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壓縮機的發展背景

液化天然氣(liquef ied natural gas，LNG)，其體積約為同量氣態體積的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的新熱點。

2 國內外LNG壓縮機發展現狀

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規模的天然氣研究和開發工作。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起步較晚，但發展較快。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年在浦東地區建成國內第一個調峰型天然氣液化裝置，規模為10萬方/天。2001年，河南中原綠能高科建成國內首座商業化運營的天然氣液化裝置，規模為15萬m3/d。2005年至2015年是我國天然氣液化飛速發展的幾年，共建成液化裝置100多套，但規模多在50萬m3/d，最大為500萬m3/d，在規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，在此基礎上局部優化和疊加殼衍生出更多更高效的液化流程。

3.1.1 級聯式制冷循環

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。這種制冷循環的制冷介質通常選用甲烷、乙烯和丙烷，優點是裝置能耗低、內部制冷循環和天然氣液化系統相對獨立，互相間影響較小，操作穩定；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

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冷劑后，經過分級節流進入不同溫度梯度下的換熱設備，給天然氣提供冷量。這種制冷循環的優點在于設備少、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式液化流程那樣嚴格；其缺點是能耗比級聯式液化流程高出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

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

3.2 雙循環混合冷劑制冷循環(DMR)

雙循環混合冷劑制冷循環(double mixed refrigerant，DMR)，此種工藝采用兩組制冷循環，預冷循環和深冷循環，并且兩種制冷循環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冷量。這種工藝具備級聯式制冷循環和混合冷劑制冷循環雙重優點，逐級冷卻顯著提高制冷效率，同時避免了級聯制冷循環設備數量多、投資大的缺點，有效減少了裝置的監測點和事故點，但是由于混合制冷劑組成復雜，制冷循環回路多，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，特別是壓縮機調節方式的節能性要求。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，模化設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，該裝置整體規模為100萬m3/d，采用兩條線并聯的方案，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，若繼續保持振動幅值會持續增大至聯鎖停機，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，不難發現，制約國內LNG壓縮機發展的因素主要有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。