潘成軍

中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213

0 前言

LNG 是目前最清潔、 環(huán)保的汽車燃料，LNG 加氣站逐步推廣。 LNG 加氣站主要設(shè)備有LNG 儲罐、LNG 加氣機、增壓汽化器和LNG 潛液泵［1］，主要流程有卸車流程、增壓流程和加氣流程［2］，在每個流程中都要啟動LNG 潛液泵，經(jīng)常遇到LNG 潛液泵因氣蝕余量不足導(dǎo)致不能正常啟動的情況。 本文以最常見的60 m3LNG 臥式儲罐為例分析了氣蝕余量不足的原因，提出了解決措施，對類似LNG 加氣站具有借鑒作用。

1 潛液泵經(jīng)?？蛰d的原因

1.1 潛液泵出現(xiàn)氣蝕征兆

在LNG 加氣站的運行過程中， 控制系統(tǒng)經(jīng)常提示LNG 潛液泵空載（或打壓不足）而聯(lián)鎖保護，原因是LNG潛液泵出現(xiàn)了氣蝕征兆， 抽到汽液混合物而做功很小，在3 s 內(nèi)電機電流和出口壓力沒有達到設(shè)定值而觸發(fā)聯(lián)鎖停機，目的是防止氣蝕對LNG 潛液泵造成損傷，延長LNG 潛液泵的使用壽命。

1.2 出現(xiàn)氣蝕征兆的原因

氣蝕余量（NPSH）是指潛液泵在進口處LNG 的實際壓力與LNG 在該溫度時飽和蒸汽壓力的差值。當(dāng)氣蝕余量不足時，在LNG 潛液泵啟動瞬間，泵入口處的LNG 液體一方面會轉(zhuǎn)化為液體的動能， 另一方面克服摩擦阻力，會產(chǎn)生壓力損失，使壓力下降，LNG 泵入口處會形成低壓區(qū)，該區(qū)域LNG 的沸點降低，當(dāng)LNG 溫度高于其沸點時即發(fā)生劇烈沸騰，LNG 潛液泵就會抽到汽液混合物而聯(lián)鎖保護。

圖1 LNG 加氣站低溫潛液泵氣蝕余量分析示意圖

2 潛液泵氣蝕余量模型

2.1 NPSH 分析示意圖

以臥式儲罐、單潛液泵為例的氣蝕余量分析示意圖見圖1。

2.2 NPSH 計算公式

NPSH=p+ph-pf-ps

式中： p 為LNG 儲罐的氣相壓力，Pa；ph為LNG 儲罐內(nèi)液面至泵入口處垂直方向的LNG 液柱產(chǎn)生的壓力，Pa；pf為LNG 儲罐至泵入口管線摩擦阻力損失 （包括動壓頭）,Pa；ps為潛液泵進口處LNG 的飽和蒸汽壓力，Pa。

3 氣蝕余量下降原因

3.1 pf 基本不變

摩擦阻力損失主要由管道和管件的摩擦阻力引起，在設(shè)計時要盡量減少彎頭和三通，裝置一旦建成，摩擦阻力損失基本不變；而由靜壓頭轉(zhuǎn)換成動壓頭的壓力損失變化也很小。 因此，可以把pf看成是一個常量。

3.2 ph 變化很小

ph由兩部分組成，一部分是LNG 儲罐的最低液位平面到潛液泵進口處LNG 液柱產(chǎn)生的壓力，該部分壓力為固定值，由設(shè)計安裝高度決定；另一部分為儲罐內(nèi)最低液位平面以上的LNG 產(chǎn)生的壓力，該部分壓力隨著LNG加氣站的運行不斷變化。對于60 m3的LNG 臥式儲罐，ph的最低值為0.008 MPa,最大值為0.018 MPa，當(dāng)LNG 儲罐液位逐漸下降時，ph也逐漸降低，但變化較小。

3.3 ps 逐漸升高引起NPSH 降低

3.3.1 LNG 的相平衡數(shù)據(jù)

潛液泵在進口處LNG 的飽和蒸汽壓力（ps）是其溫度（T1）的函數(shù)，隨著T1升高，ps不斷上升。 用Antoine 方程ln(ps）=A-B/（C+T）計算甲烷的飽和蒸汽壓與溫度的數(shù)據(jù)見表1 （四川地區(qū)LNG 中甲烷的含量在98%以上，甲烷的相平衡數(shù)據(jù)代表LNG 的相平衡數(shù)據(jù)誤差較小，可用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐活動）。

3.3.2 泵池內(nèi)LNG 溫升較快

a）LNG 泵池進液管線采用真空保溫， 與LNG 儲罐連接的部分管線采用聚氨酯發(fā)泡料保溫［3］（約1.5 m），熱量通過進液管線傳熱給泵池內(nèi)的LNG。

b）LNG 泵池上端蓋沒有真空保溫夾層，利用密封在里面的LNG 氣相進行保溫， 筒體傳熱方式包括傳導(dǎo)、對流和輻射等多種傳熱方式， 熱量通過泵池筒體傳熱給

LNG。

c）LNG 潛液泵電機功率為11 kW，電機做功的同時會放熱［4］。 泵運轉(zhuǎn)過程中，放出的熱量被LNG 帶走；泵停止后，熱量逐步傳遞給泵池內(nèi)靜止的LNG。

表1 甲烷的飽和蒸汽壓與溫度對應(yīng)數(shù)據(jù)表

d）泵池水容積為0.08 m3，其中一半被氣相和潛液泵占據(jù)，泵池內(nèi)儲存的LNG 很少，外界熱量傳入后，溫度上升較快。

3.3.3 溫升造成NPSH 不足

隨著泵池內(nèi)LNG 溫度的逐漸升高，ps逐漸增大，LNG 潛液泵的NPSH 逐漸減小。當(dāng)泵進口處LNG 溫度上升至其對應(yīng)的飽和蒸汽壓ps=p+ph時，泵池內(nèi)最接近相平衡狀態(tài)， 泵池內(nèi)壓力相對穩(wěn)定，LNG 潛液泵的NPSH為負值，NPSH 嚴重不足。

3.4 儲罐壓力下降造成NPSH 降低

3.4.1 卸車后儲罐壓力最低

LNG 槽車卸車完成后，LNG 儲罐壓力最低。 由于卸車時LNG 儲罐進液采用上噴淋方式，儲罐內(nèi)的高溫氣相被部分液化，壓力降低，同時，從工廠運輸來的LNG 溫度總是低于儲罐內(nèi)LNG 的溫度，使儲罐內(nèi)LNG 發(fā)生對流，儲罐內(nèi)的溫度梯度被破壞，儲罐內(nèi)LNG 最接近相平衡狀態(tài)。

3.4.2 儲罐出現(xiàn)溫度梯度

隨著熱量的傳入，儲罐內(nèi)的LNG 溫度逐漸升高。 儲罐內(nèi)出現(xiàn)了溫度梯度，下部溫度低，上部溫度高。 儲罐的壓力也不斷上升， 且高于儲罐底部LNG 的飽和蒸汽壓。使用壓力1.2 MPa 的60 m3LNG 臥式儲罐不必擔(dān)心出現(xiàn)LNG 翻滾現(xiàn)象［5］。

3.4.3 溫度梯度減小造成壓力下降

如果車載LNG 氣瓶內(nèi)溫度較高的氣相回到LNG 儲罐的底部， 會減小LNG 儲罐內(nèi)的溫度梯度，LNG 儲罐的壓力會降低，儲罐的壓力與儲罐底部LNG 飽和蒸汽壓的差值會變小。 在樂山市棉竹鎮(zhèn)LNG 加氣站， 以犍為廠LNG 為例，當(dāng)加氣時車載氣瓶的氣相回到儲罐底部時，連續(xù)加注0.5 t 左右，壓力下降0.1 MPa 時，就會發(fā)生氣蝕報警聯(lián)鎖。

LNG 潛液泵NPSH 的降低，主要是潛液泵泵池內(nèi)溫度上升較快和LNG 儲罐內(nèi)壓力下降造成的。

4 增大氣蝕余量的工藝措施

4.1 減緩泵池內(nèi)LNG 溫升速率

4.1.1 做好泵池及管線保溫

a） 盡量多使用真空管線， 使用聚氨酯發(fā)泡料保溫時，增大管線的保溫半徑，使保溫管不掛霜、不冒汗。

b） 法蘭、低溫閥門的閥體和泵池上端蓋部分，經(jīng)過液氮預(yù)冷、查漏、冷緊后，確認沒有泄漏，最好利用有機發(fā)泡料進行保溫。

4.1.2 置換泵池內(nèi)的LNG

a） 長時間不加氣時，一直小流量啟動潛液泵，使泵池內(nèi)的LNG 和儲罐底部的LNG 進行置換。

b）長時間不加氣時，每隔30 min 啟動潛液泵1 min，置換泵池內(nèi)的LNG。

4.2 閃蒸降低泵池溫度

如果無法啟動泵來置換泵池內(nèi)的LNG，可以利用閃蒸來降低泵池內(nèi)LNG 的溫度。將泵池的進液和回氣閥關(guān)閉，放空泵池內(nèi)的氣相，使泵池內(nèi)壓力降低，從而降低LNG 的沸點，當(dāng)泵池內(nèi)LNG 溫度高于其沸點時，就會發(fā)生閃蒸而劇烈沸騰，沸騰吸收了LNG 的熱量，使LNG 的溫度下降。

4.3 溫度梯度增加儲罐壓力

長時間將LNG 儲罐底部的LNG 噴淋到儲罐的上部，LNG 儲罐的壓力會降低0.05～0.15 MPa， 說明溫度梯度能大幅提高儲罐壓力， 而LNG 儲罐在最高液位時ph也只能增加0.01 MPa，可見，p 對NPSH 的貢獻要比ph大幾倍，甚至十幾倍。

4.3.1 上部回氣增大溫度梯度

利用LNG 儲罐的上部回氣來增大儲罐內(nèi)的溫度梯度。 車載氣瓶內(nèi)的LNG 氣相回到儲罐的上部，由于該部分氣相溫度高、密度小，在儲罐內(nèi)部無法形成對流，熱交換效率很低，從而增大了儲罐內(nèi)的溫度梯度，使儲罐壓力增加。

4.3.2 增壓流程增大溫度梯度

當(dāng)剛完成槽車的卸車作業(yè)時，T2=T3、T2≤T1，p≤ps，NPSH=(ph-pf)+(p-ps)， 如果較長時間不加氣，p-ps為負值，使NPSH 不足，一旦啟動潛液泵就會出現(xiàn)氣蝕征兆，觸發(fā)聯(lián)鎖停機。

利用增壓汽化器給LNG 儲罐增壓， 使溫度較高的LNG 氣相回到LNG 儲罐的頂部， 增大LNG 儲罐內(nèi)的溫度梯度，使p 增大，從而增大了NPSH。

4.4 增大ph 的值

當(dāng)LNG 儲罐內(nèi)液位較低時，應(yīng)及時補充LNG，使ph值增大。

5 結(jié)論

氣蝕余量不足主要是潛液泵泵池內(nèi)LNG 比儲罐內(nèi)LNG 溫度升高得快，以及LNG 儲罐內(nèi)的溫度梯度太小造成的。 增大氣蝕余量的主要工藝措施是采取保溫、置換LNG、閃蒸等方法以降低泵池內(nèi)的溫度，增加LNG 儲罐的溫度梯度以增加儲罐的壓力，及時補充儲罐內(nèi)的LNG以增大潛液泵的靜壓頭。

［1］ Rush S. Submerged Motor LNG Pumps in Send-out System Service ［J］.Pumps and System,2004, （3）：32-37.

［2］ 尹勁松, 謝福壽. 橇裝式LNG 加氣機加氣系統(tǒng)及計量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［J］. 天然氣工業(yè),2012,32（3）：105-106.Yin Jinsong,Xie Fushou.Optimization Design of Skid Mounted LNG Filling Machine Filling, System and Measurement System［J］.Natural Gas Industry,2012,32（3）：105-106.

［3］ 彭 明, 丁 乙. 全容式LNG 儲罐絕熱性能及保冷系統(tǒng)研究［J］. 天然氣工業(yè),2012,32（3）：94-97.Peng Ming, Ding Yi. Thermal Insulation Performance and Cold-insulating System Research of Total Capacity Type LNG Storage Tank ［J］.Natural Gas Industry,2012,32（3）：94-97.

［4］ 付子航. LNG 接收站蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計計算模型［J］. 天然氣工業(yè),2011,31（1）：83-85.Fu Zihang. Static Design Calculation Model of Boil Off Gas Treatment System for LNG Receiving Station ［J］. Natural Gas Industry,2011,31（1）：83-85.

［5］ 王良軍， 劉 楊. 大型儲罐內(nèi)LNG 翻滾機理和預(yù)防措施［J］. 天然氣工業(yè),2008,28（5）：97-99.Wang Liangjun, Liu Yang. LNG Stirring Mechanism and Countermeasures in Large LNG Storage Tanks［J］. Natural Gas Industry,2008,28（5）：97-99.