吴海洪
(国家管网集团 海南天然气有限公司，海南 儋州 578001)
蒸发气(BOG)压缩机按照机构原理分为往复式压缩机、离心式压缩机、轴流式压缩机；
按照压力又分为高压压缩机和低压压缩机。BOG压缩机用于处理液化天然气(LNG)接收站产生的BOG，从而保障LNG储罐压力运行安全，也被称之为LNG接收站“心脏”。某公司LNG接收站配置卧式往复式压缩机，在25%和75%负荷模式下出现二级出口温度高的问题，导致该设备无法正常运行。通过一系列测试和研究分析，发现在25%负荷运行方式和75%负荷时的气缸体积设计不满足工况，通过改造措施解决故障。
该公司LNG接收站BOG压缩机气缸为双作用，即端盖侧和轴侧气缸都做功。以端盖侧为例，当活塞由端盖侧始点位置向轴侧开始运动时，端盖侧容积变大，腔内残留气体膨胀，压力下降，与进气腔产生差压，当差压大于进气阀弹簧力时，进气阀打开。随着活塞继续向轴侧运动，将气体吸入缸内，活塞到达内止点时吸气完毕。随后活塞又从轴侧位置向端盖侧方向返回移动，此时吸气阀关闭，随着活塞的继续移动，缸内容积不断变小，已吸入的气体受到压缩，压力逐步升高。当缸内差压大于排气阀弹簧力时，排气阀打开，缸内已被压缩的气体开始排出。
该BOG压缩机级数为二级，每级分A/B 2个气缸，气缸类型为无需润滑、浮动、干式气缸，进气、排气阀为网状板式阀，负荷设置为0，25%，50%，75%，100%共5个模式，主电机为功率1.25 MW，额定转速为490 r/min，额定电压为6 kV，交流电频率为50 Hz的三相感应电机，其他设计参数见表1所列。
表1 BOG压缩机设计参数
在BOG压缩机测试阶段，依次在0，25%，50%，75%，100%负荷模式下调试压缩机。当压缩机调为25%负荷时，一级的进口温度为-123 ℃，进口绝压为0.111 MPa，运行一段时间后，二级的出口温度逐渐升高，并达到温度高报值135 ℃，而25%负荷下原设计的二级出口温度为45 ℃，导致压缩机在25%负荷下无法正常运行；
当压缩机调为75%负荷，一级进口的温度为-122 ℃，一级进口绝压为0.112 MPa，压缩机二级出口温度缓慢升高，并保持在95 ℃左右，75%负荷下原设计的二级出口温度为18 ℃，实际温度与原设计相差77 ℃，虽未超过温度高报值135 ℃，但与原设计不相符。
3.1 故障初步分析
一般导致BOG压缩机出口温度高的原因主要包括：
气阀故障，活塞、活塞环、活塞导向环和气缸衬套等磨损超标，工艺参数设置不合理，气缸水平度超标等。
根据故障现象，如果存在上述情况，则压缩机在50%，100%负荷时也应出现出口温度高的问题，实际只有25%和75%负荷才出现，且该压缩机不可能同时因上述原因发生相同的故障。经分析，初步排除上述几种原因，但需拆解压缩机验证。同时，核查入口温度、入口压力、介质成分等工艺参数，排除工艺参数设置不合理导致出口温度高的问题。
3.2 压缩机拆解检查
根据故障初步分析，依次拆解该压缩机进气阀、气缸端盖、活塞、活塞环、活塞导向环、排气阀等部件。
1)拆解进气、排气阀进行目视检查，同时使用酒精测试板式气阀的密封性，检查结果为所有进气、排气阀工作正常。
2)使用框式水平仪检查气缸水平度，该压缩机的4个气缸水平度小于0.1 mm/m，满足规范和设计要求。
3)检查活塞环、活塞导向环、活塞、气缸磨损情况，一级气缸活塞环宽度设计要求18.7～18.8 mm，厚度设计要求14.7～22 mm，二级气缸活塞环宽度设计要求15.7～15.8 mm，厚度设计要求12.7～19 mm，一级气缸活塞导向环宽度设计要求54.5～54.6 mm，厚度设计要求13.5～15.97 mm，二级气缸活塞导向环宽度设计要求49.5～49.6 mm，厚度设计要求13.2～15.47 mm，一级气缸活塞直径磨损不大于1.67 mm，二级气缸活塞直径磨损不大于1.3 mm，一、二级气缸活塞与活塞衬套(底部)间隙不小于0.5 mm。经检查，活塞环、活塞导向环、活塞、气缸外观正常，磨损程度满足设计要求。
根据以上拆解检查结果，进一步排除了气阀故障、活塞磨损超标、活塞环、活塞导向环磨损超标、气缸衬套超标、气缸水平度超标的因素。
3.3 活塞环密封设计因素排查
拆解检查结果表明，该压缩机本体构件未受到损伤，不会导致出口温度高的问题，需排查其他设计方面。其中，活塞环原设计为圆形密封环，依靠气缸介质压力使活塞环贴紧气缸，达到密封作用。为验证该因素是否为故障原因，对活塞环采取改造测试，即在活塞环里增加圆形钢圈，增强活塞环与气缸密封性。经改造测试发现，改变的活塞环形式未能解决出口温度高的问题，因此排除活塞环密封设计不严因素。
3.4 负荷运行方式排查
3.4.1 25%负荷运行时故障排查
通过核查，发现25%负荷运行方式跟其他负荷运行方式有明显的不同，25%负荷状态下，一、二级A/B气缸端盖侧每隔10 min交替工作，即一、二级A气缸端盖侧运行10 min，然后A气缸端盖侧停止工作，转变为B气缸端盖侧工作10 min，按照该方式依次循环。经设备厂家详细计算，结合该压缩机运行工况，发现气缸在停止工作的10 min内，会残留一部分相对温度较高的BOG气体，而进口相对较冷的BOG气体未持续进入气缸，经过多次交替运行累计后，逐渐导致二级出口温度高的故障。
3.4.2 75%负荷时气缸体积设计因素排查
25%负荷出口温度高故障原因为交替运行方式不满足工况要求，而75%负荷时一、二级的气缸都在同时运行，二级出口依然存在温度高故障，其原因需进一步分析。经核查，该压缩机负荷为75%时，一、二级A轴侧，一、二级B轴侧/端盖侧在做功，而A端盖侧未做功。经厂家再次进行压缩比计算和试验，发现75%负荷时气缸体积设计可能与工况不相符，导致二级出口温度逐渐升高，即比原设计温度高77 ℃。
通过对该压缩机拆解检查和分析研究，确定了25%负荷时A/B气缸交替运行方式、75%负荷时气缸体积设计不满足工况为出口温度高的根本原因。25%和75%负荷时的气缸改进前后对比如图1和图2所示。
图1 25%负荷时气缸改进前后对比示意
图2 75%负荷时气缸改进前后对比示意
为解决该问题，改造措施及技术方案如下：
1)改变气缸运行方式。在负荷25%时，原气缸运行状态设计为一、二级A/B轴侧交替做功运行10 min，改造措施为取消气缸交替工作方式，运行状态改为一、二级A/B端盖侧气缸同时运行做功，扩大气缸体积。
2)增大气缸体积。在一、二级A/B端盖侧各增加1个卸荷阀，增大了气缸体积。由原来的3个气缸做功变为4个气缸做功，以达到相同输出的流量和压力。
3)拆卸旧端盖，安装带有卸荷阀的新端盖，同时修改机柜间BOG压缩机电控柜仪表逻辑程序，解决出口温度高的问题。
导致BOG压缩机出口温度高故障的原因有很多种，经过测试检查和分析原因，得出25%负荷时A/B气缸交替运行方式和75%负荷时气缸体积设计不满足该工况，是导致出口温度高的根本原因。采用了在气缸端盖增加卸荷阀以增大气缸体积和改变气缸运行方式，测试记录结果表明，该改造措施能够满足现场工况运行。同时，需注意在进行BOG压缩机设计选型时，需慎重设计负荷运行方式，并精确计算气缸体积，防止出口温度高。
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