BOG压缩机研发现状

BOG压缩机研发现状彭学院西安交通大学压缩机研究所2011.0610:3921.LNG接受系统及BOG处理zLNG接收系统z部分返回LNG船（填补卸料产生的真空）z加压后与被输出的LNG换热（再冷凝）z加压后管道输出z送火炬或者放空z国内已建、在建、拟建LNG项目20多个z功能：接收、储存、气化LNGz国内LNG接收站规模：300X104t/az系统产生BOG占储存量~0.5%zBOG处理方式10:3932.系统对BOG压缩机要求z额定流量zBOG量估算（16X104m3储罐，0.05%蒸发量，LNG密度456kg/m3，BOG密度1.7kg/m3)z不卸船时：16X104X0.05%X456=3648kg/h（再考虑管路漏热5t/h)z卸船时：按不卸船时的2倍估算(10t/h)z单台压缩机流量：至少(+20%)满足不卸船时BOG量：6t/h=3521m3/hz压缩机总流量：至少按照1+1配置（详细估算参见文献02）z操作压力及温度zBOG储罐设计压力：-1.5~23kPa，储罐温度：-160℃左右z压缩机吸气压力：114.5~117.5kPa（绝），排气压力：1.6MPa左右z压缩机吸气温度：-160~30℃z调节与控制z储罐内压力尽量高（BOG量小，压缩机能耗小，上海5号沟116kPa，火炬120kPa）z吸气压力控制方式：多级流量调节（完全顶开气阀+余隙调节+多台压缩机开/停）z启动控制方式：旁通调节10:3943.BOG压缩机技术要点z技术要求z压缩介质易燃易爆；z进口温度低（-160℃）z低温下应力及强度问题z低温下变形过大问题z低温下润滑问题z压力比大（12~16）z流量能调节z技术措施z活塞杆填函密封措施符合API618规定z防低温脆性材料（奥氏体不锈钢、含Ni铸铁）z结构设计中保证足够刚度；z气缸无油润滑（采用迷宫密封或自润滑材料）z多级压缩，控制各级排气温度及温差z顶开吸气阀+余隙容积调节10:3954.BOG压缩机技术方案比较z技术要求10:3965.BOG压缩机研发及应用——Burckhardt10:397z低温下的材料选择z一级气缸：GGGNi35（奥氏体球铁），低温韧性和热涨特性均优异z一级活塞：GGLNiCr201（片状石墨奥氏体铸铁，Ni20%，Cr2%）z二级气缸：铁素体球铁（QT400等）z二级活塞：bronze（青铜）z三级：灰铸铁GG20（？？）普通碳钢：-50℃以下变脆Ni合金：低温下良好韧性5.BOG压缩机研发及应用——Burckhardt中东某LNG接收站BOG压缩机（已运行145000小时，注意压比分配）10:398z低温下的变形问题z一级进气温度过低，导致其排气温度也低于0℃（一级缸上厚厚的冰层）z确保一级缸与活塞良好对中z轴侧气缸特殊冷却水套充当隔热层，减少气缸之外部件变形z气缸材料GGGNi35减少气缸自身变形5.BOG压缩机研发及应用——Burckhardt10:399z低温下的密封与润滑问题z活塞与活塞杆均采用迷宫密封z泄漏气体收集后回到一级进气z曲轴轴封：浸入油内的双环轴封z不存在传统活塞环、填函润滑问题5.BOG压缩机研发及应用——Burckhardt10:3910z启动问题z一级气缸材料（GGG35Ni）热膨胀系数极低，确保热应力及变形尽量小z可以直接启动，不需预冷z容量控制方法z顶开气阀（无冷却的两级压缩，台湾LNG接收站）z一级旁通（三级压缩，2、3级间有冷却，中东），简单实用5.BOG压缩机研发及应用——Burckhardt10:39115.BOG压缩机研发及应用——Burckhardtz产品特点z迷宫密封使得摩擦、磨损小z十字头+导向轴承，确保活塞对中性z起导向作用的摩擦件都有润滑，确保长寿命z中体、抛油环、刮油环避免润滑油进入气缸zBOG迷宫压缩机的应用zLNG生产及接收站z液化气的气体再液化及石化工业气体储存z型式zD型z开启式曲轴箱（内为大气压）z适合于一般工艺气体zK型z闭式且耐压曲轴箱及加长中体，不允许泄漏z曲轴一端油泵供油z适合于BOG气体压缩10:39125.BOG压缩机研发及应用——BurckhardtTypeDTypeKTypeKTypeD10:3913z基本情况z研发世界上第一台低温压缩机（-150℃的N2）z目前已有60多套低温压缩机在全球应用5.BOG压缩机研发及应用——KobelSteel10:3914zBOG压缩机关键技术分析z吸气加热对流量、排气温度影响大（神钢有大量现场及试验研究数据）z进气温度-160~-100℃（神钢采用往复机能适应大温度范围，离心机不行）z因气罐容积大，容量控制可分级调节（神钢采用顶开气阀+余隙容积调节）5.BOG压缩机研发及应用——KobelSteel10:3915z水平对动式与迷宫式BOG压缩机比较z高效：绝热效率高10%左右（采购成本也低10~20%）z易维护：高度低z不需冷却：迷宫曲轴箱要冷却？z平衡性好zBOG压缩机使用经验z自润滑活塞环、支撑环及填料环寿命达24000小时z阀座及限制器用奥氏体不锈钢，阀片及弹簧采用特殊合金钢，表面特殊处理z应力和变形需要关注，特别是活塞（轻、刚性好），需要FEM分析5.BOG压缩机研发及应用——KobelSteel10:3916z试验研究z吸气加热温升T及气缸壁面温度Twz试验系统z气缸壁温度测试结果（配长短不同吸入管道比较）5.BOG压缩机研发及应用——KobelSteel//pThATCM=××Δ0.81/30.023Re(/)/pehCdμλλ=××××12//wcciTQAhTCC=+++0.2140.7860.5252817()ipihDVPT−−=××××10:39175.BOG压缩机研发及应用——KobelSteel10:39185.BOG压缩机研发及应用——IHI（石川岛播磨冲）z概况z1969年做出世界上第一台低温压缩机z无油到25MPa，有油到100MPa，转速达1200rpmz50~10000kWz符合API618规范z密封环以填充PTFE为主，高压采用其它z摩擦磨损测试，确保寿命超过8000小时，且具有支撑环磨损监控系统z采用金属或非金属网状阀z顶开吸气阀调节流量（低温下采用长的压阀罩），似乎盖侧还有余隙调节10:39195.BOG压缩机研发及应用——IHI（石川岛播磨冲）10:39205.BOG压缩机研发及应用——IHI（石川岛播磨冲）上海5号沟800m3/h和4200m3/h各两台广东大鹏：流量：3320m3/h转速：420rpm行程：250mm吸气压力：0.45MPa排气压力：1.06MPa10:3921z概况z对动式PHE、HSE（398kW），HHE、BDC（28340kW）z是目前产品参数范围昀宽的z昀多可达10个压缩机气缸（5列？）z气缸材料采用奥氏体不锈钢z满足变流量的要求：余隙容积+endunloading（？），避免旁通z满足API618z一级活塞与可换缸套之间直径方向间隙达5.5mm，减少金属直接摩擦危险5.BOG压缩机研发及应用——Dresser-Rand10:39225.BOG压缩机研发及应用——SIAD（意大利）z概况z小功率，低压力z撬装z可以流量调节z符合API618z中国LNG市场还没有产品10:39235.BOG压缩机研发及应用——SIAD（意大利）10:39246.BOG压缩机关键部件——CPIz自润滑密封材料面临的问题z过去几十年来，填充PTFE几乎成了各种场合的标准自润滑材料z填充PTFE无法满足极干性气体的压缩要求（寿命极短：500~6000小时）z大量研制、测试及评价工作得到了新的聚合物合金（polymeralloy）CPI184z自润滑材料的磨损过程：转移膜沉积z气体属性特别是含水量对转移膜影响很大z摩擦高温导致的滑动面与周围介质之间的化学反应是重要原因z缺乏水蒸汽时，抑制转移膜形成（磨损不稳定）z其它因素z活塞速度、载荷、气体压力及温度、粗糙度、冷却效果、气体洁净度？10:39256.BOG压缩机关键部件——CPIz无油压缩对更好自润滑材料的需求z干燥氮气（空分、纯化过程广泛使用）无油压缩机，过去寿命短到1000小时z干燥异丁烷是聚乙烯制造中的原料气，压缩机缸径大，环寿命低至1000小时z炼油工业中纯氢压缩，密封环典型寿命为1000小时zPET压缩机，PTFE在10bar以下可达3年寿命，但45bar时需要更好材料zBOG压缩机中传统填充PTFE材料寿命为2000小时z没有万能的自润滑材料能适应各种气体（因此需要大量试验研究和现场检验）z乙烯会因为摩擦热分解；CO会分解为CO2和碳粉；氧气有明显影响z影响磨损的主要因素z磨损过程不是简单的物理膜转移，还有复杂的化学反应z影响化学反应的因素都可能影响磨损过程z密封压力差、滑动速度z气体温度z配对面材料（缸套：灰铁、奥氏体铸铁；活塞杆：42CrMo，2Cr13z配对面粗糙度（缸套0.4~0.6，活塞杆0.2~0.3，碳化钨表面处理）z气体属性及其干燥程度、洁净度z冷却情况10:39266.BOG压缩机关键部件——CPIz新的自润滑密封材料研发z昀初思路是替代填充PTFE，在填充PTFE里面添加其它材料但均不成功z随后的研究思路收缩到寻找特种聚合物合金（specialpolymeralloy）z大量研制、测试及评价工作得到了新的聚合物合金CPI184z磨损评价试验台：比较不同材料磨损情况，可观察转移膜形成过程z好的材料转移膜均匀，磨损慢Carbon-filledPTFECPI18410:39276.BOG压缩机关键部件——CPIz新的自润滑密封材料研发z不同材料磨损率实验室测试比较（聚酰亚胺PE也耐磨）z现场实测结果：密封环寿命显著提高PE12000异丁烷乙烯丙烯丙烷10:39286.BOG压缩机关键部件——CPIz活塞/活塞杆密封材料z传统采用填充PTFE（石墨、碳纤维、玻璃纤维、铜粉、二硫化钼等）z1980s研制新一代多聚合物+填充材料（聚合物合金）z新的材料在特别干燥的气体（bone-dry）里表现特别好的抗磨损特性z抗磨特性主要归功于配对面上转移膜的沉积z改进效果：填充PTFE一般4000~8000小时，新的材料可到16000小时CylinderLinerPistonRod10:39296.BOG压缩机关键部件——CPIz气阀z增强聚合物材料做阀片z阀片形状优化，以提高效率和抗冲击能力z改进弹簧材料和制造技术z阀片动力学分析软件的完善z改进效果：网状阀改成环状阀，容量提高17%，功耗降低11%，排温降9℃10:39306.BOG压缩机关键部件——CPIzCPI对BOG材料推荐zCPI184z无油润滑首选密封材料（特别是极干燥气体）z平均寿命超过16000小时z更高负荷时推荐CPI192z不推荐有油压缩机、干燥氧气或空气压缩机z抗拉强度11MPa，热涨系数90X10-6，比重1.9，建议温度极限125℃zCPI192z更高负荷时推荐CPI192z抗拉强度35MPa，热涨系数40X10-6，比重1.5，建议温度极限175℃10:39316.BOG压缩机关键部件——CPIz实例1：NuovoPignoneBOG压缩机z第3级原先使用摩根HY50填料环，其使用寿命仅为6～12个月z第3级填料环改用CPI184，连续运行2年后，检测的磨损量极小z实例2：LindeBOG压缩机气缸套材料：AISI420（近似于2Cr13）z原来密封材料填充PTFE，寿命都很短z改为CPI184，密封环均能够无故障运行25000小时z实例3：D-RBOG压缩机气缸套材料：灰铸铁z原来密封材料摩根HY50填料环，寿命都很短z改为CPI184，运行1年1级支撑环磨损才0.1mm10:3932谢谢！