第五章LNG生產(chǎn)主要設(shè)備液化天然氣（LNG）技術(shù)第一節(jié)制冷壓縮機組一、離心式壓縮機第一節(jié)制冷壓縮機組離心壓縮機的特點①流量大。由于往復往復式壓縮機是間歇地進、排氣，而氣量又受氣缸容積及活塞往復運動速度所限制。離心壓縮機中氣體是連續(xù)流動，流通截面較大，同時葉輪轉(zhuǎn)速很高，故流量很大。②轉(zhuǎn)速高。離心壓縮機中轉(zhuǎn)子只作旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)動慣量小，且與靜止部件不接觸。這不僅減少了摩擦，還可大大提高轉(zhuǎn)速。③結(jié)構(gòu)緊湊。機組重量及占地面積都比同一氣量的活塞壓縮機小得多。④運轉(zhuǎn)可靠。由于轉(zhuǎn)動部件與靜止部件不直接接觸摩擦，因而運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣均勻、易損件少。且不需備用機組，維修量小。⑤單級壓力比不高。⑥效率稍低。由于離心壓縮機中氣流速度較大，造成能量損失較大，故效率較活塞壓縮機稍低。⑦由于離心壓縮機轉(zhuǎn)速高、功率大、無備機，因此一旦發(fā)生事故，后果是嚴重的，需有一系列緊急安全保障設(shè)施。一、離心式壓縮機第一節(jié)制冷壓縮機組

在天然氣加工中通常需要三到四個葉輪的離心式壓縮機用于制冷操作。

這也為提供了使用多個級間閃蒸節(jié)能器的機會并允許多個冷卻溫度水平以進一步降低功耗的機會。離心式壓縮機裝置的主要缺點：出口節(jié)流會引起氣流波動。為了避免波動問題，在低負荷操作期間將排出的制冷劑蒸氣循環(huán)回壓縮機吸入口。第一節(jié)制冷壓縮機組離心式壓縮機主要參數(shù)計算：（1）排氣溫度離心式壓縮機的排氣溫度按多變壓縮計算：（5-1）式中Td—離心式壓縮機的排氣溫度，K；Ts—離心式壓縮機的進氣溫度，K；ε—壓縮比；m—多變指數(shù)。（2）多變效率（5-2）式中

ηp—離心式壓縮機的多變效率；m—多變指數(shù)；k—氣體絕熱指數(shù)。第一節(jié)制冷壓縮機組（3）離心式壓縮機的功率離心式壓縮機的理論功率：

（5-3）式中

p—多變效率；Ps—進氣壓力，kPa；Vs—進氣流量，m3/min；Pd—排氣壓力，kPa；—進氣狀態(tài)下的相對濕度；ηp—絕熱效率。第一節(jié)制冷壓縮機組離心式壓縮機的實際消耗功為：

（5-4）g—機械效率，一般取以下數(shù)值：

N>2000kW，g=97～98%

N=1000-2000kW，g=96～97%

N<1000kW，g=94～96%c—傳動效率，直接傳動時c=1.0，用齒輪增速箱傳動時，c=0.93～0.98。第一節(jié)制冷壓縮機組二、往復式壓縮機往復式壓縮機的特點：優(yōu)點：①適用壓力范圍廣。這種機器依靠工作容積變化的原理工作，因而不論其流量大小，都能達到很高的工作壓力。②熱力效率較高，功率消耗較其它型式壓縮機低。③對介質(zhì)及排氣量的適應性強?？捎糜谳^大的排氣量范圍，且排氣量受排氣壓力變化的影響較小。缺點：①因往復慣性力大，使轉(zhuǎn)速不能太高，故機器較笨重，大排量者尤甚。結(jié)構(gòu)復雜、易損件多，使維修工作量大；②由于排氣不連續(xù)，造成氣流壓力脈動，易產(chǎn)生氣柱振動。

使用往復式壓縮機時，制冷工藝溫度通常要求兩級壓縮。這提供了一個使用一個級間節(jié)能器的機遇，也提供了一個輔助制冷的機會。綜上所述，往復式壓縮機主要適用于中、小流量而壓力較高的場合。

第一節(jié)制冷壓縮機組

往復式壓縮機主要參數(shù)計算：（1）排氣量和供氣量排氣量與供氣量的關(guān)系按下式計算。（5-5）式中Vs——排氣量，m3/min；——進氣狀態(tài)下的相對濕度；

psa——進氣溫度下的飽和蒸氣壓力，kPa；p0——標準大氣壓力，kPa；T0——標準狀態(tài)溫度，K；Ps——進氣壓力，kPa；Ts——進氣溫度，K。Ts=40C;V——供氣量，m3/min。第一節(jié)制冷壓縮機組（2）實際壓縮機的排氣量：排氣系數(shù)：

（5-6）式中λ—排氣系數(shù)，表示實際排氣量與理論排氣量之比。v—容積系數(shù)；p—壓力系數(shù)；t—溫度系數(shù)；g—氣密系數(shù)。（3）排氣壓力及級數(shù)

（5-7）式中t—壓縮機的總壓縮比；B—級數(shù)。第一節(jié)制冷壓縮機組（4）排氣溫度

（5-8）式中

Ts、Td—進、排氣的絕對溫度，K；

ε—壓縮比；

K—絕熱指數(shù)。第一節(jié)制冷壓縮機組（5）功率壓縮機指示功率，多按絕熱循環(huán)計算：實際氣體：

（5-10）式中

Ni—指示功率，kW；

Psi—第i級名義吸氣壓力，kPa；

Vti—第i級的氣缸行程容積，m3/min；

λvi—第i級的容積系數(shù)；

—第i級的考慮壓力損失的實際排氣和吸氣壓力，kPa；

ki—第i級理想氣體的絕熱過程指數(shù)；

kTi—第i級實際氣體的溫度絕熱指數(shù)；

zsi、zdi—第i級名義壓力下的氣體壓縮性系數(shù)。第一節(jié)制冷壓縮機組軸功率為：

（5-11）式中

ηm—壓縮機機械效率，一般中、大型壓縮機ηm=0.90～0.95；循環(huán)壓縮機ηm=0.80～0.85。驅(qū)動機的功率應為：

（5-12）式中

ηc—傳動效率，皮帶傳動ηc=0.96～0.99；齒輪傳動ηc=0.97～0.99；半彈性聯(lián)軸節(jié)：ηc=0.97～0.99；剛性聯(lián)軸節(jié)：ηc=1。第一節(jié)制冷壓縮機組（1）螺桿式壓縮機主要特點：①它的單位排氣量的體積、質(zhì)量、占地面積以及排氣脈動均遠比往復式壓縮機為小。②螺桿式壓縮機在寬廣的工況范圍內(nèi)，仍能保持較高的效率，沒有動力型壓縮機在小排氣量時出現(xiàn)的喘振現(xiàn)象。③螺桿式壓縮機用于制冷系統(tǒng)已多年了。它可用于所有制冷劑。④螺桿式壓縮機可在很寬的吸入和排出壓力范圍條件下操作而系統(tǒng)毋需改造。實際上壓縮比無限制。⑤直接與馬達驅(qū)動器連接的螺桿式壓縮機通常以3600轉(zhuǎn)/分的速度操作。然而，螺桿式壓縮機也可以1500到4500轉(zhuǎn)/分的速度操作。發(fā)動機、氣體透平和膨脹機也可用作驅(qū)動器。三、螺桿式壓縮機第一節(jié)制冷壓縮機組(2)往復式壓縮機特性計算：1）排氣溫度①干式螺桿壓縮機

（5-13）式中Td—排氣溫度，K；—外壓縮比，；m—多變指數(shù)；Ts—進氣溫度，K。第一節(jié)制冷壓縮機組②噴油螺桿壓縮機

（5-14）式中

Ns—壓縮機的軸功率，kW；G—排氣質(zhì)量流量，kg/s；G0—噴油質(zhì)量流量，kg/s；Cp—氣體的比熱容，J/（kg·K）；

Cpo—油的比熱容，J/（kg·K）；

Tsg—氣體的進氣溫度，K；

Tso—油的進口溫度，K；Td—排氣（油）溫度，K。第一節(jié)制冷壓縮機組2）指示功率①內(nèi)壓縮比和外壓縮比相等時的指示功率對于干式螺桿壓縮機：

（5-15）式中

N—功率（指示功率），kW；

ps—進氣壓力，kPa；Vs—進口狀態(tài)下壓縮機排氣量，m3/min；—壓縮比；k—絕熱指數(shù)；m1—多變指數(shù)，m1>k，對于空氣m1=1.5-1.6；—排氣系數(shù)，對于對稱圓弧型線=0.65-0.90，單邊不對稱型線=0.7-0.95。第一節(jié)制冷壓縮機組對于噴油螺桿壓縮機:

（5-16）式中

m2—噴油冷卻的多變指數(shù)，m2<k；—排氣系數(shù)，對于對稱圓弧型線=0.75-0.9，單邊不對稱型線=0.8-0.95。②內(nèi)壓縮比和外縮比不相等的指示功率對于噴油螺桿壓縮機 （5-17）式中N—指標功率，kW；in—內(nèi)壓縮比。第一節(jié)制冷壓縮機組3）絕熱功率和絕熱效率

（5-18）絕熱效率

（5-19）低壓縮比、大中排氣量時，ad=0.7～0.75；高壓縮比、中小排氣量時，ad=0.6～0.7。四、壓縮機的選擇（大型液化裝置）預冷循環(huán)多選用離心式壓縮機；氣體液化循環(huán)，一級壓縮多選用軸流式壓縮機，次級壓縮選用配有中間冷卻器的離心式壓縮機；甲烷壓縮機多選用離心式壓縮機。液化工藝工藝流體數(shù)最少壓縮機臺數(shù)所有壓縮機的功率和速度是否可比階式循環(huán)33幾乎不混合冷劑循環(huán)11是預冷混合冷劑循環(huán)22是液化工藝及壓縮機配置第一節(jié)制冷壓縮機組一.液化制冷劑壓縮機1.低壓混合制冷劑（LPMR）壓縮機采用2臺壓縮機串聯(lián)布置進行壓縮操作。對于LPMR的壓縮（一級壓縮），需要流量相當大的壓縮機。大葉輪離心式壓縮機和軸流式壓縮機可用于LPMR的壓縮。與離心式壓縮機相比，軸流式壓縮機優(yōu)點：流量較大，軸流式壓縮機的多變效率要高5％以上。另外，軸流式壓縮機中采用的定子葉片可調(diào)，這為進行流量和壓力調(diào)節(jié)提供了可能性，并能降低啟動時的功率消耗。但軸流式壓縮機的缺點：容易發(fā)生喘振，或因吸入外來物而發(fā)生故障。

軸流式壓縮機與固定速度燃氣輪機組合。第一節(jié)制冷壓縮機組綜上所述，對于LPMR的壓縮操作，是選用軸流式壓縮機還是離心式壓縮機，要根據(jù)現(xiàn)場具體條件、業(yè)主的操作原理和要求。2.高壓混合制冷劑（HPMR）壓縮機

大型LNG工廠的HPMR壓縮操作要求采用徑向?qū)﹂_式（簡型結(jié)構(gòu)）離心式壓縮機，配有中間冷卻器。

達斯島(D.Island.)LNG生產(chǎn)廠采用了一種帶中間冷卻器的45MW單缸徑向?qū)﹂_式離心壓縮機。這種壓縮機可用在生產(chǎn)能力為3.96106t/a的生產(chǎn)廠進行HPMR壓縮操作。第一節(jié)制冷壓縮機組二.預冷制冷劑壓縮機丙烷壓縮機（以丙烷作預冷制冷劑）。選用離心式壓縮機，這是因為這種壓縮機流速低，可實現(xiàn)多級調(diào)節(jié)，且現(xiàn)有產(chǎn)品選擇余地大。第一節(jié)制冷壓縮機組五、驅(qū)動機的選擇

對于LNG生產(chǎn)，可供選擇的壓縮機驅(qū)動裝置（原動機）有：蒸汽透平、燃氣透平和電動機。選擇原動機時，應認真考慮和分析這樣一些因素：總體設(shè)計依據(jù)，工藝選擇設(shè)計，原動機的使用經(jīng)驗，對公用設(shè)施的影響，環(huán)境影響，安全性，可靠性，可維修性，投資和操作費等。第一節(jié)制冷壓縮機組第一節(jié)制冷壓縮機組1.電動機在基本負荷型LNG工廠中采用電動機作壓縮機原動機的情況較少。2.蒸汽透平蒸汽透平已成功地用于基本負荷型LNG生產(chǎn)。3.燃氣透平選用燃氣透平作壓縮機的原動機。

第二節(jié)換熱器

液化用換熱器液化工藝換熱器類型說明階式循環(huán)、兩級MR板翅式每條生產(chǎn)線需2臺單級MR工藝繞管式：鋁殼、鋁管單級MRC3-MR繞管式：鋁殼、鋁管每條生產(chǎn)線1臺，由2~3組管束組成一.繞管式換熱器基地型LNG工廠多采用大型立式繞管式換熱器作主換熱。直徑可達4.2m，高54m，重240t。中心心軸上纏繞上許多管條，其長度可達80m，管條端頭連接到管板上。管條內(nèi)為高壓氣體或液體，制冷劑通過冷卻套在管條外循環(huán)。在這種換熱器內(nèi)可以同時冷卻幾種流體，冷卻面積可達10000m2。第二節(jié)換熱器多股流繞管式換熱器第二節(jié)換熱器4.1LNG液化主要設(shè)備二、板翅式換熱器第二節(jié)換熱器1.板翅式換熱器的基本計算(一)選擇翅片光直型翅片適用于溫差和壓差比較大的情況，反之則應選用鋸齒形翅片；鋸齒型翅片適用于粘度大或有雜質(zhì)析出的狀況；在有相變（冷凝、蒸發(fā)）等的情況下，則宜選用光直型或多孔型翅片。放熱系數(shù)大的一側(cè)宜選用低而厚的翅片；放熱系數(shù)小的一側(cè)盡量選用高而薄的翅片。圖5.4翅