1、引言
近年來，我國(guó)液化天然氣（LNG）需求持續(xù)增長(zhǎng)，LNG設(shè)施快速增加，由于在LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝/卸載等過程中不可避免存在漏熱、設(shè)備散熱和閃蒸等現(xiàn)象，導(dǎo)致大量蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas，簡(jiǎn)稱BOG）產(chǎn)生，其回收處理對(duì)LNG設(shè)施的安全運(yùn)行和整體經(jīng)濟(jì)效益都有重要影響。
BOG壓縮是一個(gè)高耗能過程，合理選擇壓縮工藝對(duì)提高BOG回收效率、降低成本具有重要作用。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性角度開展低溫BOG壓縮機(jī)與復(fù)熱BOG壓縮機(jī)的對(duì)比研究。
2、BOG壓縮機(jī)技術(shù)分析
目前關(guān)于BOG處理的相關(guān)研究多數(shù)集中在LNG接收站，本文則選擇LNG工廠為研究對(duì)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(jìn)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(jī)
工程上常用的BOG壓縮機(jī)類型主要有往復(fù)式、離心式和螺桿式，往復(fù)式排氣壓力高，價(jià)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(dòng)�。宦輻U式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬。目前國(guó)內(nèi)LNG工廠規(guī)模普遍較小，往復(fù)式BOG壓縮機(jī)應(yīng)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(jī)需采用特殊的耐低溫材料。
實(shí)際應(yīng)用中以立式迷宮式和臥式對(duì)置平衡式最為常見，低吸氣溫度可以保證每級(jí)具有較高的壓縮比和壓縮效率，并且前兩級(jí)排氣溫度低，無需冷卻器。
圖2則為典型復(fù)熱BOG壓縮流程，低溫BOG經(jīng)換熱器與壓縮機(jī)末級(jí)排氣換熱，復(fù)熱后進(jìn)入普通天然氣壓縮機(jī)，為降低排氣溫度、減小壓縮功，級(jí)間均設(shè)置冷卻器。此外，也有采用BOG與原料氣或冷劑進(jìn)行換熱，復(fù)熱的同時(shí)回收部分冷量。
2.技術(shù)分析
采用低溫BOG壓縮機(jī)流程簡(jiǎn)單、設(shè)備少、占地面積小，易調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)直接吸入低溫BOG，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，但低溫壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)、選材及制造上均有特殊要求。而BOG復(fù)熱后可采用普通機(jī)型，但流程復(fù)雜，壓縮級(jí)數(shù)與輔助設(shè)備多，導(dǎo)致調(diào)節(jié)靈活性降低，占地面積大。
LNG工廠實(shí)際運(yùn)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(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。對(duì)于圖2中的復(fù)熱BOG壓縮機(jī)，當(dāng)BOG進(jìn)氣量發(fā)生變化，壓縮系統(tǒng)需要經(jīng)過一段時(shí)間的慣性延遲才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這使得末級(jí)壓縮排氣滯后于BOG進(jìn)氣的變化，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)熱過程的能量匹配，特別是當(dāng)BOG量突然增大，末級(jí)排氣量不足以使BOG完全復(fù)熱時(shí)，第一級(jí)壓縮機(jī)容易遭受低溫沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定，甚至造成設(shè)備損壞，存在技術(shù)缺陷。相對(duì)而言，圖1中低溫BOG壓縮機(jī)則具有操作簡(jiǎn)便、調(diào)整控制靈活的特點(diǎn)，有利于應(yīng)對(duì)復(fù)雜的BOG量的變化。
3、基于工程實(shí)例的經(jīng)濟(jì)性分析
BOG壓縮機(jī)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括初期投資、預(yù)期壽命內(nèi)的運(yùn)行與維護(hù)成本，另外壓縮機(jī)類型與數(shù)量、備用機(jī)組、驅(qū)動(dòng)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(gè)中型LNG工廠項(xiàng)目，開展低溫BOG壓縮機(jī)與復(fù)熱BOG壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。
1.案例項(xiàng)目A
（1）項(xiàng)目概況及BOG壓縮機(jī)
項(xiàng)目A為國(guó)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(tái)國(guó)產(chǎn)低溫往復(fù)式BOG壓縮機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)BOG處理量為6t/h，設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。若將本項(xiàng)目BOG改為復(fù)熱后壓縮，參考國(guó)內(nèi)同等規(guī)模LNG工廠的壓縮機(jī)配置，適用于本項(xiàng)目條件的復(fù)熱BOG壓縮機(jī)工作參數(shù)在表1中一并列出。
表1中，復(fù)熱后BOG由-150℃升溫至-15℃，受往復(fù)壓縮機(jī)最高排氣溫度限制，需采用三級(jí)壓縮，并設(shè)置級(jí)間冷卻器，而低溫壓縮機(jī)單級(jí)增壓比高，壓縮級(jí)數(shù)、氣缸數(shù)以及整機(jī)尺寸相應(yīng)減小，并省去冷卻器，節(jié)約占地面積。根據(jù)熱力學(xué)理論，壓縮相同質(zhì)量的氣體，耗功量隨著進(jìn)氣溫度的降低而減少，表1中，低溫BOG壓縮機(jī)軸功率僅為復(fù)熱BOG壓縮機(jī)的60%左右。
（2）初期投資與維護(hù)
本案例中BOG壓縮機(jī)初期投資主要包括壓縮機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)、冷卻器、緩沖罐、BOG換熱器等主要附屬設(shè)備的費(fèi)用。國(guó)產(chǎn)BOG復(fù)熱壓縮機(jī)目前已能夠滿足多數(shù)工程項(xiàng)目需要，基本可以替代進(jìn)口機(jī)型，而低溫壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)難度高，目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)廠家擁有工程應(yīng)用業(yè)績(jī)。表2中數(shù)據(jù)來源于實(shí)際項(xiàng)目資料與廠家報(bào)價(jià)，國(guó)產(chǎn)低溫BOG壓縮機(jī)價(jià)格較進(jìn)口機(jī)型低35%左右，而復(fù)熱BOG壓縮機(jī)價(jià)格遠(yuǎn)低于低溫機(jī)型，但換熱設(shè)備較多，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。
往復(fù)壓縮機(jī)易損件多，日常檢修與維護(hù)保養(yǎng)頻繁，國(guó)產(chǎn)機(jī)型在易損件壽命、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等方面與進(jìn)口機(jī)型還存在較大差距。本案例中維護(hù)成本按照壓縮機(jī)預(yù)期壽命內(nèi)各組件的更換次數(shù)來進(jìn)行估算，根據(jù)廠家提供的典型數(shù)據(jù)，主要部件預(yù)期壽命如下：
進(jìn)口機(jī)型活塞環(huán)、支撐環(huán)、氣閥等易損件預(yù)期壽命約20000h，國(guó)產(chǎn)機(jī)型約8000h；國(guó)產(chǎn)機(jī)型活塞桿、十字頭銷預(yù)期壽命約40000h；進(jìn)口機(jī)型推力軸承、導(dǎo)向軸承套預(yù)期壽命約44000h；進(jìn)口機(jī)型整機(jī)壽命超過25年，國(guó)產(chǎn)機(jī)型一般為20年。
（3）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析
本案例中BOG壓縮機(jī)按照1年滿載運(yùn)行8000h小時(shí)計(jì)算耗電量，另外將壓縮機(jī)整個(gè)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jì)，不考慮其他公用工程消耗和勞動(dòng)力成本，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表3所示�？梢姳景咐械蜏谺OG壓縮機(jī)年均使用成本比復(fù)熱BOG壓縮機(jī)低20%～25%，經(jīng)濟(jì)性更好。盡管復(fù)熱壓縮機(jī)初期投資與維護(hù)成本較低，但其耗電量為低溫壓縮機(jī)的1.6倍，導(dǎo)致其年均使用成本顯著增加。另外表3中電費(fèi)支出占到低溫壓縮機(jī)年均使用成本的70%以上，而復(fù)熱壓縮機(jī)更高達(dá)90%，顯然電費(fèi)支出是影響B(tài)OG壓縮經(jīng)濟(jì)性的決定因素。
2.案例項(xiàng)目B
（1）項(xiàng)目概況及BOG壓縮機(jī)項(xiàng)目B為國(guó)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(yùn)。低溫BOG首先預(yù)冷原料氣，復(fù)熱后被BOG壓縮機(jī)增壓用作再生氣，最后經(jīng)再生氣壓縮機(jī)進(jìn)一步升壓后進(jìn)入液化單元再液化。目前配置了一開一備2臺(tái)往復(fù)式BOG壓縮機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單臺(tái)BOG處理量為5t/h，設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行參數(shù)如表4所示。若本項(xiàng)目改用低溫BOG壓縮機(jī)，參考國(guó)內(nèi)同等規(guī)模LNG工廠的壓縮機(jī)配置，適用于本項(xiàng)目條件的低溫往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)工作參數(shù)在表4中一并列出。
（2）初期投資與維護(hù)
本案例中BOG壓縮機(jī)初期投資包括BOG壓縮機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)、冷卻器、緩沖罐、BOG換熱器等主要附屬設(shè)備的費(fèi)用。低溫BOG通過與原料氣換熱，在復(fù)熱的同時(shí)實(shí)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(shí)際項(xiàng)目資料與廠家報(bào)價(jià)，可見復(fù)熱BOG壓縮機(jī)初期投資遠(yuǎn)低于低溫BOG壓縮機(jī)。與案例A相同，本案例中維護(hù)成本也按照壓縮機(jī)預(yù)期壽命內(nèi)各組件的更換次數(shù)來進(jìn)行估算。
（3）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析
本案例中BOG壓縮機(jī)按照1年滿載運(yùn)行8000h計(jì)算耗電量，并對(duì)回收的BOG冷量進(jìn)行折算，另外將壓縮機(jī)整個(gè)壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的總運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jì)，不考慮其他公用工程消耗和勞動(dòng)力成本，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表6所示。
可見本案例中低溫BOG壓縮機(jī)年均使用成本比復(fù)熱BOG壓縮機(jī)低22%左右，冷量回收對(duì)液化過程功耗的降低十分有限，電費(fèi)支出仍然是影響B(tài)OG壓縮經(jīng)濟(jì)性的決定因素，壓縮機(jī)功率越大、耗電量越高，電費(fèi)支出占總成本比重越大，低溫壓縮機(jī)優(yōu)勢(shì)越明顯。
4、結(jié)論
從技術(shù)角度分析，復(fù)熱BOG壓縮機(jī)工作復(fù)雜，輔助設(shè)備多，變工況響應(yīng)滯后，第一級(jí)壓縮機(jī)容易遭受低溫沖擊，造成設(shè)備損壞。而低溫BOG壓縮機(jī)流程簡(jiǎn)單、設(shè)備少，能夠適應(yīng)BOG量的動(dòng)態(tài)變化，并減少占地面積。從經(jīng)濟(jì)角度分析，低溫壓縮機(jī)具有初期投資與維護(hù)成本高、耗電量低的特點(diǎn)，而復(fù)熱壓縮機(jī)則相反。通過對(duì)2個(gè)中型LNG工廠實(shí)際案例進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，電費(fèi)支出是影響B(tài)OG壓縮經(jīng)濟(jì)性的決定因素，盡管復(fù)熱壓縮機(jī)初期投資與維護(hù)成本較低，但遠(yuǎn)不足以抵消其電費(fèi)支出的增加，結(jié)果顯示，采用低溫壓縮機(jī)的年均使用成本比復(fù)熱壓縮機(jī)低20%以上，并且LNG工廠年運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，BOG處理量越大，低溫壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越顯著。
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