邰曉亮　陳 杰　肖海濤　陳 琪　花亦懷　蓋小剛

1.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心　2.大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司

新型LNG裝車(chē)潛液泵設(shè)備研制及性能測(cè)試

邰曉亮1陳 杰1肖海濤2陳 琪2花亦懷1蓋小剛1

1.中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心2.大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司

摘要國(guó)內(nèi)中小型天然氣液化工廠的LNG裝車(chē)泵基本上都采用進(jìn)口的低溫臥式離心泵，價(jià)格昂貴，并且在實(shí)際應(yīng)用中存在容易泄漏、LNG損失大、安裝拆卸過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。本文將潛液泵的概念引入LNG裝車(chē)泵領(lǐng)域，完成了技術(shù)攻關(guān)和設(shè)備研制，并且依托實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目完成了設(shè)備性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)LNG裝車(chē)泵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化和工程化。

關(guān)鍵詞LNG裝車(chē)泵潛液泵

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)是解決天然氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)挠行侄沃?，也廣泛應(yīng)用于天然氣調(diào)峰[1-3]。20世紀(jì)90年代末，依托東海天然氣早期開(kāi)發(fā)利用，在上海建造了一座處理能力為10×104m3/d的液化天然氣事故調(diào)峰站[4]，自此拉開(kāi)了天然氣液化工廠在國(guó)內(nèi)的發(fā)展序幕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2014年底，國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的中小型天然氣液化工廠將達(dá)到94座[5]。

天然氣液化工廠的LNG產(chǎn)品通常都儲(chǔ)存在常壓低溫儲(chǔ)罐中，LNG裝車(chē)泵是充裝運(yùn)輸槽車(chē)的必需設(shè)備。目前，液化工廠LNG裝車(chē)泵采用常規(guī)低溫臥式離心泵，為軸封式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)電機(jī)與泵完全暴露在空氣中，外部包裹保冷材料。采用這種型式的裝車(chē)泵存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：①由于低溫軸封目前還達(dá)不到零泄漏水平，LNG屬于易燃易爆介質(zhì)，在空氣中達(dá)到燃燒的比例范圍(體積分?jǐn)?shù))在5%~15%之間，危險(xiǎn)性比較大；②受保冷效果的限制，每次設(shè)備啟動(dòng)之前都要經(jīng)過(guò)預(yù)冷，增加了操作復(fù)雜性和LNG的浪費(fèi)；③受保冷形式的影響，設(shè)備拆裝和維修比較復(fù)雜繁瑣[6]。

鑒于上述應(yīng)用缺陷，并且現(xiàn)有LNG裝車(chē)泵完全依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口，中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心聯(lián)合大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司開(kāi)展了新型潛液式LNG裝車(chē)泵的研制工作，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目的性能測(cè)試并取得了成功。

1LNG裝車(chē)潛液泵的設(shè)備結(jié)構(gòu)與樣機(jī)研制

LNG裝車(chē)潛液泵主要包括泵池、潛液電機(jī)、主軸、軸承、葉輪、誘導(dǎo)輪和平衡鼓。泵體持續(xù)浸泡在LNG介質(zhì)中，裝車(chē)前無(wú)需預(yù)冷，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)起泵，LNG損失?。槐贸夭捎冒怖w維鋁箔形式進(jìn)行保冷，擯棄了常規(guī)進(jìn)口設(shè)備填充保冷材料的方式，絕熱效果更好，并且便于安裝拆卸；泵池設(shè)有進(jìn)液口、出液口、溢流口和排液管；電機(jī)采用經(jīng)過(guò)低溫處理的浸沒(méi)式電機(jī)，利用泵內(nèi)LNG介質(zhì)冷卻，冷卻效果好，且沒(méi)有防爆要求；采用滾動(dòng)軸承，由泵內(nèi)LNG 介質(zhì)自身潤(rùn)滑；在泵池頂部設(shè)有壓力、溫度檢測(cè)儀表，并配有相應(yīng)的安全閥；屬于無(wú)密封式離心泵，其密封問(wèn)題僅存在于外部動(dòng)力電纜與泵池內(nèi)動(dòng)力電纜連接處的密封。葉輪采用鋁合金材質(zhì)，軸采用沉淀硬化不銹鋼材質(zhì)，泵池采用不銹鋼材質(zhì)。主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

LNG裝車(chē)潛液泵的技術(shù)難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

(1) 潛液電機(jī)及低溫電纜。目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)的電機(jī)使用環(huán)境最低溫度在-40 ℃左右，而LNG裝車(chē)潛液泵的設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃。深冷環(huán)境中定子和轉(zhuǎn)子的磁性能是否受到影響以及電纜能不能絕緣是十分關(guān)鍵的問(wèn)題[7]。由于電機(jī)浸入低溫液體中，就需要保證電機(jī)在低溫液體中不能被擊穿，首先是定子和轉(zhuǎn)子之間不能被擊穿，然后就是匝間線之間不能被擊穿。通過(guò)對(duì)電機(jī)的矽鋼片間隙做絕緣處理，電纜線圈采用樹(shù)脂絕緣漆的漆包線，并通過(guò)液氮對(duì)樹(shù)脂絕緣漆的漆包線進(jìn)行低溫處理，確保電機(jī)絕緣性能，在電機(jī)定子空間作低溫膠發(fā)泡處理，防止發(fā)生局部放電和電暈對(duì)繞組造成破壞。

(2) 電纜密封部件。LNG裝車(chē)潛液泵的密封問(wèn)題即是外部動(dòng)力電纜與泵池內(nèi)動(dòng)力電纜連接處的密封，電氣連接處的密封裝置是影響裝車(chē)泵安全性的關(guān)鍵之一。采用雙密封端頭進(jìn)行電纜的密封以保證其可靠性，所有電氣元件均有防爆要求。

(3) 電機(jī)、軸承的潤(rùn)滑和冷卻。由于電機(jī)浸在LNG中，被低溫的LNG冷卻，且被輸送的LNG都在飽和溫度附近，很小的溫升或降壓即可造成LNG氣化，因此，應(yīng)該研究電機(jī)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)LNG的氣化情況。此外，LNG潛液泵內(nèi)的軸承及相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件都由LNG潤(rùn)滑。由于LNG的黏度較低，使用的球形滾珠軸承很容易損壞，使用壽命和潤(rùn)滑的好壞密切相關(guān)，因此，研究軸承受力和LNG潤(rùn)滑液膜的形成非常重要。通過(guò)裝車(chē)泵內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布研究，合理設(shè)計(jì)泵體內(nèi)部LNG冷卻循環(huán)和控制LNG通過(guò)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙和軸承的流速，可以保證潤(rùn)滑和冷卻過(guò)程不發(fā)生氣化。LNG冷卻循環(huán)回路示意圖見(jiàn)圖2。

(4) 抗汽蝕性能。為了防止在泵的吸入口產(chǎn)生氣蝕，葉輪水力選用經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)的成熟水力模型。為了進(jìn)一步減少流體在吸入口的阻力，在吸入口設(shè)置了誘導(dǎo)輪，使得LNG裝車(chē)潛液泵能夠達(dá)到應(yīng)有的凈吸入壓頭，有利于改善水力特性，降低泵對(duì)凈吸入壓頭的要求，防止在泵的吸入口產(chǎn)生汽蝕。

在上述研究的基礎(chǔ)上，研制LNG裝車(chē)潛液泵樣機(jī)一臺(tái)，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，樣機(jī)實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

表1 LNG裝車(chē)潛液泵樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table1 DesignparametersofimmersedpumpprototypeforLNGloading項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)流量/(m3·d-1)960揚(yáng)程/m133必需汽蝕余量/m0.8電機(jī)功率/kW22電壓等級(jí)/V380額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2988轉(zhuǎn)速范圍/(r·min-1)300~4200電機(jī)變頻范圍/Hz5~70操作溫度/設(shè)計(jì)溫度/℃-164/-196泵殼設(shè)計(jì)表壓/MPa1.6

2設(shè)備性能測(cè)試

為考核LNG裝車(chē)潛液泵在實(shí)際工程應(yīng)用情況下的運(yùn)行性能，對(duì)所研制樣機(jī)依托中海油天然氣液化工廠進(jìn)行了超過(guò)24 h的連續(xù)性能測(cè)試。該液化工廠同時(shí)采用了常規(guī)的進(jìn)口離心式裝車(chē)泵與新型LNG裝車(chē)潛液泵，其安裝對(duì)比見(jiàn)圖4。

2.1LNG裝車(chē)潛液泵回流工況

首先測(cè)試了LNG裝車(chē)潛液泵在回流工況下的性能參數(shù)，通過(guò)調(diào)整回流閥的開(kāi)度和電機(jī)頻率來(lái)測(cè)試裝車(chē)泵的揚(yáng)程參數(shù)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，當(dāng)電機(jī)頻率為54.08 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為泵的額定轉(zhuǎn)速，從20%到50%逐漸調(diào)整回流閥的開(kāi)度，泵的出口壓力(G，下同)基本穩(wěn)定在0.78 MPa左右，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程約為170 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)參數(shù)；當(dāng)電機(jī)頻率降至38.68 Hz時(shí)，泵的出口壓力穩(wěn)定在0.4 MPa左右；當(dāng)電機(jī)頻率升至64.16 Hz時(shí)，泵的出口壓力穩(wěn)定在1.1 MPa左右，證明樣機(jī)的變頻調(diào)節(jié)性能良好。

2.2LNG裝車(chē)潛液泵外輸裝車(chē)工況

此外，在實(shí)際裝車(chē)應(yīng)用過(guò)程中對(duì)泵的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了測(cè)試。在僅充裝一臺(tái)LNG槽車(chē)時(shí)，維持泵的轉(zhuǎn)速恒定，頻率為38.7 Hz，通過(guò)裝車(chē)閥門(mén)來(lái)控制LNG槽車(chē)的充裝速度，在裝車(chē)泵無(wú)回流的情況下，流量控制在768 ~1 128 m3/d，充裝一臺(tái)槽車(chē)的對(duì)應(yīng)時(shí)間為1~1.5 h，完全滿足操作需求。在該測(cè)試工況下，流量隨泵出口壓力的變化見(jiàn)圖6。

在同時(shí)僅充裝兩臺(tái)LNG槽車(chē)時(shí)，保持裝車(chē)閥門(mén)全開(kāi)，通過(guò)調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制LNG槽車(chē)的充裝速

度，在頻率從38.7 Hz逐漸增大到60.28 Hz時(shí)，兩臺(tái)槽車(chē)的總充裝流量從1 147.2 m3/d增加到1 372.8 m3/d，兩臺(tái)槽車(chē)同時(shí)充裝時(shí)對(duì)應(yīng)的充裝時(shí)間為1.7~2.1 h，滿足工程操作需求。在該測(cè)試工況下，流量和泵出口壓力隨電機(jī)頻率的的變化見(jiàn)圖7。

3結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種新型的潛液式LNG裝車(chē)泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，并依托實(shí)際工程項(xiàng)目完成了設(shè)備樣機(jī)的性能測(cè)試。新型LNG裝車(chē)泵運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠，操作方便，啟動(dòng)之前無(wú)需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的預(yù)冷過(guò)程，保冷效果良好，減少了LNG的損耗，安裝拆卸方便。實(shí)際LNG槽車(chē)充裝過(guò)程中，流量、壓力和變頻調(diào)節(jié)穩(wěn)定，槽車(chē)充裝速度符合操作需求，性能完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了中小型天然氣液化工廠LNG裝車(chē)泵的國(guó)產(chǎn)化和工程化。

參 考 文 獻(xiàn)

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Development and performance testing of the new LNG loading immersed pump

Tai Xiaoliang1, Chen Jie1, Xiao Haitao2, Chen Qi2, Hua Yihuai1, Gai Xiaogang1

(1.Research&DevelopmentDepartmentofCNOOCGas&PowerGroup，Beijing100027,China)

(2.DalianDeepBluePumpCo.Ltd.,Dalian116031,China)

Abstract:The imported cryogenic horizontal centrifugal pump is widely used for LNG loading pump in domestic small and medium natural gas liquefaction plant. The pumps have some disadvantages, such as expensive price, easy leaking, large LNG loss, and complex installation and removal. The immersed pump was considered to be used for LNG loading pump, and the technical research and equipment development have been completed. Relying on actual LNG plant, the equipment performance testing was also finished to realize the localization and engineering of LNG loading pump.

Key words:LNG, loading pump, immersed pump

收稿日期：2014-07-25；編輯：康莉

中圖分類(lèi)號(hào)：TE974

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.011

作者簡(jiǎn)介：邰曉亮(1983-)，男，工程師，碩士，主要從事天然氣液化工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備研發(fā)工作。E-mail：taixl@cnooc.com.cn