1、引言
近年來，我國液化天然氣（LNG）需求持續(xù)增長，LNG設施快速增加，由于在LNG生產(chǎn)、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(xiàn)象，導致大量蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas，簡稱BOG）產(chǎn)生，其回收處理對LNG設施的安全運行和整體經(jīng)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(jié)合實際工程案例，從技術與經(jīng)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(shù)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(guī)模大型化，單線產(chǎn)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(fā)氣，根據(jù)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(wǎng)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(jié)構(gòu)簡單，連續(xù)運行時間長，負荷調(diào)節(jié)范圍寬。目前國內(nèi)LNG工廠規(guī)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(jīng)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(diào)節(jié)，壓縮機直接吸入低溫BOG，可實現(xiàn)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(shù)與輔助設備多，導致調(diào)節(jié)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(huán)境與氣源條件等多種因素影響，BOG量往往很難保持穩(wěn)定，使得BOG壓縮具有動態(tài)變化的特點。對于圖2中的復熱BOG壓縮機，當BOG進氣量發(fā)生變化，壓縮系統(tǒng)需要經(jīng)過一段時間的慣性延遲才能達到穩(wěn)態(tài)，這使得末級壓縮排氣滯后于BOG進氣的變化，難以實現(xiàn)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(tǒng)運行的不穩(wěn)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(diào)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(jīng)濟性分析
BOG壓縮機的主要經(jīng)濟指標包括初期投資、預期壽命內(nèi)的運行與維護成本，另外壓縮機類型與數(shù)量、備用機組、驅(qū)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(jīng)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(nèi)一座已投產(chǎn)的中型LNG工廠，原料為管輸氣，由于臨近城市天然氣管網(wǎng)，BOG選擇直接壓縮外輸，系統(tǒng)配置了一開一備2臺國產(chǎn)低溫往復式BOG壓縮機，電機驅(qū)動，單臺BOG處理量為6t/h，設計工況下的運行參數(shù)如表1所示。若將本項目BOG改為復熱后壓縮，參考國內(nèi)同等規(guī)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(shù)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(shù)、氣缸數(shù)以及整機尺寸相應減小，并省去冷卻器，節(jié)約占地面積。根據(jù)熱力學理論，壓縮相同質(zhì)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(qū)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(chǎn)BOG復熱壓縮機目前已能夠滿足多數(shù)工程項目需要，基本可以替代進口機型，而低溫壓縮機生產(chǎn)技術難度高，目前國內(nèi)僅有少數(shù)廠家擁有工程應用業(yè)績。表2中數(shù)據(jù)來源于實際項目資料與廠家報價，國產(chǎn)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(tǒng)相對復雜。
往復壓縮機易損件多，日常檢修與維護保養(yǎng)頻繁，國產(chǎn)機型在易損件壽命、連續(xù)運轉(zhuǎn)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(nèi)各組件的更換次數(shù)來進行估算，根據(jù)廠家提供的典型數(shù)據(jù)，主要部件預期壽命如下：
進口機型活塞環(huán)、支撐環(huán)、氣閥等易損件預期壽命約20000h，國產(chǎn)機型約8000h；國產(chǎn)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(chǎn)機型一般為20年。
（3）經(jīng)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(nèi)產(chǎn)生的總運行維護費折算到每年，循環(huán)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(jīng)濟指標對比如表3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20%～25%，經(jīng)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B(tài)OG壓縮經(jīng)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(nèi)另一座已投產(chǎn)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(jīng)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(qū)動，單臺BOG處理量為5t/h，設計工況下的運行參數(shù)如表4所示。若本項目改用低溫BOG壓縮機，參考國內(nèi)同等規(guī)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(shù)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(qū)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(xiàn)冷量回收，降低液化單元能耗。表5中數(shù)據(jù)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(nèi)各組件的更換次數(shù)來進行估算。
（3）經(jīng)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(nèi)產(chǎn)生的總運行維護費折算到每年，循環(huán)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(jīng)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B(tài)OG壓縮經(jīng)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(yōu)勢越明顯。
4、結(jié)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(tài)變化，并減少占地面積。從經(jīng)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(fā)現(xiàn)，電費支出是影響B(tài)OG壓縮經(jīng)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(jié)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(jīng)濟優(yōu)勢越顯著。
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