许京栋

(中石油江苏液化天然气有限公司,江苏 南通 226001)

随着时代的发展,LNG作为清洁无污染的高效能源越来越得到重视。近年来,中国沿海城市大批的LNG接收站项目正在建设,而LNG接收站最关键的部分就是BOG的处理,BOG压缩机作为这样一个核心的设备在整个工艺流程中起着重要的作用。

通常LNG接收站在BOG的处理上有两种方式,第一种是利用高压压缩机将储罐内的BOG直接加压后输送至外输NG管道[1],从而维持储罐压力。第二种则是由BOG压缩机将储罐内的BOG加压后输送至再冷凝器,再冷凝器再通过低压泵输送的LNG将BOG再液化成LNG输至下游。

1 往复式BOG压缩机的结构

1.1 基本组成

往复式BOG压缩机的结构主要由汽缸盖、阀门、活塞、活塞杆压盖、活塞杆、导向轴承、机架、十字头、连杆、曲轴轴承、连杆轴承、曲轴、曲轴密封、隔热装置等构件构成,见图1。

1.气缸盖;2.阀门;3.活塞;4.活塞杆压盖;5.活塞杆;6.油挡;7.导向轴承;8.机架;9.十字头;10.十字头销轴承;11.连杆;12.机架盖;13.曲轴密封;14.地脚螺栓;15.底板;16.飞轮;17.曲轴轴承;18.连杆轴承;19.曲轴;20.滤油器;21.齿轮油泵;22.压力计;23.隔热装置;24.附加余隙控制装置。

其中,往复式压缩机的主体又可以分为三大部分:气缸、隔离段和曲柄机构。

1.2 气缸

按照气缸的压缩方式,气缸可以分为单作用气缸和双作用气缸[2],往复式BOG压缩机中共有两级气缸,在每一个气缸里各有一个迷宫活塞对BOG气体进行压缩,气缸与活塞通过销和螺钉固定在机架上,活塞杆压盖装配在气缸底部,采用迷宫式密封设计。

气缸中的吸气阀和排气阀以止回阀的方式工作,从而确保气体从压缩机的吸气侧输送至排气侧。吸气阀直接比排气阀直径大,这可以防止将吸气阀装到压缩机排气阀的位置,或将排气阀装至吸气阀的位置。

吸气阀与排气阀结构见图2。

S.安装就位的吸气阀;D.安装就位的排气阀;G.气流;φ.阀直径;1.阀盖;2.衬垫;3.压筒;4.吸气阀;5.排气阀。

压缩机的活塞为双动活塞,即上端和下端压缩工艺气体。活塞杆由一道槽分为上下两个区域,十字头和导向轴承之间的活塞杆部分采用飞溅润滑。

1.3 隔离段

隔离段是活塞杆压盖和导向轴承之间的区域[3]。隔离段将未润滑的压缩区和被润滑的曲柄机构清晰分开。导向轴承和活塞杆压盖之间的距离比活塞行程长,这样便于安装油挡,以防油沿着导向轴承上方的活塞杆流淌。隔离段所有的孔口均用机架盖封闭,并用扁平衬垫密封。

1.4 曲柄机构

曲柄机构包括连杆、十字头、导向轴承、轴承、飞轮、平衡重等组成,其中曲柄机构中轴承在驱动端上与电动机连接,曲轴的旋转通过连杆转化成十字头的往复运动,拆卸曲轴时,必须拆除气缸和机架,采用平衡重来减少自由力及联结点,通常平衡重为螺栓固定的部件或锻造为曲轴的零部件。

主轴承由两个无填隙片的轴瓦组成,因此轴承间隙不能重调,两个轴瓦之间不能互换。曲轴通过机械气密性曲轴密封实现在驱动端密封,曲轴密封的外盖一直浸没在润滑油中,因此曲轴密封不会与工艺气体直接接触,压缩机运行时,润滑油循环的同时也是在冷却曲轴密封。

十字头通过连杆作上下运动,导向轴承使活塞杆与十字头一起保持精确的线性移动,此外,导向轴承还将与曲轴箱与隔离段分开。飞轮则用于补偿从压缩机到电动机的不均匀负载。

2 往复式BOG压缩机的辅助系统

2.1 润滑油系统

润滑油系统是为了确保对轴承和十字头的充分润滑,润滑油在封闭的系统中循环,压缩机的辅油泵在压缩机启动前会为轴承和十字头提供润滑油,因此在启动压缩机前需要先启动辅油泵,压缩机停机后,辅油泵会自启。其结构如图3所示。

1.温度指示器;2.温度变送器;3.油冷却器;4.温度指示器;5.截止阀;6.止回阀;7.预润滑泵;8.双联滤油器;9.截止阀;10.压差指示器或变送器;11.压力计;12.压力计或变送器。

在正常运行期间,压缩机的齿轮油泵通过内置式滤油器从曲柄机构吸油,迫使油经油冷却器和双联滤油器流至压缩机轴承和十字头[4]。双联滤油器包括两个过滤器壳体并配备一个差压指示器或开关。在正常运行期间,油流过两个过滤器滤芯中的一个。如果污染程度超过允差的阈值(滤油器进出口之间的压差),操作员必须切换至另一滤芯。这样,可以一边清洗被污染的滤芯,一边采用另一个滤芯继续工作。

2.2 冷却液系统

工艺气体压缩时产生的热量几乎全部借助冷却剂来实现散热,所以必须使用干净、非腐蚀性、并且具有足够低的冰点的冷却剂,通过供液总管将冷却剂引入各部件。一般的压缩机冷却剂采用体积比为1∶1的水与乙二醇混合溶液,特点是在任何温度下都不会结冰。

冷却/加热系统是恒温控制的,冷却剂在闭合的系统中循环且不能中断,即使在停止运行期间,冷却剂仍然需要以恰当的最低温度循环。

冷却的位置与作用见表1。

表1 冷却的位置与作用

2.3 氮气系统

压缩机的氮气系统主要有两种作用:一是作为压缩机的密封气,二是对压缩机进行负荷调节。压缩机的负荷控制是通过可控吸气阀和附加余隙控制装置实现的,其均配有执行器。

2.4 安全装置系统

为确保压缩机平稳运行,在异常情况下能防止人员受伤和设备损坏,压缩机设置了一系列的安全装置系统,包括紧急停车、温度检测、压力检测等,其中流量检测是检测的冷却剂的流量,目的是防止隔热装置堵塞及随后的曲柄机构冷却等故障损坏压缩机,振动开关是为了防止压缩机因振动过高而引起机体的损坏。此外,还装有安全阀和止回阀等装置。

3 往复式BOG压缩机的工作原理

往复式BOG压缩机在LNG行业装置中属于关键核心设备,它必须保证可以高强度、高负荷、长时间地运行。它具有压力区间大,适配于各种低压到高压的工作环境,热效率高,适应性强,排气的范围大,所需的材料要求不高等优点。

压缩机的工作原理是由活塞在气缸内的往复运动与气阀相应的开、闭动作相结合,使气缸内气体依次实现膨胀、吸气、压缩和排气四个过程,不断循环,将低压气体升压源源不断地输出。

它的行程如果设曲轴的曲柄半径为R,那么活塞从上到下移动的最大距离就是2R,总共为行程S。活塞由上到下,再由下到上返回原来的位置,走两个过程,成为一个循环(对于活塞每一侧气体而言,完成一次循环,包括膨胀、吸气、压缩、排气四个过程)。

4 往复式BOG压缩机的维护

4.1 预防性维护重要性

往复式BOG压缩机需要长时间的高强度运行,所以更需要定期进行预防性维护,合理安排预防性维护能够增加BOG压缩机的使用时长,避免BOG压缩机的内部部件受到损坏和故障,增加操作人员和机器的安全性。

往复式BOG压缩机的传递动力部分、气体进出及密封部分、辅助部分都是容易出现损坏的地方[5]。故需要定期检查往复式BOG压缩机的装置部件例如压力容器、冷却器、阻尼器等的沉淀和腐蚀情况。对于松动的触头和电缆应立即进行修复,保护装置的所有部件,如主电机、油泵、冷却系统泵、气动控制系统、液压控制系统等,防止意外发生。

4.2 维护前的准备工作

在开始任何检查修理或维护工作之前的第一步,是切断配电箱的电源,并且用挂锁把开关锁在“OFF”(断开)位置,即使是所谓的低电压电路,也应该执行上述步骤,应该对锁在断开位置的压缩机和设备的开关或控制装置贴上标签,将该设备状态通知给设备或电路或维修维护区的每个工作人员。只有接收机器安全锁定程序相关培训合格的电工,才能对电气设备进行维护。另外所用的锁应该都是不相同的,每把钥匙只能开一把锁,应该对每一个授权对设备上锁和挂牌的维护人员配备一套自己的钥匙和锁,所有对设备进行维护的人员应该用自己的锁来锁该设备的开关,只允许经过授权的人员开启锁。

在设备断电完成后,需要对设备进行泄压和吹扫的步骤,完成包括工艺系统、氮气系统、冷却水系统的工艺和机械隔离。

运行预润滑泵,去除溶解在油中的工艺气体,关闭吸气和排气侧工艺管线上的截止阀,关闭旁通阀,将工艺管线上的通至喇叭口的通风阀打开,将通至隔离段的氮气源吹扫阀打开,将执行器的截止阀打开,打开压力仪表的所有截止阀,将通至吸气管和压缩机的氮气源吹扫阀打开,吹扫压缩机系统合适的时间,关闭工艺管线、隔离段和曲柄结构的所有通风阀,对吸气和排气截止阀之间的装置部分,用氮气加压到该部分最低安全压力限值(通常低于曲柄机构安全阀的设定压力)保持合适的时间,关闭氮气源,将隔离段和曲柄机构的通风阀打开至安全位置,维持合适的时间后,将工艺管线和通风阀打开至安全位置,重复步骤,直至排放气体监测结果氢含量低于作业规范中的规定值,在对压缩机或其附件(如适用)执行任何维护工作前,确保所有盲板法兰已在维护位置。

4.3 常见压缩机的故障与处理办法

4.3.1 压缩机入口压力过低

入口压力过低原因可能是储罐压力低,此时需要停掉压缩机,也可能是压缩机的入口切断阀故障被关小,此时则需要将故障压缩机停掉切至备用压缩机后,检查阀门状态。

4.3.2 压缩机润滑油压过低

润滑油压过低原因可能是润滑油压力表失灵,此时则需要校准或更换油压表,也有可能是油过滤器或管路堵塞,此时需要清理过滤器或检查润滑油质量,决定是否换油,还有可能是曲轴箱中油量不足,此时则需要增加曲轴箱中的油量,使其保持正常油位。

4.3.3 冷却液温度过低和过高

冷却液温度过低的原因可能是电加热器故障,需要停压缩机后检查并维修电加热器,也有可能是NG泄露,此时则需要停掉故障压缩机,启动备用压缩机,吹扫排净后找出泄露原因。

冷却液温度过高的原因可能是风冷器故障,需要停掉压缩机检查并维修风冷器,也可能是压缩机出现故障,则需要停机隔离检查,找出原因。

4.3.4 压缩机超电流(或绕组和轴承温度过高)

压缩机超电流,有可能是电动机负荷太大导致,此时应降低压缩机出口压力,减小压缩机负荷。如果是周波低或电压低,或者是电气故障,则需要联系电工到现场进行处理。还有可能是励磁机出现故障,此时若无法控制,则应根据实际情况采取泄压停车或紧急停车处理。

4.3.5 压缩机冷却液压力过低

压缩机冷却液压力低可能是由于冷却液泵故障导致,可以切换至备用泵后断电维修,也有可能是阀门和冷却液管道故障,此时则需要停止压缩机断电隔离维修。

4.4 日常的定期检查与巡检内容

4.4.1 定期检查具体内容

一是检查所有系统正确操作,无报警指示,定期检查工艺气体和辅助流体无泄漏,包括润滑油、密封器、仪表风等。

二是检查压缩机一、二级气缸的进、出口的温度和压力,并检查压缩机的振动情况。

三是定期检查冷却剂的蓄能器压力,不足时要及时补充,并检查冷却剂缓冲罐的压力,压力过低时需要注入,检查冷却水泵出口压力,压力过低时,需要启动备用冷却水泵,否则系统将会停车。

四是定期检查空冷器风扇,有一台损坏时需要及时更换。定期检查并联的双过滤器,如果其中一台故障,可以不停润滑油系统直接切到另一台过滤器,但损坏的过滤器需要及时更换。

五是检查曲轴箱润滑油加热器是否正常。

4.4.2 日常巡检内容

日常巡检主要为实时关注压缩机的运行状态,主要关注压缩机的润滑油液位、温度、压力,以及冷却水的温度、压力、水流等情况。同时还需要关注现场压缩机运行时是否有异响,振动是否正常,是否有跑冒滴漏等现象。

5 结语

我国并不是一个石油天然气资源丰富的国家,天然气的储量只占世界储量的1%,而且人口众多,这也就决定了我国是一个能源进口大国。LNG作为较为清洁的化石能源,更是进口的主要内容。所以未来的LNG接收站市场是巨大的,维持LNG接收站安全稳定的运行更是重中之重,BOG压缩机作为整个工艺流程中最关键的设备之一更是需要我们去钻研,在平时的日常巡检和例行维护的过程中,也需要仔细对待。