大型液化天然氣壓縮機應用流程分析研究

周慧，周彥焱(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110142)

1 LNG壓縮機的發(fā)展背景

液化天然氣(liquef ied natural gas，LNG)，其體積約為同量氣態(tài)體積的1/625，而質量僅為同體積水的45%左右，具有便于儲存和運輸，特別是長距離運輸的特點。在天然氣液化的過程中，氣體內部的水、惰性氣體、硫化氫、汞以及C5等烴類基本被脫出，燃燒時產生的溫室氣體只有煤炭的1/2，石油的2/3，被公認為是未來世界普遍采用的燃料。近年來全球LNG的生產和貿易日趨活躍，但由于全球天然氣分布不均勻，LNG已成為稀缺清潔能源，正逐漸成為世界油氣工業(yè)的新熱點。

2 國內外LNG壓縮機發(fā)展現狀

國外從20世紀初期開始有關LNG的研究。1910年，美國開始致力于工業(yè)規(guī)模的天然氣研究和開發(fā)工作。1941年，國際上首套調峰型天然氣液化裝置在美國克利夫建成，裝置處理能力約為0.23 Mt/a；1964年，阿爾及利亞建成了世界上第一套基本負荷型天然氣液化裝置，單線生產能力為0.36 Mt/a，裝置總產能1.1 Mt/a。到目前為止國際上主要的天然氣液化專利技術均掌握在Tecnip、Shell、AP、Linde、BV等國際公司手中，國際上已建和在建的陸地天然氣液化項目中約95%采用國外的工藝。其關鍵設備離心壓縮機的基本上被GE、ELLIOTT、西門子等國外公司所壟斷。20世紀80年代末，國外壓縮機的單線產能已經可以達到2.6 Mt/a；90年代產能在2.5～3.3 Mt/a；從2000年開始，LNG裝置的單線生產能力又上了一個新臺階，多在3.3～5.2 Mt/a，其中最大的天然氣液化裝置位于中東的卡塔爾，單線產能達到7.8 t/a，采用的是美國AP公司的AP-X工藝，離心壓縮機的供應商為美國GE。

中國液化天然氣工業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。20世紀80年代末開始小型天然氣液化裝置的試驗工作。上海于1999年在浦東地區(qū)建成國內第一個調峰型天然氣液化裝置，規(guī)模為10萬方/天。2001年，河南中原綠能高科建成國內首座商業(yè)化運營的天然氣液化裝置，規(guī)模為15萬m3/d。2005年至2015年是我國天然氣液化飛速發(fā)展的幾年，共建成液化裝置100多套，但規(guī)模多在50萬m3/d，最大為500萬m3/d，在規(guī)模上同國外相差懸殊。

3 LNG壓縮機工藝流程概述

3.1 基本工藝流程

液化天然氣是天然氣經壓縮后，在-162 ℃下冷卻而成，因此在液化的過程中需要大量的冷量。目前國際上按照制冷方式的不同，主要存在3種基本形式，在此基礎上局部優(yōu)化和疊加殼衍生出更多更高效的液化流程。

3.1.1 級聯(lián)式制冷循環(huán)

根據某幾種單一制冷劑沸點的不同，利用一種制冷劑的汽化潛熱來冷凝另一種沸點較低的制冷劑，組成多個液化循環(huán)。這種制冷循環(huán)的制冷介質通常選用甲烷、乙烯和丙烷，優(yōu)點是裝置能耗低、內部制冷循環(huán)和天然氣液化系統(tǒng)相對獨立，互相間影響較小，操作穩(wěn)定；缺點是流程相對復雜、設備多，每一種制冷劑都需要生產和儲存的設備，并且每個制冷循環(huán)間不能有任何滲透，維修檢修不便。這種流程主要應用于生產量較為穩(wěn)定的基本復合型天然氣液化裝置.

3.1.2 混合冷劑制冷循環(huán)

以多種烴類混合作為制冷工質，根據烴類性質的不同，經冷卻后在不同溫度下冷凝分離、形成氣液混合冷劑和液態(tài)冷劑后，經過分級節(jié)流進入不同溫度梯度下的換熱設備，給天然氣提供冷量。這種制冷循環(huán)的優(yōu)點在于設備少、流程相對簡單、液化裝置整體投資少、操作和維護方便等優(yōu)點，同時制冷劑中的組分可部分或者全部從天然氣提取和補充，解決了缺乏冷劑的難題，并且在液化過程中單一冷劑的純度要求也沒有級聯(lián)式液化流程那樣嚴格；其缺點是能耗比級聯(lián)式液化流程高出15%～20%，對混合制冷劑各組分的配比要求嚴格，流程計算困難，多用于基本復合型然氣液化裝置。

3.1.3 帶膨脹機制冷循環(huán)

將制冷劑壓縮到高壓狀態(tài)，通過膨脹機膨脹吸熱來冷卻天然氣，達到液化的目的。整個制冷循環(huán)按照循環(huán)冷劑的不同，分為天然氣膨脹液化流程和氮氣膨脹液化流程，后續(xù)為了降低功耗，發(fā)展了氮—甲烷膨脹液化流程。帶膨脹機制冷循環(huán)比較適合用于液化能力較小的調峰型液化裝置。

3.2 雙循環(huán)混合冷劑制冷循環(huán)(DMR)

雙循環(huán)混合冷劑制冷循環(huán)(double mixed refrigerant，DMR)，此種工藝采用兩組制冷循環(huán)，預冷循環(huán)和深冷循環(huán)，并且兩種制冷循環(huán)的制冷介質均為混合冷劑。預冷機組組分較重，將天然氣預冷到-35 ℃左右；深冷機組組分較輕，在深冷天然氣的同時為預冷機組提供以部分循環(huán)冷量。這種工藝具備級聯(lián)式制冷循環(huán)和混合冷劑制冷循環(huán)雙重優(yōu)點，逐級冷卻顯著提高制冷效率，同時避免了級聯(lián)制冷循環(huán)設備數量多、投資大的缺點，有效減少了裝置的監(jiān)測點和事故點，但是由于混合制冷劑組成復雜，制冷循環(huán)回路多，并且在開車過程中需要對冷劑進行配比，開車難點較大，工藝控制精確度和復雜性增高。

4 LNG壓縮機技術難點及現場問題分析

4.1 LNG壓縮機技術難點

本文主要針對雙混合冷劑制冷工藝LNG壓縮機進行難點分析。

4.1.1 介質組成

混合冷劑的介質組成主要有C1、C2、C3、C4以及少量的氮氣，重烴含量較高，分子量較重，屬于容易壓縮的真實氣體，因此在壓縮過程中實際體積變化較大，對壓縮機葉輪入口馬赫數要求較高；并且混合冷劑的物性同空氣的物性相差較大，需要在氣動計算的過程中考慮理想氣體與實際氣體的區(qū)別，對計算結果加以修正。

4.1.2 運行條件

受介質物性的影響，壓縮機單級壓比多在1.3～1.5之間，葉輪口圈和平衡盤密封兩側差壓大，泄漏量大，流場分布不均，泄漏氣體造成的激振力大；壓縮機入口質量流量大，造成壓縮機的功率較大；并且壓縮機內部氣體密度較大等等，這些原因都是影響壓縮機穩(wěn)定運轉的不利因素，造成轉子本身抗干擾性能差，易產生氣體激振，對壓縮機現場運轉帶來不確定性和安全隱患。

4.1.3 運行范圍

受裝置調峰和冬夏季環(huán)境溫度不同的影響，天然氣液化裝置的操作范圍多為50%～110%，并且在實際運轉過程中混合冷劑的配比同設計值會有一定的偏差，因此對壓縮機的適應性要求較高，特別是壓縮機調節(jié)方式的節(jié)能性要求。正是由于LNG壓縮機在介質組成、運行條件和運行范圍三方面存在區(qū)別于其他壓縮機的技術難點，設計過程中設計能力和經驗不足，致使國產LNG壓縮機在實際運行過程中頻頻出現問題。

4.2 LNG壓縮機運行現狀分析

2009年，海南海燃高新能源有限公司在內蒙古磴口承建了規(guī)模為30萬m3/d的天然氣液化裝置，采用混合冷劑作為制冷介質，并采購了首臺國產混合冷劑壓縮機組。2010年，陜西延長石油集團采購了國產第二臺混合冷劑壓縮機組，迄今為止國內廠家共成套了100多臺混合冷劑壓縮機組。隨著這些壓縮機組的陸續(xù)運轉，用戶現場出現了一系列的問題，暴露出國產LNG壓縮機設計能力不足和設計經驗欠缺的缺點，主要體現在以下3個方面。

(1)性能不準確。在氣動計算過程中忽略真實氣體和理想氣體的差別，?；O計時對性能的修正考慮不全面，造成計算參數和實際運行參數間存在一定的偏差；另外，LNG壓縮機出廠前沒有對壓縮機進行性能檢測，提供的預期性能曲線不能真實的反應壓縮機的實際性能，造成用戶現場壓縮機實際運行點嚴重偏離設計點。

(2)壓縮機效率低于國外同類機組。以陜西延長石油集團的LNG裝置為例，該裝置整體規(guī)模為100萬m3/d，采用兩條線并聯(lián)的方案，一條線采購ELLIOTT生產的壓縮機，另一條線采購國內生產的壓縮機，在天然氣處理量均為50萬m3/d的前提下對國內外LNG壓縮機進行對比，其中ELLIOTT壓縮機的電機驅動功率為7 300 kW，而國產壓縮機的電機驅動功率為7 500 kW，國產機組功耗明顯高于國外機組。

(3)極易發(fā)生氣體激振。以內蒙古磴口國產第一臺混合冷劑壓縮機組為例，該機組在現場開車過程中，壓縮機出口壓力一旦超過某個特定壓力值，壓縮機轉子兩側支撐軸承振動幅值開始逐漸增大，此時若下調壓縮機出口壓力振幅值逐漸降低，若繼續(xù)保持振動幅值會持續(xù)增大至聯(lián)鎖停機，而振動頻率為轉子轉動頻率的一半，排除壓縮機喘振、管路振動以及基礎振動，最終確定壓縮機轉子發(fā)生氣體激振。

5 結語

通過對LNG壓縮機存在的技術難點和運行現狀的詳細分析，不難發(fā)現，制約國內LNG壓縮機發(fā)展的因素主要有3點，即壓縮機實際運行效率偏低、性能偏差大以及氣體激振問題。