05-LNG生产主要设备10.23

2020/4/15LNG1第五章LNG生产主要设备液化天然气（LNG）技术2020/4/15LNG2第一节制冷压缩机组液化工艺中主要工艺设备有制冷压缩机组、换热器、膨胀机等。在LNG工厂的投资费用中，工艺设备占40％以上，其中制冷压力机组占50％，换热器占30％。制冷压缩机组制冷压缩机组，包括压缩机和驱动装置（原动机）。制冷压缩机组一般不备用。2020/4/15LNG3第一节制冷压缩机组一、离心式压缩机整套离心式压缩机组是由电气、机械、润滑、冷却、控制等部分组成的一个系统，主要由转子、定子、和辅助设备等部件组成。2020/4/15LNG4第一节制冷压缩机组离心压缩机的特点①流量大。由于往复往复式压缩机是间歇地进、排气，而气量又受气缸容积及活塞往复运动速度所限制。离心压缩机中气体是连续流动，流通截面较大，同时叶轮转速很高，故流量很大。②转速高。离心压缩机中转子只作旋转运动，转动惯量小，且与静止部件不接触。这不仅减少了摩擦，还可大大提高转速。③结构紧凑。机组重量及占地面积都比同一气量的活塞压缩机小得多。④运转可靠。由于转动部件与静止部件不直接接触摩擦，因而运转平稳、排气均匀、易损件少。且不需备用机组，维修量小。⑤单级压力比不高。⑥效率稍低。由于离心压缩机中气流速度较大，造成能量损失较大，故效率较活塞压缩机稍低。⑦由于离心压缩机转速高、功率大、无备机，因此一旦发生事故，后果是严重的，需有一系列紧急安全保障设施。一、离心式压缩机2020/4/15LNG5第一节制冷压缩机组在天然气加工中通常需要三到四个叶轮的离心式压缩机用于制冷操作。为使用多个级间闪蒸节能器的机会并允许多个冷却温度水平以进一步降低功耗的机会。离心式压缩机装置的主要缺点：出口节流会引起气流波动。为了避免波动问题，在低负荷操作期间将排出的制冷剂蒸气循环回压缩机吸入口。2020/4/15LNG6第一节制冷压缩机组离心式压缩机主要参数计算：（1）排气温度离心式压缩机的排气温度按多变压缩计算：（5-1）式中Td—离心式压缩机的排气温度，K；Ts—离心式压缩机的进气温度，K；ε—压缩比；m—多变指数。（2）多变效率（5-2）式中ηp—离心式压缩机的多变效率；m—多变指数；k—气体绝热指数。mmsdTT111kkmmp2020/4/15LNG7第一节制冷压缩机组（3）离心式压缩机的功率离心式压缩机的理论功率：（5-3）式中p—多变效率；Ps—进气压力，kPa；Vs—进气流量，m3/min；Pd—排气压力，kPa；ηp—绝热效率。pmmsdssppmmVpN1)(1634.112020/4/15LNG8第一节制冷压缩机组离心式压缩机的实际消耗功为：（5-4）g—机械效率，一般取以下数值：N2000kW，g=97～98%N=1000-2000kW，g=96～97%N1000kW，g=94～96%c—传动效率，直接传动时c=1.0，用齿轮增速箱传动时，c=0.93～0.98。cgdNN2020/4/15LNG9第一节制冷压缩机组二、往复式压缩机往复式压缩机的特点：优点：①适用压力范围广。依靠工作容积变化的原理工作，因而不论其流量大小，都能达到很高的工作压力。②热力效率较高，功率消耗较其它型式压缩机低。③对介质及排气量的适应性强。可用于较大的排气量范围，且排气量受排气压力变化的影响较小。缺点：①因往复惯性力大，使转速不能太高，故机器较笨重，大排量者尤甚。结构复杂、易损件多，使维修工作量大；②由于排气不连续，造成气流压力脉动，易产生气柱振动。使用往复式压缩机时，制冷工艺温度通常要求两级压缩。这提供了一个使用一个级间节能器的机遇，也提供了一个辅助制冷的机会。综上所述，往复式压缩机主要适用于中、小流量而压力较高的场合。2020/4/15LNG10第一节制冷压缩机组往复式压缩机主要参数计算：（1）排气量和供气量排气量与供气量的关系按下式计算。（5-5）式中Vs——排气量，m3/min；——进气状态下的相对湿度；psa——进气温度下的饱和蒸气压力，kPa；p0——标准大气压力，kPa；T0——标准状态温度，K；Ps——进气压力，kPa；Ts——进气温度，K。Ts=40C;V——供气量，m3/min。VTppTpVsasss00)(2020/4/15LNG11第一节制冷压缩机组（2）实际压缩机的排气量：排气系数：（5-6）式中λ—排气系数，表示实际排气量与理论排气量之比。v—容积系数；p—压力系数；t—温度系数；g—气密系数。（3）排气压力及级数（5-7）式中t—压缩机的总压缩比；B—级数。gtpvttVVV2020/4/15LNG12第一节制冷压缩机组（4）排气温度（5-8）式中Ts、Td—进、排气的绝对温度，K；ε—压缩比；K—绝热指数。kksdTT12020/4/15LNG13第一节制冷压缩机组（5）功率压缩机指示功率，多按绝热循环计算：理想气体：Z级压缩机实际气体：式中Ni—指示功率，kW；Psi—第i级名义吸气压力，kPa；Vti—第i级的气缸行程容积，m3/min；λvi—第i级的容积系数；—第i级的考虑压力损失的实际排气和吸气压力，kPa；ki—第i级理想气体的绝热过程指数；kTi—第i级实际气体的温度绝热指数；zsi、zdi—第i级名义压力下的气体压缩性系数。sidisikksidiTiTiZivitisiZiidiizzzPPkkVPNNTiTi211634.1111diPsiP1''1634.1111TiTikksidiTiTiZivitisiZiidiiPPkkVPNN2020/4/15LNG14第一节制冷压缩机组轴功率为：（5-11）式中ηm—压缩机机械效率，一般中、大型压缩机ηm=0.90～0.95；循环压缩机ηm=0.80～0.85。驱动机的功率应为：（5-12）式中ηc—传动效率，皮带传动ηc=0.96～0.99；齿轮传动ηc=0.97～0.99；半弹性联轴节：ηc=0.97～0.99；刚性联轴节：ηc=1。midNNceNN15.1~05.12020/4/15LNG15第一节制冷压缩机组（1）螺杆式压缩机主要特点：①它的单位排气量的体积、质量、占地面积以及排气脉动均远比往复式压缩机为小。②螺杆式压缩机在宽广的工况范围内，仍能保持较高的效率，没有动力型压缩机在小排气量时出现的喘振现象。③它可用于所有制冷剂。④螺杆式压缩机可在很宽的吸入和排出压力范围条件下操作而系统毋需改造。实际上压缩比无限制。⑤发动机、气体透平和膨胀机也可用作驱动器。三、螺杆式压缩机2020/4/15LNG16第一节制冷压缩机组(2)往复式压缩机特性计算：1）排气温度①干式螺杆压缩机（5-13）式中Td—排气温度，K；—外压缩比，；m—多变指数；Ts—进气温度，K。mmsdTT12020/4/15LNG17第一节制冷压缩机组②喷油螺杆压缩机（5-14）式中Ns—压缩机的轴功率，kW；G—排气质量流量，kg/s；G0—喷油质量流量，kg/s；Cp—气体的比热容，J/（kg·K）；Cpo—油的比热容，J/（kg·K）；Tsg—气体的进气温度，K；Tso—油的进口温度，K；Td—排气（油）温度，K。sodpoosgdpSTTCGTTGCN3102020/4/15LNG18第一节制冷压缩机组2）指示功率①内压缩比和外压缩比相等时的指示功率对于干式螺杆压缩机：（5-15）式中N—功率（指示功率），kW；ps—进气压力，kPa；Vs—进口状态下压缩机排气量，m3/min；—压缩比；k—绝热指数；m1—多变指数，m1k，对于空气m1=1.5-1.6；—排气系数，对于对称圆弧型线=0.65-0.90，单边不对称型线=0.7-0.95。)1(11)1(10167.01111111111mmmmssmmkkmmVpN2020/4/15LNG19第一节制冷压缩机组对于喷油螺杆压缩机:（5-16）式中m2—喷油冷却的多变指数，m2k；—排气系数，对于对称圆弧型线=0.75-0.9，单边不对称型线=0.8-0.95。②内压缩比和外缩比不相等的指示功率对于喷油螺杆压缩机（5-17）式中N—指标功率，kW；in—内压缩比。)1(11)1(10167.02222122122mmmmssmmkkmmVpN)()1(11)1(10167.0211221111122indminmminmminssPPmmkkmmPVN2020/4/15LNG20第一节制冷压缩机组3）绝热功率和绝热效率（5-18）绝热效率（5-19）低压缩比、大中排气量时，ad=0.7～0.75；高压缩比、中小排气量时，ad=0.6～0.7。)1(10167.01kkssadkkVpNsadadNN2020/4/15LNG21第一节制冷压缩机组四、轴流式压缩机轴流式压缩机主要用于大流量、低压力比的场合，１、效率亚声速级轴流式压缩机的多变效率ηp=0.84~0.93，跨声速级轴流式压缩机的多变效率ηp=0.8~0.89。多变效率ηp与绝热效率的换算关系为：式中ηp—轴流式压缩机的多变效率；ε—压缩比；ｍ—多变指数；ｋ—气体绝热指数。2020/4/15LNG22第一节制冷压缩机组四、轴流式压缩机2、级数轴流式压缩机的级数i按下式计算：式中hp—轴流式压缩机的总能量头，kg·m／kg；Ｚ—压缩因子；Ｒ—气体常数，（kg·m）／（kg·k）；T1—进气温度，Ｋ；hadm—级的平均能量头，hadm＝1500～2500kg·m／kg。2020/4/15LNG23五、压缩机的选择（大型液化装置）预冷循环多选用离心式压缩机；气体液化循环，一级压缩多选用轴流式压缩机，次级压缩选用配有中间冷却器的离心式压缩机；甲烷压缩机多选用离心式压缩机。液化工艺工艺流体数最少压缩机台数所有压缩机的功率和速度是否可比阶式循环33几乎不混合冷剂循环11是预冷混合冷剂循环22是液化工艺及压缩机配置第一节制冷压缩机组2020/4/15LNG24一.液化制冷剂压缩机1.低压混合制冷剂（LPMR）压缩机采用2台压缩机串联布置进行压缩操作。对于LPMR的压缩（一级压缩），需要流量相当大的压缩机。大叶轮离心式压缩机和轴流式压缩机可用于LPMR的压缩。与离心式压缩机相比，轴流式压缩机优点：流量较大，轴流式压缩机的多变效率要高5％以上。另外，轴流式压缩机中采用的定子叶片可调，这为进行流量和压力调节提供了可能性，并能降低启动时的功率消耗。但轴流式压缩机的缺点：容易发生喘振，或因吸入外来物而发生故障。轴流式压缩机与固定速度燃气轮机组合。第一节制冷压缩机组综上所述，对于LPMR的压缩操作，是选用轴流式压缩机还是离心式压缩机，要根据现场具体条件、业主的操作原理和要求。2020/4/15LNG252.高压混合制冷剂（HPMR）压缩机大型LNG工厂的HPMR压缩操作要求采用径向对开式（简型结构）离心式压缩机，配有中间冷却器。达斯岛(D.Island.)LNG生产厂采用了一种带中间冷却器的45MW单缸径向对开式离心压缩机。这种压缩机可用在生产能力为3.96106t/a的生产厂进行HPMR压缩操作。第一节制冷压缩机组2020/4/15LNG26二.预冷制冷剂压缩机丙烷压缩机（以丙烷作预冷制冷剂）。选用离心式压缩机，这是因为这种压缩机流速低，可实现多级调节，且现有产品选择余地大。第一节制冷压缩机组在Ｐ.Ｔ.石油公司的巴丹LNG工厂，丙烷压缩机的叶轮直径1500mm，实际操作吸入流量约为190000m３/h。这种离心式压缩机为