【论文精选】LNG储备调峰站BOG压缩机选型及电气驱动

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作 者： 金树奎，蓝钦，刘大伟

第一作者单位： 中国市政工程华北设计研究总院有限公司第十设计研究院

摘自《煤气与热力》2023年7月刊

参考文献示例

金树奎，蓝钦，刘大伟 .  LNG 储备调峰站 BOG 压缩机选型及电气驱动 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（7） ：B07-B10.

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1    概述

随着国家煤改气政策的实施，各大中城市相继建设 LNG 储备调峰站。 LNG 储备调峰站主要有两个功能，即 LNG 的储备及城镇燃气调峰。对多个站点进行调研， LNG 储备调峰站绝大部分时间处于储备过程，调峰过程的时间约占全年时间的 5%~10% ，而储备过程与调峰过程所产生的 BOG （ Boiling Off Gas ，蒸发气）量相差数倍，储备过程中天气因素对 BOG 产量有很大的影响，白天和夜间的 BOG 产量差异可达 60%~70% 。

LNG 储备调峰工艺过程包括 LNG 卸车 、储存、气化、调压、计量、加臭、外输，其中 BOG 压缩机的作用是将 LNG 储罐 储存和生产过程中产生的 BOG 回收，使其压力增至 1.6 MPa ，经计量加臭后进入站外次高压 A 管网中。 BOG 压缩机是 LNG 储备调峰站保持 LNG 储罐压力平衡的关键设备，其用电负荷占厂站用电负荷的 20%~30% 。

2   BOG 压缩机选型

2.1  BOG 压缩机的选型原则

LNG 储备调峰站的运行特点是调峰功能只在冬季供气高峰期使用，一年中大部分时间处于储备状态，其他时间处于维持储罐基础蒸发量的状态。

从机械动力设备角度出发，长期闲置不运行或者高频次的启停会对机械和电气造成冲击，进而影响设备的使用寿命和长期稳定性。从用户设备管理角度来讲，常规的、规格单一的设备，更有利于设备的维护保养，减少备品备件的投入，降低运营成本。从用电负荷分析， BOG 压缩机用电负荷占厂站用电负荷的 20%~30% ，减小 BOG 压缩机的功率能降低设备启停对电网的冲击。

为减少设备的频繁启停， BOG 压缩机应负荷连续可调，并且在连续可调的区间内能够满足储罐基础蒸发量，以此为基准选择流量大一些的压缩机，可以兼顾在 BOG 产量高的阶段使用。为满足 BOG 产量变化，兼顾设备管理，可配置多台同种规格的压缩机，即保证了设备的单一性，又能在储备状态下轮换使用各台压缩机。单台压缩机功率不会太大，启动过程对电网的冲击比较小。

常用的压缩机有 3 种类型：往复式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机， LNG 储备调峰站主要使用往复式和螺杆式压缩机，离心式压缩机主要应用在气量稳定且大气量的场所，不适合 LNG 储备调峰站。

压缩机出口压力为 1.3 MPa 及以下时，建议选用螺杆式压缩机。螺杆式压缩机适合长期连续运行、维护工作量低、负荷调节范围大的情况，并且有极高的稳定性，甚至可以不需要备用机。出口压力为 1.3 MPa 以上时建议选用往复式压缩机，往复式压缩机适合各种出口压力。

螺杆式压缩机只有旋转运动，无往复运动， 平衡性能好，比较理想的调速范围为 30%~100% 。往复式压缩机，由于其负载力矩特性不均匀或呈周期性变化，谐波力矩在运行中持续存在，作用于异步电动机主轴上的脉动转矩将使动态稳定运行过程产生强制振荡，即引起异步电动机功率角相对于其平均值作周期性变化，从而使异步电动机的转矩和电流产生波动。由于机械固有的特性，往复式压缩机转速范围为 60%~100% ，比螺杆式压缩机机小很多。

BOG 压缩机选型原则为：以储罐基础蒸发量为基准选用压缩机；配置多台 BOG 压缩机，选择相同的型号；在出口压力能满足要求的前提下尽量选择螺杆机。

2.2  BOG 压缩机选型实例

2.2.1  江苏 A 地 LNG 储备调峰站项目概况

以江苏 A 地 LNG 储配调峰站项目为例。该项目外输天然气管道设计压力为 1.6 MPa ，最大外输天然气流量为 9.0 × 10 ⁴  m ³ /h ，设置 4 座 5 000 m ³ 金属全容罐，每座储罐设有 2 台潜液泵。设有 1 座装卸车罩棚，设有 6 个 装卸 车位； 1 座压缩机罩棚，设有 4 台 BOG 压缩机及冷却器； 1 座调压计量橇罩棚，设置 1 套调压计量加臭装置。 A 地大气压取 101.325 kPa ， LNG 储罐的工作压力为 15 kPa 。

2.2.2 BOG 产量计算

当地全年大气压变化最大值为 212 Pa 。由于大气压变化较小，故不考虑大气压变化对 BOG 产量的影响。因此， BOG 产量为储罐基础蒸发量与卸车 BOG 产量之和。在计算 BOG 产量的过程中，将 LNG 视为纯甲烷。标准状态（标态）指温度为 0 ℃，压力为 101.325 kPa 。

①储罐基础蒸发量

4 座储罐的总储量为 2.0 × 10 ⁴   m ³ ， LNG 储罐的静态蒸发率取 0.08% d ^-1 ，饱和液态甲烷在绝对压力为 0.116 325 MPa 下的密度取 420.09 kg/m ³ ，可得储罐基础蒸发量为 280.06 kg/h ，相应 BOG 标态体积流量为 390.38 m ³ /h 。

②卸车 BOG 产量

LNG 是由汽车槽车卸至 LNG 储备调峰站储罐内，由于饱和蒸气压力的变化而发生闪蒸，有大量 BOG 产生。 LNG 槽车工作压力为 0.1 MPa ， 6 辆 LNG 槽车同时卸车，卸车量按 257 m ³ /h 计算。甲烷的饱和热力学参数见表 1 ^{［ 1 ］} ，表 1 中，“—”表示本文不涉及，未给出。

表 1    甲烷的饱和热力学参数

③ BOG 产量

不卸车时， BOG 产量为储罐基础蒸发量， BOG 标态体积流量为 390.38 m ³ /h 。卸车时， BOG 产量为储罐的基础蒸发量、卸车 BOG 产量二者之和， BOG 标态体积流量为 8 007.52 m ³ /h 。

2.2.3 BOG 压缩机的选型

考虑出口压力与 1.3 MPa 接近，采用螺杆式压缩机 4 台。压缩机进口压力为 15~20 kPa ，出口压力为 1.60 MPa ，标态体积流量为 2 000 m ³ /h 。电动机电压为 10 kV ，频率为 50 Hz ，功率为 400 kW 。

3   BOG 压缩机启动方式

3.1   启动方式的选择

BOG 压缩机用电负荷占厂站用电负荷的 20%~30% ，压缩机的启动设计对于厂站的配电节能设计影响较大。 LNG 储备调峰站 BOG 压缩机，一般情况下采用异步三相电动机驱动，异步三相电动机启动方式有直接启动、星三角启动、软启动和变频启动。

设计实践中，单机功率 200 kW 及以下的压缩机一般使用 380 V 交流电动机， 200 kW 以上的压缩机一般使用 10 kV 电动机。但随着制造技术进步以及电气元件制造成本降低，近几年工程应用中 200 kW 以上甚至近 1 000 kW 的电动机也采用 380 V 电动机变频启动，主要原因是变频启动时对变压器几乎没有冲击，变压器容量按照正常负荷选择即可，其次是高压电动机变频器相对于低压变频器昂贵，采用 380 V 变频器比采用 10 kV 变频器可降低 50% 以上成本。高压变频器比低压变频器占地面积大很多，运行维护也更复杂。

综上所述，主要考虑 LNG 储备调峰站每台压缩机需要满足频次较高的启停和负荷调节范围大这两个要求， BOG 压缩机采取变频启动。

3.2   变频启动的原理和特点

变频启动指用逐步提高电动机定子绕组的供电频率来提高电动机的速度。这种启动方式也降低了电动机的端子电压和启动电流。由于变频启动改变了异步电动机的同步转速，保持了电动机的硬机械特性，与其他启动方式相比，启动电流小而启动转矩大，对设备无冲击力矩，对电网无冲击电流，既不影响其他设备运行，又有理想的启动特性。

在运行过程中，变频器能够根据现场负荷状态，动态地调节压缩机的转速，使之匹配 BOG 产量，动态维持储罐压力的平衡。变频驱动的优点如下：

①根据实际需要调整转速和功率，动态匹配 BOG 产量，维持 LNG 储罐压力平衡，具有节能的优点。

②可以减少设备启停次数，提高设备使用寿命。

③启动无冲击。使用矢量控制变频器，可实现从零转速到额定转速的满转矩，无论是对 BOG 压缩机还是对电网，都没有冲击。

3.3   启动模式的选择

在多台 BOG 压缩机环境下，启动模式有 3 种：单台变频启动加多台软启动模式、一对一变频启动模式、单台变频器拖动多台电动机启动模式。

单台变频启动加多台软启动模式是指当 1 台变频压缩机不能满足运行要求时，可以启动工频压缩机来满足运行要求，变频压缩机继续调速运行。单台变频启动加多台软启动模式的优点是节省了启动设备投资，缺点是软启动由于电动机启动电流大，造成变压器容量变大。与 BOG 压缩机全部采用变频启动相比，节省的资金约为 BOG 压缩机组总造价的 3% 左右，优势并不明显。

单台变频器拖动多台电动机的启动模式存在以下问题：变频设备内电子元件较多，结构复杂，且在变频电源与工频电源切换过程中易发生故障，对维修人员的技术要求比较高。当电动机由变频电源切换到工频电源时，变频器输出端切断电动机后方可接入工频电源，否则，电动机还没有完全脱离变频器（例如电弧还没有熄灭），工频电源过早完成切换，形成工频短路。当电动机由工频电源切换到变频电源时，如果变频器的输出频率在电动机内产生的旋转磁场的转速，即同步转速大于电动机转子转速时，造成切换电流变大；同步转速小于电动机转子转速时，变频器切换后便进入电动机制动状态，如果不启动制动电阻，会产生过压保护。所以当电动机由工频电源切换到变频器电源时，变频器要检测电动机的转速，自动调整输出频率，以达到平稳切换。

BOG 压缩机若运行维护不当，将造成天然气的巨大浪费，其浪费的天然气的价值远高于压缩机一对一配置变频器的费用。

综上所述，一对一变频启动模式是较为合理的。

3.4   变频启动的注意事项

③一般压缩机、泵类负载变频器调节频率时不宜低于 15 Hz 运行，如果确实需要在 15 Hz 以下长期运行，需考虑电动机容许温升，必要时应采取外置风冷措施。要特别注意 50 Hz 以上高速运行的情况，若超速过多，会使负载电流迅速增大，导致烧毁设备。使用时应设定上限频率，限制最高运行频率。

④电动机额定频率运行时，变频器供电的电动机电流增加约 10% ，温升约增加 20% ，因此变频器供电的电动机不宜在额定频率下满载运行。例如，为更精确地控制流量或者压力以达到节能目的，将电动机由工频控制改为变频控制。此时应注意，电动机是通过设置在电动机轴上的冷却风扇进行冷却的，在连续低速运行时，将会因其自身的冷却能力不足而出现电动机过热现象。可采取以下措施：为电动机另配冷却风扇；选择更大容量电动机；提高电动机绝缘等级；改用变频专用电动机；对电动机运行频率范围进行控制，避免在低频下长期运行。

⑤变频器输出端允许连接的电缆长度是有限制的。若需要连接长电缆，或控制几台电动机时，应采取措施抑制对地耦合电容的影响，并应放大 1~2 档选择变频器容量或者在变频器的输出端设置输出电抗器。

4    结束语

① BOG 压缩机选型原则为：以储罐基础蒸发量为基准选用压缩机；配置多台 BOG 压缩机，选择相同的型号规格；在出口压力能满足要求的前提下尽量选择螺杆机。

②建议 BOG 压缩机启动方式采用变频启动，启动模式采用一对一变频启动。

参考文献：

［ 1 ］黄永华 ， 陈国邦 .  低温流体热物理性质［ M ］ . 2 版 .  北京：国防工业出版社 ， 2014 ： 428.

（本文责任编辑：马艳）

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