上海液化天然氣有限責任公司 李世斌

液化天然氣高壓泵泵井液位波動的原因分析及措施

上海液化天然氣有限責任公司 李世斌

通過對上海液化天然氣接收站高壓泵泵井液位大幅波動的原因進行分析，指出泵井內介質LNG物性發(fā)生變化是高壓泵泵井液位大幅波動的重要原因之一，并提出了相應的改進和防范措施。

LNG 接收站 高壓泵 液位波動

為適應經(jīng)濟發(fā)展以及環(huán)境保護對優(yōu)質能源的需求，最近幾年，我國在沿海地區(qū)大規(guī)模投資興建液化天然氣接收站，以引進潔凈、環(huán)保的綠色能源——液化天然氣(簡稱LNG)。在已經(jīng)投入運行的LNG接收站中，發(fā)現(xiàn)高壓泵泵井(高壓泵吸入罐)的液位有時會出現(xiàn)大幅波動，嚴重時會造成高壓泵停機，外輸中斷，對生產和設備安全都造成嚴重的威脅。本文通過一些相關現(xiàn)象的分析，總結可能造成高壓泵泵井液位波動的原因，并提出相應的改進措施。

1 工藝簡介

LNG接收站外輸工藝流程如圖1所示。

圖1 LNG接收站外輸工藝流程示意

液化天然氣一般在-160℃、常壓(一般在微正壓15 kPa左右)的條件下儲存在LNG儲罐，由于外部熱量的滲入會產生一定量的蒸發(fā)氣(BOG)。這些BOG氣體匯入BOG總管，然后經(jīng)過BOG壓縮機加壓到0.8 MPa以上，再進入再冷凝器被LNG吸收變成液體。

儲罐里的LNG通過罐內泵增壓到1.0~1.4 MPa，分兩路輸送到再冷凝器。一路進入再冷凝器頂部吸收經(jīng)過壓縮機加壓的BOG，吸收BOG后的LNG從再冷凝器底部出來和另外一路LNG匯合進入高壓泵，經(jīng)高壓泵再次加壓到大約10 MPa后輸送到汽化器加熱氣化，變成氣體的天然氣最后經(jīng)過外輸管道送到各門站和終端用戶。

2 現(xiàn)象及原因分析

2.1 現(xiàn)象

在正常生產的過程中，LNG經(jīng)罐內泵輸送到再冷凝器和高壓泵井，再冷凝器和高壓泵泵井連通，以保持高壓泵的吸入口有足夠的液位和入口壓力。在某些情況下，運行的高壓泵泵井的液位會瞬間下降(備用的高壓泵泵井液位也會有相同的現(xiàn)象)，大幅波動，觸發(fā)高壓泵聯(lián)鎖停機保護功能，從而引起整個接收站生產的大幅波動、甚至停產。有些接收站頻繁發(fā)生這種現(xiàn)象，上海LNG接收站從投運到2012年，也發(fā)生過2次這種現(xiàn)象。

2.2 原因初步分析

一般來講，如果儀表正常，高壓泵井液位波動反映的是高壓泵的輸送介質供應不足，或者是壓力不穩(wěn)定，工藝上可能有兩種原因：

(1)因高壓泵上游、下游生產的波動，物料供應不平衡。

(2)進入高壓泵井的LNG物性發(fā)生改變(如溫度的升高等)，有效汽蝕余量降低，在泵入口產生汽蝕，或者介質直接發(fā)生相態(tài)變化，引起壓力和液位波動。

如果是第一種原因，一般伴有低壓泵突然停運、再冷凝器液位波動等現(xiàn)象，或者高壓泵下游的流量或壓力大幅波動等。經(jīng)對上海LNG接收站發(fā)生高壓泵泵井液位波動時的操作參數(shù)進行分析，不屬于這種情況，但這種情況在其它LNG接收站發(fā)生過。

如果是第二種原因，由于操作中沒有參數(shù)直接反映LNG相態(tài)和裝置汽蝕余量的變化，所以相對第一種原因它更隱蔽，發(fā)生事故時也更突然，產生的影響也更大。

2.3 高壓泵介質臨界汽蝕壓力和溫度的計算

高壓泵介質的臨界汽蝕壓力和溫度，就是泵開始汽蝕時介質所對應的飽和壓力和飽和溫度。如圖2所示裝置汽蝕余量(NPSHa)和泵汽蝕余量(NPSHr)的關系。

圖2 NPSHa和NPSHr的關系

從圖2可知：

NPSHa＝NPSHr 泵開始汽蝕(臨界汽蝕)

NPSHa＜NPSHr 泵嚴重汽蝕

NPSHa＞NPSHr 泵無汽蝕

NPSHa——裝置汽蝕余量又叫有效汽蝕余量；

NPSHr——泵汽蝕余量，又叫必需的汽蝕余量或泵進口動壓降；

裝置汽蝕余量(NPSHa)方程式為：

式中：NPSHa——裝置汽蝕余量又叫有效汽

蝕余量，m；

ps——泵進口斷面至基淮面上的絕對壓力，kPa；

vs——泵進口斷面至基淮面上的平均流速，m/s；

pv——泵內液體工作溫度下的飽和蒸汽壓，kPa；

ρ——介質標準狀況下密度，kg/m3；

g——重力常數(shù)，取9.8 m/s2。

(1)式中裝置汽蝕余量NPSHa僅與泵進口的參數(shù)有關，而與泵本身的結構和參數(shù)無直接關系。一旦泵的吸入裝置條件確定，即裝置吸入液面絕對壓力pA，幾何吸上高度H吸，吸入管路水頭損失h吸以及流量和溫度等條件確定后，NPSHa就是一個定值，并可通過式(2)計算：

式中：pA——裝置吸入液面絕對壓力，kPa；

vA——吸入液面上的速度，m/s；

H吸——幾何吸上高度，m；

h吸——吸入管路水頭損失，m；

pv——工作溫度下液體的蒸汽壓，kPa；

ρ——介質標準狀況下密度，kg/m3；

g——重力常數(shù)，取9.8m/s2。

表1 上海LNG接收站高壓泵操作條件及性能設計參數(shù)

(2)式中第1個等號后第一項表示吸入液面上的壓力能頭，第2項為吸入液面上的速度能頭，但通常吸入液面截面很大以至于速度約為零，故常將此項忽略不計，第3項為泵的幾何安裝高度，即泵吸入口軸線與吸入液面間的位能差，第4項為吸入管路的摩阻損失，第5項為工作溫度下液體的蒸汽壓能頭。

當NPSHa=NPSHr時，代入上海LNG接收站相關實際參數(shù)(此計算假設LNG是單一純凈的理想液體)，計算得：pv=0.8646 MPa(絕對壓力)，即表壓0.7636 MPa，該壓力所對應的飽和溫度約-130 ℃。

從2.3的計算可以看出，高壓泵入口在壓力0.82 MPa下，吸入介質LNG飽和壓力必須低于0.7636 MPa，才能保證NPSHa＞NPSHr，高壓泵入口才不會發(fā)生汽蝕；如果用溫度來比較更直觀，就是高壓泵在入口壓力0.82 MPa下，介質溫度必須低于-130 ℃，高壓泵入口才不會發(fā)生汽蝕。

2.4 比較分析

2011年抽取再冷凝器和高壓泵的實際操作參數(shù)樣本見表2。

表2 2011年再冷凝器和高壓泵的實際操作參數(shù)樣本

如表2所示2011年再冷凝器和高壓泵操作參數(shù)樣本中第1組數(shù)據(jù)，當外輸量比較低時，BOG壓縮機負荷在75%，高壓泵入口壓力0.79 MPa，操作溫度則達到-129 ℃，通過2.3的計算表明，在該條件下NPSHa≤NPSHr，已經(jīng)處在汽蝕臨界區(qū)，也就是說在該操作條件下高壓泵的吸入口有可能已經(jīng)發(fā)生汽蝕。而在第4組數(shù)據(jù)中，外輸量較大，處理同樣量的BOG，高壓泵入口溫度是-146℃，已經(jīng)遠離泵汽蝕區(qū)。

這說明在處理同樣量的BOG氣體時，因為外輸量小，造成高壓泵入口介質的溫度上升，物性發(fā)生變化，有效汽蝕余量下降，達到一定程度就可能發(fā)生汽蝕。

在實際操作中有三種情況會造成高壓泵井內LNG物性變化：

(1)再冷凝器BOG處理量相對外輸量較大。再冷凝器有一個重要作用是將接收站儲存過程中因熱滲漏產生的蒸發(fā)氣(BOG)進行回收再冷凝。BOG氣體經(jīng)收集總管后進入壓縮機增壓到0.8 MPa以上，溫度在20~140 ℃，然后進入再冷凝器被過冷的LNG混合吸收變成液體。如果BOG量過大，而外輸LNG量過小，沒有足夠的LNG提供冷量冷凝BOG氣體，那么混合后的液體可能溫度過高，pv值升高，NPSHa下降，在高壓泵的吸入口容易發(fā)生汽蝕。

(2)高壓泵設備和管線可能存在較多的熱滲漏或熱累積。在工藝設計中一般會考慮利用冷循環(huán)或重力自循環(huán)將管道或設備內熱量帶走，保持管道和管道內的介質冷態(tài)。如果冷循環(huán)不暢通或重力自循環(huán)不暢，不能有效帶走外界滲透進來的熱量，就會造成設備和管道局部熱量累積，此處的介質就會變的過熱，這些熱的介質達到一定程度會突然發(fā)生相變，并造成壓力和液位的波動。如果這臺高壓泵正在運行，過熱介質流經(jīng)泵時會引起汽蝕(特別是在高壓泵啟動時尤為明顯)。

(3)BOG氣體中含有大量的氮氣。由于氮氣相對于天然氣有更低的液化飽和溫度，如果再冷凝器所處理的BOG氣體中含有大量的氮氣，這些氮氣可能被攜帶進入高壓泵入口管線并降低有效汽蝕余量。

3 措施

3.1 測量儀表的安裝

低溫介質液位測量計的引壓管安裝需要加長并呈倒U形，以利于低溫液體進入引壓管線后充分氣化，所測位置的壓力更真實。

3.2 高壓泵上、下游壓力和流量應保持相對平穩(wěn)

高壓泵上游盡量防止低壓泵和再冷凝器的供應突然中斷，下游汽化器流量或外輸量調整幅度不能過大，同時要防止下游自動調節(jié)閥大幅波動等。

3.3 再冷凝器和外輸量的調整

再冷凝器是處理BOG的設備，調整再冷凝器的操作，使BOG的處理量和外輸量相匹配，或者在外輸量低時保持一個最小的外輸量使之能處理全部的BOG量，保證進入高壓泵井的LNG有足夠的裝置汽蝕余量非常重要。

在實際操作中，可以監(jiān)測介質實際壓力和在實測溫度下的飽和壓力之差來判斷介質是否在汽蝕臨界區(qū)(這需要引入一定的計算)，有些接收站為操作安全起見，防止高壓泵入口發(fā)生汽蝕，要求高壓泵入口實際壓力p實-pv＞100 kPa；在壓力穩(wěn)定的情況下也可以通過比較高壓泵入口溫度和pv所對應的飽和溫度值進行判斷。

3.4 出、入口管線防止過多的熱滲漏或熱積累

防止過多的熱滲漏或熱積累，主要是設備和管線的保溫層的完好情況以及在備用狀況下保持一定量冷循環(huán)或重力自循環(huán)帶走熱量，防止熱累積。還要注意現(xiàn)場是否有管線盲端不能有效帶走熱量。

3.5 工藝操作中防止大量的氮氣進入BOG總管

防止大量的氮氣進入BOG總管主要是設備檢修或吹掃時不要連續(xù)使用大量氮氣向排放管道吹掃，這些氣體最終會進入BOG總管。

4 結語

綜上所述，造成液化天然氣接收站高壓泵泵井液位波動的因素很多，但主要原因有兩點：一是因高壓泵前后物料供應失衡，導致液面波動；二是進入高壓泵井的LNG物性發(fā)生變化(例如介質溫度升高或過熱，混入氮氣等)，發(fā)生相變或者降低了裝置汽蝕余量造成泵發(fā)生汽蝕，引起壓力和液位波動等。后一點隱蔽性較強，發(fā)生后造成的影響也更大，因此要特別注意。在日常操作中應保持好外輸量與BOG處理量的匹配，設備和工藝管線的冷循環(huán)要暢通，防止熱累積，不要大量帶入氮氣等，在監(jiān)控上面還可以引入比較直觀的參數(shù)幫助操作監(jiān)控。上海LNG接收站自投用以來，在吸收其它接收站經(jīng)驗的基礎上，對再冷凝器和高壓泵的操作上進行了相應的改進，取得了明顯的效果，2012年以后沒有再發(fā)生運行中的高壓泵泵井液位突然波動的情況。

Analysis on the Level Fluctuation of LNG HP Pump Well and Countermeasures

Shanghai LNG Co., Ltd. Li Shibin

By analyzing the reason of level fluctuation of LNG HP pump well of Shanghai, the paper points out that the physical properties of substances in HP pump well is the main reason, and puts forward corresponding countermeasures.

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