1、引言
近年来，我国液化天然气（LNG）需求持续增长，LNG设施快速增加，由于在LNG生产、储存和装/卸载等过程中不可避免存在漏热、设备散热和闪蒸等现象，导致大量蒸发气（Boil-Off Gas，简称BOG）产生，其回收处理对LNG设施的安全运行和整体经济效益都有重要影响。
BOG压缩是一个高耗能过程，合理选择压缩工艺对提高BOG回收效率、降低成本具有重要作用。本文结合实际工程案例，从技术与经济性角度开展低温BOG压缩机与复热BOG压缩机的对比研究。
2、BOG压缩机技术分析
目前关于BOG处理的相关研究多数集中在LNG接收站，本文则选择LNG工厂为研究对象。随着近年来天然气液化装置规模大型化，单线产能不断提高，BOG的高效回收显得尤为重要。LNG工厂中BOG主要包括闪蒸气（Flash Gas） 与蒸发气，根据BOG处理工艺不同，除作为燃料气外，通常采用直接压缩外输或再液化进行回收，前者将BOG增压至管网所需压力后直接外输，后者则将压缩后的BOG送回液化单元再液化。
1.BOG压缩机
工程上常用的BOG压缩机类型主要有往复式、离心式和螺杆式，往复式排气压力高，价格低，可在小气量下工作；离心式处理气量大，占地小，可靠性高，供气脉动小；螺杆式结构简单，连续运行时间长，负荷调节范围宽。目前国内LNG工厂规模普遍较小，往复式BOG压缩机应用广泛。图1为典型低温BOG压缩流程，由于BOG温度低至-160益，压缩机需采用特殊的耐低温材料。
实际应用中以立式迷宫式和卧式对置平衡式最为常见，低吸气温度可以保证每级具有较高的压缩比和压缩效率，并且前两级排气温度低，无需冷却器。
图2则为典型复热BOG压缩流程，低温BOG经换热器与压缩机末级排气换热，复热后进入普通天然气压缩机，为降低排气温度、减小压缩功，级间均设置冷却器。此外，也有采用BOG与原料气或冷剂进行换热，复热的同时回收部分冷量。
2.技术分析
采用低温BOG压缩机流程简单、设备少、占地面积小，易调节，压缩机直接吸入低温BOG，可实现快速启动，但低温压缩机在设计、选材及制造上均有特殊要求。而BOG复热后可采用普通机型，但流程复杂，压缩级数与辅助设备多，导致调节灵活性降低，占地面积大。
LNG工厂实际运行过程中，受操作工况、环境与气源条件等多种因素影响，BOG量往往很难保持稳定，使得BOG压缩具有动态变化的特点。对于图2中的复热BOG压缩机，当BOG进气量发生变化，压缩系统需要经过一段时间的惯性延迟才能达到稳态，这使得末级压缩排气滞后于BOG进气的变化，难以实现复热过程的能量匹配，特别是当BOG量突然增大，末级排气量不足以使BOG完全复热时，第一级压缩机容易遭受低温冲击，导致系统运行的不稳定，甚至造成设备损坏，存在技术缺陷。相对而言，图1中低温BOG压缩机则具有操作简便、调整控制灵活的特点，有利于应对复杂的BOG量的变化。
3、基于工程实例的经济性分析
BOG压缩机的主要经济指标包括初期投资、预期寿命内的运行与维护成本，另外压缩机类型与数量、备用机组、驱动方式等也有较大影响。以下采用工程案例分析方法，选取基于不同BOG处理工艺的两个中型LNG工厂项目，开展低温BOG压缩机与复热BOG压缩机的经济性对比分析。
1.案例项目A
（1）项目概况及BOG压缩机
项目A为国内一座已投产的中型LNG工厂，原料为管输气，由于临近城市天然气管网，BOG选择直接压缩外输，系统配置了一开一备2台国产低温往复式BOG压缩机，电机驱动，单台BOG处理量为6t/h，设计工况下的运行参数如表1所示。若将本项目BOG改为复热后压缩，参考国内同等规模LNG工厂的压缩机配置，适用于本项目条件的复热BOG压缩机工作参数在表1中一并列出。
表1中，复热后BOG由-150℃升温至-15℃，受往复压缩机最高排气温度限制，需采用三级压缩，并设置级间冷却器，而低温压缩机单级增压比高，压缩级数、气缸数以及整机尺寸相应减小，并省去冷却器，节约占地面积。根据热力学理论，压缩相同质量的气体，耗功量随着进气温度的降低而减少，表1中，低温BOG压缩机轴功率仅为复热BOG压缩机的60%左右。
（2）初期投资与维护
本案例中BOG压缩机初期投资主要包括压缩机及其驱动电机、冷却器、缓冲罐、BOG换热器等主要附属设备的费用。国产BOG复热压缩机目前已能够满足多数工程项目需要，基本可以替代进口机型，而低温压缩机生产技术难度高，目前国内仅有少数厂家拥有工程应用业绩。表2中数据来源于实际项目资料与厂家报价，国产低温BOG压缩机价格较进口机型低35%左右，而复热BOG压缩机价格远低于低温机型，但换热设备较多，系统相对复杂。
往复压缩机易损件多，日常检修与维护保养频繁，国产机型在易损件寿命、连续运转时间等方面与进口机型还存在较大差距。本案例中维护成本按照压缩机预期寿命内各组件的更换次数来进行估算，根据厂家提供的典型数据，主要部件预期寿命如下：
进口机型活塞环、支撑环、气阀等易损件预期寿命约20000h，国产机型约8000h；国产机型活塞杆、十字头销预期寿命约40000h；进口机型推力轴承、导向轴承套预期寿命约44000h；进口机型整机寿命超过25年，国产机型一般为20年。
（3）经济指标对比分析
本案例中BOG压缩机按照1年满载运行8000h小时计算耗电量，另外将压缩机整个寿命周期内产生的总运行维护费折算到每年，循环冷却水消耗量以及水泵功率很小，均忽略不计，不考虑其他公用工程消耗和劳动力成本，其经济指标对比如表3所示。可见本案例中低温BOG压缩机年均使用成本比复热BOG压缩机低20%～25%，经济性更好。尽管复热压缩机初期投资与维护成本较低，但其耗电量为低温压缩机的1.6倍，导致其年均使用成本显著增加。另外表3中电费支出占到低温压缩机年均使用成本的70%以上，而复热压缩机更高达90%，显然电费支出是影响BOG压缩经济性的决定因素。
2.案例项目B
（1）项目概况及BOG压缩机项目B为国内另一座已投产的中型LNG工厂，通过将上游气田来气液化后槽车外运。低温BOG首先预冷原料气，复热后被BOG压缩机增压用作再生气，最后经再生气压缩机进一步升压后进入液化单元再液化。目前配置了一开一备2台往复式BOG压缩机，电机驱动，单台BOG处理量为5t/h，设计工况下的运行参数如表4所示。若本项目改用低温BOG压缩机，参考国内同等规模LNG工厂的压缩机配置，适用于本项目条件的低温往复式天然气压缩机工作参数在表4中一并列出。
（2）初期投资与维护
本案例中BOG压缩机初期投资包括BOG压缩机及其驱动电机、冷却器、缓冲罐、BOG换热器等主要附属设备的费用。低温BOG通过与原料气换热，在复热的同时实现冷量回收，降低液化单元能耗。表5中数据来源于实际项目资料与厂家报价，可见复热BOG压缩机初期投资远低于低温BOG压缩机。与案例A相同，本案例中维护成本也按照压缩机预期寿命内各组件的更换次数来进行估算。
（3）经济指标对比分析
本案例中BOG压缩机按照1年满载运行8000h计算耗电量，并对回收的BOG冷量进行折算，另外将压缩机整个寿命周期内产生的总运行维护费折算到每年，循环冷却水消耗量以及水泵功率均忽略不计，不考虑其他公用工程消耗和劳动力成本，经济指标对比如表6所示。
可见本案例中低温BOG压缩机年均使用成本比复热BOG压缩机低22%左右，冷量回收对液化过程功耗的降低十分有限，电费支出仍然是影响BOG压缩经济性的决定因素，压缩机功率越大、耗电量越高，电费支出占总成本比重越大，低温压缩机优势越明显。
4、结论
从技术角度分析，复热BOG压缩机工作复杂，辅助设备多，变工况响应滞后，第一级压缩机容易遭受低温冲击，造成设备损坏。而低温BOG压缩机流程简单、设备少，能够适应BOG量的动态变化，并减少占地面积。从经济角度分析，低温压缩机具有初期投资与维护成本高、耗电量低的特点，而复热压缩机则相反。通过对2个中型LNG工厂实际案例进行定量分析发现，电费支出是影响BOG压缩经济性的决定因素，尽管复热压缩机初期投资与维护成本较低，但远不足以抵消其电费支出的增加，结果显示，采用低温压缩机的年均使用成本比复热压缩机低20%以上，并且LNG工厂年运行时间越长，BOG处理量越大，低温压缩机经济优势越显著。
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