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天然气液化设备
一、压缩机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。

(一) 往复式压缩
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%。

(二) 离心式压缩机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。

二、换热器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。

(一) 绕管式换热器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。

换热器的效率和压缩机的效率关系如下：
式中η——总液化效率；ηc——压缩效率；ηL——换热器的效率；
WL——液化消耗的功；WR——制冷剂消耗的功；WC——压缩机的压缩功。

WR是WL和所有换热器系统中不可逆损失之和，如温差、控制阀和混合制冷剂的相互影响。

换热系统最大的不可逆损失是因温差引起，尤其是低温部分。

应尽量对换热器进行优化设计，以提高换热效率。

对一些大型的压缩机，离心压缩机效率约为78%；轴流压缩机效率约为85%。

压缩机和冷却系统合在一起的效率
换热系统的效率
总的液化效率η为30%～45%。

(二) 板翅式换热器板翅式换热器的基本结构是由平隔板(厚0.8～2.0mm)和翅片(厚0.15～0.58mm)构成板束组装而成。

如图3-18所示。

在两块平行金属板间，放入波纹状翅肄，两边以侧条密封，组成一个单元体。

各单元体又以不同的叠积排列，并用钎焊固定，成为逆流式(如图3-18的流体a和流体b)或错流式(流体a、b和流体e)。

翅片的高度和密度取决于传热和工作压力的要求。

普通的翅片高度为6.3～19mm，翅片的间距约为1.6mm。

翅片有很多种形式，如平板型、打孔型、间断型及鱼叉型等。

打孔的翅片是为了使通道内的流量均匀，这在两相流的情况下是很重要的。

板翅式换热器的组装件称为芯
部，将半圆形进出流体汇管焊接至板束上，就成为板翅式换热器。

在流体的进出口处采用流量分配器，分配器内的翅片确保流量分配均匀。

大多数板翅式换热器都是铜铝结构，初始的应用是在空气分离装置中。

由于它结构紧凑、质量小，所以在低温流程中应用很广。

在20世纪70年代末期，由于真空钎焊技术的发展，真空钎焊工艺代替了最初的盐浴式铜焊工艺。

使换热器核心部分的尺寸更加紧凑，工作压力可以达到8MPa以上。

板翅式换热器单位体积的传热面积约为990～1300m2/m3，约为普通管壳式换热器的6～8倍。

板翅式换热器1m3的质量仅为1200～1400kg，而管壳式换热器为4000kg/m3。

由于质量小、单位体积传热面积大，因而板翅式换热器单位质量的换热面积约为管壳式换热器的25倍，这样就减小了换热器基础、支撑、隔热层等的费用。

板翅式换热器允许多达10股流体在箱体内换热，两股流体换热的平均温差仅为3～6℃。

由于板翅式换热器的流道狭窄，因此要求流体洁净，不含固体杂质，操作中还应防止温度骤变。

铜铝型的板翅式换热器广泛用于天然气液化流程中的主要换热设备——冷箱。

(三) 提高传热效率LNG装置的换热器需要很高的传热效率，为此要解决以下影响传热效率的因素。

1. 流动不均匀性由于局部的阻力(如入口通道的堵塞)，使换热器中某个部分的流量减少，或者多个换热器并联产生的流量不均匀，总的影响是使热效率下降。

2. 流道受阻大多数的LNG液化流程都比较清洁，因为对气
体进行了预处理，水、二氧化碳和其他杂质在液化前已经清除。

可是由于碳氢化合物中高碳组分被冻结出来，可能产生偶尔的阻塞或故障，其后果都是引起流体流动不均匀和换热效率下降。

对于这种情况，清洗过程比较简单，只要将换热器复温，用清洁和干燥的气体吹除即可，也就是所谓的“解冻”。

某些情况下则采用化学溶剂的方法，如向系统内的流体充注入甲醇，以抑制氢气的产生，而且不需要停机。

3. 纵向导热对于双层套管式换热器，纵向导热是指沿着换热器长度方向的传热，对于板翅式换热器，则是板与翅片交界处的传热。

纵向导热对传热效率是非常不利的。

评价纵向导热的影响是比较复杂的，尤其是对多股流的换热器和其中有相变产生的情况。

对于板翅式换热器，通过采用间断型翅片的方法，可以减少纵向热传导的影响。

板与翅片交界处，翅片的厚度应尽量薄一些。

对于绕管式换热器，长而细的管路有利于减少纵向热传导。

4. 环境漏热天然气液化过程在低温状态下进行，热量从装置周围环境漏入，对于换热器的影响，与纵向热传导是类似的。

三、LNG泵液体输送需要泵增压，LNG液体输送同样需要泵增压。

但是，LNG液体输送泵除了一般的液体输送泵的性能要求外，在低温性能和气密性能方面有更高的要求。

LNG的生产、储存、运输过程都需要泵送。

如从LNG液化装置的储罐向LNG船液舱内装货、LNG船到达接收站时的卸货、接收站对外进行LNG的输送或转运、，固定储罐对运输罐车的装货或向气化器供液等，都需要LNG泵。

LNG船在卸好货以后，
开始下一次航行前往LNG的产地时，液舱中留有一定的LNG“残液”是为了维持液舱处于低温状态，也需要用泵循环舱内的残液，喷淋LNG冷却舱壁。

在LNG作为汽车燃料时，加注站向汽车加注LNG时，也需要LNG泵来输送。

输送LNG这类低温的易燃介质，输送泵不仅要具有一般低温液体输送泵能承受低温的性能，而且对泵的气密性能和电气方面安全性能要求更高。

常规的泵很难克服轴封处的漏泄问题。

对于普通的没有危险性的介质，微量的漏泄不影响使用。

而易燃易爆介质则不同，即使是微量的漏泄，随着在空气中的不断积累，与空气可能形成可燃爆的混合物。

因此，LNG泵的密封要求显得尤其重要。

除了密封问题以外，还有电动机的防爆问题，电动机的轴承系统、联轴器的对中问题，长轴驱动时轴的支撑以及温差的负面影响等一系列问题。

为了解决可燃的低温介质输送泵的这些问题，在泵的结构、材料等方面有很大的进展。

一种安装在密封容器内的潜液式电动泵在LNG系统得到了广泛的应用。

另外，在一些传统的离心泵的基础上，通过改进密封结构和材料等措施，也可应用于LNG的输送。

柱塞泵在某些场合也有应用，如在LNG汽车技术中，需要将液化天然气转变为压缩天然气，称为LCNG装置，采用的就是柱塞泵。

(一) 潜液式电动泵潜液式电动泵如图3-19所示。

它是专门用于输送LNG和LPG等易燃、易爆的低温介质。

其特点是将泵与电动机整体安装在一个密封的金属容器内，因此不需要轴封，也不存在轴封的漏泄问题。

泵的进、出口用法兰与
输送管路相连。

潜液式电动泵的设计与传统的笼型电动机驱动的泵有较大的差别。

动力电缆系统需要特殊设计和可靠的材料，电缆可以浸在低温的液化气体中，在-200℃条件下仍保持有弹性。

电缆需要经过严格的测试和验收，并标明是液化气体输送泵专用电缆，工作温度为±200℃LNG泵的电缆如图3-20所示。

电缆用聚氯乙烯材料(TFE)绝缘，并用不锈钢丝编成的铠甲加以保护。

电动机的冷却是由所输送的低温流体直接进行冷却，冷却效果好；电动机效率高。

因为电动机浸在所要输送的流体中，所以电动机也没有潮湿和腐蚀的影响，电动机的绝缘也不会因为温度升高引起恶化。

对于潜液式电动泵，电气连接的密封装置是影响安全性的关键因素之一。

电气接线端设计成可经受高压和电压的冲击。

使用陶瓷气体密封端子和双头密封结构，可确保其可靠性。

对于安装在容器内的电动泵，所有的引线密封装置不是焊接就是用特殊的焊接技术进行连接。

陶瓷气体密封原是为原子能装置的密封结构所研制的。

气体密封采用两段接线柱串联的方式。

串联部分安装在一个充有氮气的封闭空间内。

两边的密封都不允许气体通过接线柱。

密封空间内氮气的压力低于泵内的压力，但高于环境大气压
力。

任何一边的漏泄都能轻易地进行探测。

所有的电缆连接密封组件都要经过压力测试和氦质谱检漏。

美国生产的潜液式电动泵，应符合美国国家电气标准(U.S.National Electric Code)和美国国家消防协会标准(NFPA 59A)中，关于电力引入液化气体容器的相关要求。

低温泵的电动机转矩与普通空气冷却的电动机不同，转矩与速度的对应关系和电流与速度的关系曲线类似。

在低温状态下，转矩会有较大的降低。

因而，一台泵从启动到加速至全速运转，对于同样功率的电动机来说，低温条件下的启动转矩会大大减少(图3-21a)。

这是由于电阻和磁力特性的变化，电动机的电力特性在低温下会发生改变，使启动转矩在低温下会有较大的降低。

如果电压降低，启动转矩也会大幅度地降低(图3-21b)。

工作温度状态下的电动机特性非常重要。

需要了解和掌握电动机在工作温度状态下、最低供电电压和最大负荷条件下的启动特性。

低温潜液式电动泵启动电流很大，大约是满负载工作电流的7倍。

通过一些措施可以减少启动电流。

主要有如下方法：(1) 双速电动机。

可以降低启动电流，净吸入压头特性更好、抽吸性能好，减少液锤现象。

但需要双倍的电缆，成本增加。

(2) 软启动系统。

通过控制电流或电压，限制加速时的转矩，减少启动电流和液击。

但需要增加启动装置，因此成本也有所增加。

(3) 调节频率。

可实现无级调速，抽吸特性好，减少液击。

但调频系统复杂，使成本增加。

(4) 中压启动(3300V)。

可减少全负荷运转租启动时的电流。

但电动机的成本较高。

(二) 潜液式电动泵的应用在
LNG泵的应用中，潜液式电动泵是应用特别广泛的一种，尤其是在LNG船和大型的LNG储罐，都使用潜液式电动泵。

将整个泵安装在液舱或储罐的底部，完全浸在LNG液体中。

1. 船用泵船用潜液式电动泵的基本形式有两种；固定安装型和可伸缩型。

可伸缩型的泵与吸入阀(底部阀)分别安装在不同的通道内，即使在储罐充满液体的情况下，也可以安全地将发生故障的泵取出进行修理或更换。

船用LNG泵安装在液舱的底部，直接与液体管路系统连接和支承。

通过特殊结构的动力供电电缆和特殊的气密方式，将电力从甲板送到电动机。

现代典型的潜液式电动泵具有下列特点：(1) 潜液电动机、泵的元件及转动部件，都固定在同一根轴上，省去了联轴器和密封等部件。

(2) 单级或多级叶轮都具有推力平衡机构(TEM)。

(3) 用所输送的介质润滑轴承。

(4) 采用螺旋型导流器。

安装泵的容器和泵的元件是用铝合金材料制造，使泵的质量小，而且经久耐用。

推力平衡机构可以确保作用在轴承的推力载荷小到可以忽略不计，延长轴承的使用寿命，使泵在额定的工作范围内有非常高的可靠性。

润滑轴承和冷却电动机的流体是各自独立的系统，由叶轮旋转产生的静压，推动流体经过润滑回路和冷却回路，最后返回到需要输送的流体(一般是安装泵的容器内)。

泵的叶轮安装在电动机主轴上。

制造主轴用的材料，一般采用在低温下性能稳定的不锈钢。

主轴由抗摩擦的轴承支撑。

轴承的润滑介质就是被输送的LNG流体。

尽管LNG 是非常干净的流体，但为了防止一些大颗粒进入轴承，引起轴承
过早的失效，因此对进入轴承的流体需要经过过滤。

进入底部轴承的流体，需要经过一个旋转式的过滤器，而经过上部轴承的流体，则用简单的自清洁型网丝过滤器。

LNG泵的电动机定子由硅钢片与线圈绕组构成，绕组分别用真空和压力的方法注入环氧树脂。

2. 汽车燃料泵当LNG作为汽车燃料时；LNG的转运和加注都需要用泵输送。

汽车燃料加注泵也是一种潜液泵。

结构紧凑，立式安装，特别适用于汽车燃料加注和低温罐车转运LNG。

由于采用了安全的潜液电动机，电动机和泵都浸没在流体中，因此不需要普通泵必须具有的轴封。

此外，在吸入口还增加了导流器，减少流体在吸入口的阻力，防止在泵的吸入口产生气蚀。

整个泵安装在一个不锈钢容器内，不锈钢容器具有气、液分离作用，按照压力容器标准制造。

泵的吸入口位于较低的位置，保证吸入口处于液体中。

导流器和不锈钢容器的应用，是使LNG泵能够达到应有的净吸入扬程(NPSHR)。

LNG燃料加注泵的电源也有三相和单相之分，具有变频调速功能，能适应不同的流量范围。

根据有关规定，LNG泵的电气元件必须安装在具有防爆功能的接线盒及其罩壳内。

3. LNG高压泵LNG高压泵的结构如图3-22所示。

这种泵用于液化天然气储罐向外输出LNG，例如向气化器或运输罐车输送LNG。

这种泵的结构形式有安装在专用容器内的潜液式电动泵，也有普通外形的离心泵或活塞泵。

安装潜液式泵的容器，按照压力容器规范制造，泵与电动机整体。