、耗電量越高,電費支出占總成本比重越大,低溫壓縮機優勢越明顯。

              4、結論

              從技術角度分析,復熱BOG壓縮機工作復雜,輔助設備多,變工況響應滯后,第一級壓縮機容易遭受低溫沖擊,造成設備損壞。而低溫BOG壓縮機流程簡單、設備少,能夠適應BOG量的動態變化,并減少占地面積。從經濟角度分析,低溫壓縮機具有初期投資與維護成本高、耗電量低的特點,而復熱壓縮機則相反。通過對2個中型LNG工廠實際案例進行定量分析發現,電費支出是影響BOG壓縮經濟性的決定因素,盡管復熱壓縮機初期投資與維護成本較低,但遠不足以抵消其電費支出的增加,結果顯示,采用低溫壓縮機的年均使用成本比復熱壓縮機低20%以上,并且LNG工廠年運行時間越長,BOG處理量越大,低溫壓縮機經濟優勢越顯著。

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