福建天然气液化设备

压缩机在天然气液化装置中，主要用于增压和气体输送。对于逐级式液化装置，还有不同温区的制冷压缩机，是天然气液化流程中的关键设备之一。天然气液化采用的压缩机，主要有往复式。离心式和轴流式压缩机。往复式压缩机通常用于天然气处理量比较小(100m³/min以下)的液化装置。轴流式压缩机组从20世纪80年代开始用于天然气液化装置，主要用于混合冷剂制冷循环装置。离心式压缩机早已在液化装置中广为采用，主要用于大型液化装置。大型离心式压缩机的功率可高达41000kW。大型离心式压缩机的驱动方式除了电力驱动外，还有汽轮机和燃气轮机两种驱动方式。各种压缩机的适用范匿见图3  -17所示。一般来说，往复式压缩机适用于低排量、高压比的情况，离心式压缩机适用于大排量、低压比的情况。

目前正在发展中的橇装式小型天然气液化装置，则采用小体积的螺杆式压缩机：并可用燃气发动机驱动。

用于天然气液化装置的压缩机，应充分考虑到所压缩的气体是易燃、易爆的危险介质，要求压缩机的轴封具有良好的气密性，电气设施和驱动电动机具有防爆装置。对于深低温的制冷压缩机，还应充分考虑低温对压缩机构件材料的影响，因为很多材料在低温下会失去韧性，发生冷脆损坏。另外，如果压缩机进气温度很低，润滑油也会冻结而无法正常工作，此时应选择无油润滑的压缩机。

往复式压缩机的压比通常是3:1或4:1。压缩机每级增压一般不超过7MPa。小型压缩机最高出口压力一般不超过40MPa，流量范围为0.3～85m³/min。往复式压缩机的结构形式分为立式和卧式两种。卧式压缩机的排量一般比立式压缩机大。大排量的往复式压缩机设计成卧式结构，可以使运转平稳，安装方便。立式结构的往复式压缩机，活塞环的单边磨损小。往复式压缩机的转速比较低，一般为125～514r/min，综合绝热效率为0.75～0.85。由于往复式压缩机具有效率高、压力范围宽、流量调节方便等特点在天然气工业中应用广泛。其缺点是结构比较复杂，体积大，吸排气阀易磨损，零部件更换多，维修工作量大。

新型的往复式压缩机可改变活塞行程。通过改变活塞行程，使压缩机既可适应满负荷状态运行，也可适应部分负荷状态下运行，减少动力消耗，提高液化系统的经济性，使运转平稳、磨损减少。不仅提高设备的可靠性，也相应延长了压缩机的使用寿命。这种往复压缩机的使用寿命可达二十年以上。新型的往复压缩机以效率、可靠性和可维性作为设计重点，效率超过95%。

离心式压缩机转速高、排量大、体积小，是大型天然气液化装置中的气体增压设备。流线型设计的叶轮具有很高的精度，能确保气体流道的平滑，使设备运转平稳。提高了设备的可靠性。空气动力特性的弹性设计，使动力学特性可以调节，使之适合用户的工作要求。效率可以到80%～90%。

离心式压缩机适用于吸气量14～5660m³/min的情况，每级的最高压力受出口温度的限制(205～232℃)。为了提高压比，离心式压缩机做成多级叶轮，最多达6～8级，每级压比在1.1～1.5之间，小型离心式压缩机最高出口压力可达68MPa，大型机一般只能达到17～20MPa。单级压缩机用于压比较小的场合，如LNG蒸发气体的处理系统，也就是蒸发气(BOG)压缩机。

离心压缩机的壳体有整体型和分开型。整体型离心式压缩机的壳体实际上是圆柱形的壳体，转子安装时是竖起来安装的。分开型的壳体是水平剖分；上下两半组合起来的，转子安装时可水平安装，转子安装好后，将上半部分壳体再连接上。

离心式压缩机的特点是排量大，结构紧凑，摩擦部件少，运行平稳，无流量脉冲现象，操作灵活，易于实现自动控制，维修工作量大大低于往复式压缩机。其缺点是效率较低，只能达到75%～78%，而且偏离工作点越远，效率降得越多。当流量降到某一数值时会发生喘振现象。高效工作区范围窄，相对往复式压缩机来说调节较困难。

离心压缩机的主轴密封装置是非常重要的部件，能防止被压缩的气体向外漏泄，或使漏泄的量控制在允许的范围内。轴封主要有三种形式：机械接触密封、气体密封和浮动炭环密封。机械接触密封经过不断的改进，能确保在运转和停机期间绝对不漏。当压缩机在空转或油泵不工作时，密封结构在停机状态也应不漏泄。对于用惰性气体来作密封材料时，惰性气体向内漏泄的可能性也应尽可能消除。密封的结构形式是可以变化的，取决于处理过程的要求。

气体密封结构采用干燥气体作密封材料，密封结构能控制密封气体只允许漏泄到环境中，而不能向机内漏泄。密封用的气体通常是一前一后地布置。气体缓冲系统应具有性能良好过滤器，防止外来的物体进入密封装置。在轴承盒和密封盒之间，有一个附加的隔离密封，防止润滑油进入密封盒。

浮动炭环密封主要用于排出压力较低的压缩机，允许有少量气体漏泄。这种密封可以干式运转。

由于叶轮和扩压器的标准化设计，压缩机可以在很宽的范围内工作。对不同的使用场合，需要对容量进行控制，压缩机的特性也会产生变化。容量控制主要有四种方法：吸入口节流、排出口节流、调整进口导叶及改变转速。选择何种控制方法，需要根据装置的运行要求和准备考虑的压缩机运行点以及其他的运行点的效率仔细选择。

压缩机的排量可以通过调整进口导叶来实现，使压缩机的工作范围得到扩展，改进压缩机在部分负载下的特性，调节进口导叶也可以和速度控制结合起来。

控制方法需要根据装置的运行要求，压缩机在相关点及其他状态点的效率仔细地选择。调节进口导叶扩展了压缩机的运行范围，对部分载荷时，能改善压缩机的效率。

正确选择符合使用要求的压缩机，需要考虑多方面的因素，包括要求的进口流量和排出压力，根据压力和流量的图线，确定压缩机的结构尺寸，然后根据纵坐标上的速度，求出名义工作速度。对于摩尔质量低的气体，使用立式安装型(筒式外壳)的压缩机是比较合适的，因为筒装式结构具有优异的密封性能，这种形式也可适用于工作压力比较高的场合。

在天然气液化装置中，无论是液化工艺过程或是液一气转换过程，都要使用各种不同的换热器。在工艺流程中，常用绕管式和板翅式换热器。大多数基本负荷型的液化装置都采用绕管式换热器。板翅式换热器则主要应用于调峰型的LNG装置，但基本负荷型的LNG装置中也有使用这种换热器的情况。

这两种换热器在低温液化和空气分离装置中，早已得到成功的应用。绕管式换热器的特点是效率较高，维修方便，如果有个别管道发生漏泄，在管板处将其堵住，设备仍然可以使用，而且很适合于工作压力很高的工作条件。板翅式换热器的成本比较低，结构紧凑，应用也非常普遍。

在LNG系统中，还有一类专门用于液态天然气转变为气态的换热器，称为气化器。随着使用的性质、加热方式和气化量规模等因素的不同，气化器也有各种不同的形式。按加热方式分，主要可以分为空气加热、海水加热、燃烧加热等形式。关于气化器将在第六章中介绍。

绕管式或螺旋管式换热器，在空分设备中有着广泛的应用，在LNG工业发展的初期就已经广泛使用了这种换热器。大多数的LNG液化装置，是在空气产品公司的混合制冷剂循环的基础上发展起来的。混合制冷剂循环液化流程就是采用绕管式换热器。

在绕管式换热器中，铝管被绕成螺旋形，从一根芯轴或内管开始绕，一层接一层，每一层的卷绕方向与前面一层相反。管路在壳体的顶部或底部连接到管板。高压气体在管内流动，制冷剂在壳体内流动。传统的绕管式换热器的换热面积达9000～28000m²。绕管式换热器的制造方式各有不同，缠绕时要拉紧，保证均匀。管的端部插入管板的孔中，然后进行涨管。管板起到固定管子的作用，涨管起到密封的作用。在壳体内部，还需要设置一些挡板，减小一些流通面积，以增加流体的流速和扰动，提高传热效率。然后管束置于壳体内，壳体与管板焊接成一个封闭的容器。此后要进行压力试验，如果其中的任何一根管道有漏泄，可在管路的两端堵死管口，防止高压侧流体串通到低压侧。堵管的方法在现场也可以应用。美国在建立某LNG装置时，总共四个换热器。共有77540根管路，有2根管路因漏泄采用堵的方法，使换热器仍然正常运行。

由于在天然气液化流程中，换热器中通常存在多股流体，每股流体可能还是气液两相混合的状态，使换热器的结构更为复杂。换热器的设计计算通常要采用计算机程序来进行。确定了换热器的大小(表面积、管数与管长、总长、螺旋角及管间距)就可以计算压降。如果压降满足要求，可将管内侧和管外侧的边界条件作为独立变量，通过反复计算来进行优化。作为制造商的惯例，在LNG装置调试或运行时，要对产品进行综合测试，以证实设计的正确性。确保液化处理过程能实现全负荷的运行要求。