往復式BOG壓縮機的結構原理與維護維修

許京棟

(中石油江蘇液化天然氣有限公司,江蘇 南通 226001)

隨著時代的發展,LNG作為清潔無污染的高效能源越來越得到重視。近年來,中國沿海城市大批的LNG接收站項目正在建設,而LNG接收站最關鍵的部分就是BOG的處理,BOG壓縮機作為這樣一個核心的設備在整個工藝流程中起著重要的作用。

通常LNG接收站在BOG的處理上有兩種方式,第一種是利用高壓壓縮機將儲罐內的BOG直接加壓后輸送至外輸NG管道[1],從而維持儲罐壓力。第二種則是由BOG壓縮機將儲罐內的BOG加壓后輸送至再冷凝器,再冷凝器再通過低壓泵輸送的LNG將BOG再液化成LNG輸至下游。

1 往復式BOG壓縮機的結構

1.1 基本組成

往復式BOG壓縮機的結構主要由汽缸蓋、閥門、活塞、活塞桿壓蓋、活塞桿、導向軸承、機架、十字頭、連桿、曲軸軸承、連桿軸承、曲軸、曲軸密封、隔熱裝置等構件構成,見圖1。

1.氣缸蓋;2.閥門;3.活塞;4.活塞桿壓蓋;5.活塞桿;6.油擋;7.導向軸承;8.機架;9.十字頭;10.十字頭銷軸承;11.連桿;12.機架蓋;13.曲軸密封;14.地腳螺栓;15.底板;16.飛輪;17.曲軸軸承;18.連桿軸承;19.曲軸;20.濾油器;21.齒輪油泵;22.壓力計;23.隔熱裝置;24.附加余隙控制裝置。

其中,往復式壓縮機的主體又可以分為三大部分:氣缸、隔離段和曲柄機構。

1.2 氣缸

按照氣缸的壓縮方式,氣缸可以分為單作用氣缸和雙作用氣缸[2],往復式BOG壓縮機中共有兩級氣缸,在每一個氣缸里各有一個迷宮活塞對BOG氣體進行壓縮,氣缸與活塞通過銷和螺釘固定在機架上,活塞桿壓蓋裝配在氣缸底部,采用迷宮式密封設計。

氣缸中的吸氣閥和排氣閥以止回閥的方式工作,從而確保氣體從壓縮機的吸氣側輸送至排氣側。吸氣閥直接比排氣閥直徑大,這可以防止將吸氣閥裝到壓縮機排氣閥的位置,或將排氣閥裝至吸氣閥的位置。

吸氣閥與排氣閥結構見圖2。

S.安裝就位的吸氣閥;D.安裝就位的排氣閥;G.氣流;φ.閥直徑;1.閥蓋;2.襯墊;3.壓筒;4.吸氣閥;5.排氣閥。

壓縮機的活塞為雙動活塞,即上端和下端壓縮工藝氣體。活塞桿由一道槽分為上下兩個區域,十字頭和導向軸承之間的活塞桿部分采用飛濺潤滑。

1.3 隔離段

隔離段是活塞桿壓蓋和導向軸承之間的區域[3]。隔離段將未潤滑的壓縮區和被潤滑的曲柄機構清晰分開。導向軸承和活塞桿壓蓋之間的距離比活塞行程長,這樣便于安裝油擋,以防油沿著導向軸承上方的活塞桿流淌。隔離段所有的孔口均用機架蓋封閉,并用扁平襯墊密封。

1.4 曲柄機構

曲柄機構包括連桿、十字頭、導向軸承、軸承、飛輪、平衡重等組成,其中曲柄機構中軸承在驅動端上與電動機連接,曲軸的旋轉通過連桿轉化成十字頭的往復運動,拆卸曲軸時,必須拆除氣缸和機架,采用平衡重來減少自由力及聯結點,通常平衡重為螺栓固定的部件或鍛造為曲軸的零部件。

主軸承由兩個無填隙片的軸瓦組成,因此軸承間隙不能重調,兩個軸瓦之間不能互換。曲軸通過機械氣密性曲軸密封實現在驅動端密封,曲軸密封的外蓋一直浸沒在潤滑油中,因此曲軸密封不會與工藝氣體直接接觸,壓縮機運行時,潤滑油循環的同時也是在冷卻曲軸密封。

十字頭通過連桿作上下運動,導向軸承使活塞桿與十字頭一起保持精確的線性移動,此外,導向軸承還將與曲軸箱與隔離段分開。飛輪則用于補償從壓縮機到電動機的不均勻負載。

2 往復式BOG壓縮機的輔助系統

2.1 潤滑油系統

潤滑油系統是為了確保對軸承和十字頭的充分潤滑,潤滑油在封閉的系統中循環,壓縮機的輔油泵在壓縮機啟動前會為軸承和十字頭提供潤滑油,因此在啟動壓縮機前需要先啟動輔油泵,壓縮機停機后,輔油泵會自啟。其結構如圖3所示。

1.溫度指示器;2.溫度變送器;3.油冷卻器;4.溫度指示器;5.截止閥;6.止回閥;7.預潤滑泵;8.雙聯濾油器;9.截止閥;10.壓差指示器或變送器;11.壓力計;12.壓力計或變送器。

在正常運行期間,壓縮機的齒輪油泵通過內置式濾油器從曲柄機構吸油,迫使油經油冷卻器和雙聯濾油器流至壓縮機軸承和十字頭[4]。雙聯濾油器包括兩個過濾器殼體并配備一個差壓指示器或開關。在正常運行期間,油流過兩個過濾器濾芯中的一個。如果污染程度超過允差的閾值(濾油器進出口之間的壓差),操作員必須切換至另一濾芯。這樣,可以一邊清洗被污染的濾芯,一邊采用另一個濾芯繼續工作。

2.2 冷卻液系統

工藝氣體壓縮時產生的熱量幾乎全部借助冷卻劑來實現散熱,所以必須使用干凈、非腐蝕性、并且具有足夠低的冰點的冷卻劑,通過供液總管將冷卻劑引入各部件。一般的壓縮機冷卻劑采用體積比為1∶1的水與乙二醇混合溶液,特點是在任何溫度下都不會結冰。

冷卻/加熱系統是恒溫控制的,冷卻劑在閉合的系統中循環且不能中斷,即使在停止運行期間,冷卻劑仍然需要以恰當的最低溫度循環。

冷卻的位置與作用見表1。

表1 冷卻的位置與作用

2.3 氮氣系統

壓縮機的氮氣系統主要有兩種作用:一是作為壓縮機的密封氣,二是對壓縮機進行負荷調節。壓縮機的負荷控制是通過可控吸氣閥和附加余隙控制裝置實現的,其均配有執行器。

2.4 安全裝置系統

為確保壓縮機平穩運行,在異常情況下能防止人員受傷和設備損壞,壓縮機設置了一系列的安全裝置系統,包括緊急停車、溫度檢測、壓力檢測等,其中流量檢測是檢測的冷卻劑的流量,目的是防止隔熱裝置堵塞及隨后的曲柄機構冷卻等故障損壞壓縮機,振動開關是為了防止壓縮機因振動過高而引起機體的損壞。此外,還裝有安全閥和止回閥等裝置。

3 往復式BOG壓縮機的工作原理

往復式BOG壓縮機在LNG行業裝置中屬于關鍵核心設備,它必須保證可以高強度、高負荷、長時間地運行。它具有壓力區間大,適配于各種低壓到高壓的工作環境,熱效率高,適應性強,排氣的范圍大,所需的材料要求不高等優點。

壓縮機的工作原理是由活塞在氣缸內的往復運動與氣閥相應的開、閉動作相結合,使氣缸內氣體依次實現膨脹、吸氣、壓縮和排氣四個過程,不斷循環,將低壓氣體升壓源源不斷地輸出。

它的行程如果設曲軸的曲柄半徑為R,那么活塞從上到下移動的最大距離就是2R,總共為行程S。活塞由上到下,再由下到上返回原來的位置,走兩個過程,成為一個循環(對于活塞每一側氣體而言,完成一次循環,包括膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程)。

4 往復式BOG壓縮機的維護

4.1 預防性維護重要性

往復式BOG壓縮機需要長時間的高強度運行,所以更需要定期進行預防性維護,合理安排預防性維護能夠增加BOG壓縮機的使用時長,避免BOG壓縮機的內部部件受到損壞和故障,增加操作人員和機器的安全性。

往復式BOG壓縮機的傳遞動力部分、氣體進出及密封部分、輔助部分都是容易出現損壞的地方[5]。故需要定期檢查往復式BOG壓縮機的裝置部件例如壓力容器、冷卻器、阻尼器等的沉淀和腐蝕情況。對于松動的觸頭和電纜應立即進行修復,保護裝置的所有部件,如主電機、油泵、冷卻系統泵、氣動控制系統、液壓控制系統等,防止意外發生。

4.2 維護前的準備工作

在開始任何檢查修理或維護工作之前的第一步,是切斷配電箱的電源,并且用掛鎖把開關鎖在“OFF”(斷開)位置,即使是所謂的低電壓電路,也應該執行上述步驟,應該對鎖在斷開位置的壓縮機和設備的開關或控制裝置貼上標簽,將該設備狀態通知給設備或電路或維修維護區的每個工作人員。只有接收機器安全鎖定程序相關培訓合格的電工,才能對電氣設備進行維護。另外所用的鎖應該都是不相同的,每把鑰匙只能開一把鎖,應該對每一個授權對設備上鎖和掛牌的維護人員配備一套自己的鑰匙和鎖,所有對設備進行維護的人員應該用自己的鎖來鎖該設備的開關,只允許經過授權的人員開啟鎖。

在設備斷電完成后,需要對設備進行泄壓和吹掃的步驟,完成包括工藝系統、氮氣系統、冷卻水系統的工藝和機械隔離。

運行預潤滑泵,去除溶解在油中的工藝氣體,關閉吸氣和排氣側工藝管線上的截止閥,關閉旁通閥,將工藝管線上的通至喇叭口的通風閥打開,將通至隔離段的氮氣源吹掃閥打開,將執行器的截止閥打開,打開壓力儀表的所有截止閥,將通至吸氣管和壓縮機的氮氣源吹掃閥打開,吹掃壓縮機系統合適的時間,關閉工藝管線、隔離段和曲柄結構的所有通風閥,對吸氣和排氣截止閥之間的裝置部分,用氮氣加壓到該部分最低安全壓力限值(通常低于曲柄機構安全閥的設定壓力)保持合適的時間,關閉氮氣源,將隔離段和曲柄機構的通風閥打開至安全位置,維持合適的時間后,將工藝管線和通風閥打開至安全位置,重復步驟,直至排放氣體監測結果氫含量低于作業規范中的規定值,在對壓縮機或其附件(如適用)執行任何維護工作前,確保所有盲板法蘭已在維護位置。

4.3 常見壓縮機的故障與處理辦法

4.3.1 壓縮機入口壓力過低

入口壓力過低原因可能是儲罐壓力低,此時需要停掉壓縮機,也可能是壓縮機的入口切斷閥故障被關小,此時則需要將故障壓縮機停掉切至備用壓縮機后,檢查閥門狀態。

4.3.2 壓縮機潤滑油壓過低

潤滑油壓過低原因可能是潤滑油壓力表失靈,此時則需要校準或更換油壓表,也有可能是油過濾器或管路堵塞,此時需要清理過濾器或檢查潤滑油質量,決定是否換油,還有可能是曲軸箱中油量不足,此時則需要增加曲軸箱中的油量,使其保持正常油位。

4.3.3 冷卻液溫度過低和過高

冷卻液溫度過低的原因可能是電加熱器故障,需要停壓縮機后檢查并維修電加熱器,也有可能是NG泄露,此時則需要停掉故障壓縮機,啟動備用壓縮機,吹掃排凈后找出泄露原因。

冷卻液溫度過高的原因可能是風冷器故障,需要停掉壓縮機檢查并維修風冷器,也可能是壓縮機出現故障,則需要停機隔離檢查,找出原因。

4.3.4 壓縮機超電流(或繞組和軸承溫度過高)

壓縮機超電流,有可能是電動機負荷太大導致,此時應降低壓縮機出口壓力,減小壓縮機負荷。如果是周波低或電壓低,或者是電氣故障,則需要聯系電工到現場進行處理。還有可能是勵磁機出現故障,此時若無法控制,則應根據實際情況采取泄壓停車或緊急停車處理。

4.3.5 壓縮機冷卻液壓力過低

壓縮機冷卻液壓力低可能是由于冷卻液泵故障導致,可以切換至備用泵后斷電維修,也有可能是閥門和冷卻液管道故障,此時則需要停止壓縮機斷電隔離維修。

4.4 日常的定期檢查與巡檢內容

4.4.1 定期檢查具體內容

一是檢查所有系統正確操作,無報警指示,定期檢查工藝氣體和輔助流體無泄漏,包括潤滑油、密封器、儀表風等。

二是檢查壓縮機一、二級氣缸的進、出口的溫度和壓力,并檢查壓縮機的振動情況。

三是定期檢查冷卻劑的蓄能器壓力,不足時要及時補充,并檢查冷卻劑緩沖罐的壓力,壓力過低時需要注入,檢查冷卻水泵出口壓力,壓力過低時,需要啟動備用冷卻水泵,否則系統將會停車。

四是定期檢查空冷器風扇,有一臺損壞時需要及時更換。定期檢查并聯的雙過濾器,如果其中一臺故障,可以不停潤滑油系統直接切到另一臺過濾器,但損壞的過濾器需要及時更換。

五是檢查曲軸箱潤滑油加熱器是否正常。

4.4.2 日常巡檢內容

日常巡檢主要為實時關注壓縮機的運行狀態,主要關注壓縮機的潤滑油液位、溫度、壓力,以及冷卻水的溫度、壓力、水流等情況。同時還需要關注現場壓縮機運行時是否有異響,振動是否正常,是否有跑冒滴漏等現象。

5 結語

我國并不是一個石油天然氣資源豐富的國家,天然氣的儲量只占世界儲量的1%,而且人口眾多,這也就決定了我國是一個能源進口大國。LNG作為較為清潔的化石能源,更是進口的主要內容。所以未來的LNG接收站市場是巨大的,維持LNG接收站安全穩定的運行更是重中之重,BOG壓縮機作為整個工藝流程中最關鍵的設備之一更是需要我們去鉆研,在平時的日常巡檢和例行維護的過程中,也需要仔細對待。