陳林斌　水明星　賈銀鳳

（1.中國(guó)石油京唐液化天然氣有限公司，北京　101100；2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶　400700）

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國(guó)產(chǎn)海水泵在LNG接收站的應(yīng)用

陳林斌1水明星1賈銀鳳2

（1.中國(guó)石油京唐液化天然氣有限公司，北京101100；2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶400700）

摘要為打破國(guó)外對(duì)LNG接收站海水泵關(guān)鍵技術(shù)的壟斷，由我國(guó)自主研制的海水泵于2013年在唐山LNG接收站調(diào)試并投用。為此介紹了國(guó)產(chǎn)海水泵的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、冷卻水系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外海水泵的性能及設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了國(guó)產(chǎn)海水泵在唐山接收站的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞LNG接收站國(guó)產(chǎn)海水泵變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行參數(shù)

0　引言

LNG接收站開(kāi)架式氣化器（ORV）的熱源由海水提供，海水泵的作用是將海水輸送至ORV氣化LNG，供下游客戶使用。海水泵是LNG接收站非常重要的設(shè)備之一，但其關(guān)鍵技術(shù)一直被國(guó)外生產(chǎn)商壟斷［1］。由湖南耐普泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的海水泵于2013年在唐山LNG接收站調(diào)試運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)自主研制的國(guó)產(chǎn)海水泵正式進(jìn)入國(guó)內(nèi)LNG接收站，同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中保持了良好的運(yùn)行狀態(tài)。海水泵的國(guó)產(chǎn)化對(duì)于LNG項(xiàng)目關(guān)鍵設(shè)備的投資和維護(hù)具有重要意義，筆者擬就國(guó)產(chǎn)海水泵的性能及運(yùn)行情況作一介紹分析。

1　國(guó)產(chǎn)海水泵介紹

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理

國(guó)產(chǎn)海水泵的結(jié)構(gòu)形式為立式長(zhǎng)軸泵，葉輪級(jí)數(shù)為單級(jí)。該泵在泵外筒體不拆卸的情況下，轉(zhuǎn)子可單獨(dú)抽出體外進(jìn)行檢修。泵的進(jìn)口濾網(wǎng)位置通常低于正常海平面5 m左右，泵的總長(zhǎng)度為10～12 m。

海水泵采用耐海水腐蝕的材料，同時(shí)配備防止腐蝕的電極保護(hù)裝置。海水是強(qiáng)電解質(zhì)，不同金屬在其中相互接觸或配用時(shí)，由于各自電位不同，會(huì)使較低電位的金屬溶解而加速腐蝕，電位較高的金屬得到保護(hù)而減緩腐蝕［2］。正常情況下，泵軸與軸套、葉輪間不存在海水，但在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于受到多種因素的影響，葉輪軸孔端面與軸套端面密封性能下降并進(jìn)一步失效，海水會(huì)滲入泵軸與軸套、葉輪間的空隙中，使得泵軸與軸套、葉輪間產(chǎn)生電偶腐蝕效應(yīng)［3］。該裝置外加保護(hù)電位，可在出現(xiàn)電位差時(shí)使電位平衡，防止海水泵被腐蝕。

海水泵是豎軸驅(qū)動(dòng)，殼體是擴(kuò)散碗型。泵軸之間通過(guò)聯(lián)軸器連接?？筛鼡Q的耐磨環(huán)分別配備在葉輪和殼體上。從上往下看，泵沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，泵所產(chǎn)生的軸向推力（轉(zhuǎn)子重量+軸向推力）由泵本體承受，軸密封形式為無(wú)石棉的壓蓋填料密封。電機(jī)是安裝在獨(dú)立的鋼結(jié)構(gòu)電機(jī)座上的，通過(guò)油脂潤(rùn)滑的齒輪式聯(lián)軸器連接在泵上。泵吸入口垂直向下，吐出口水平布置。海水通過(guò)海水泵入口后，由葉輪加壓，經(jīng)過(guò)排出口進(jìn)入海水總管，供ORV使用，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.2冷卻水系統(tǒng)

海水泵配備一套潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)。泵啟動(dòng)前10 min注入規(guī)定壓力（高于0.2 MPa）的淡水對(duì)填料函體以及推力軸承部件進(jìn)行潤(rùn)滑，正常啟動(dòng)后從泵出口管路引入海水，切換成海水自潤(rùn)滑、冷卻一體裝置，工藝如圖2所示。由于海水中含有海生物，在潤(rùn)滑中可能會(huì)造成冷卻管線堵塞。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，氯化處理較為有效，在海水泵取水口加入海水經(jīng)電解后產(chǎn)生的有效氯（HClO、ClO-、Cl2），可防止海生物在冷卻水管路附著滋長(zhǎng)［4］。

圖1　國(guó)產(chǎn)海水泵的結(jié)構(gòu)及工作原理圖

圖2　冷卻水工藝流程圖

1.3變頻系統(tǒng)

國(guó)產(chǎn)海水泵分為工頻泵和變頻泵。變頻泵采用變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以滿足不同流量需求。按照電機(jī)學(xué)的基本原理，已知交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為［5］：

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；s為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率，%；f為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，Hz；p為電機(jī)定子繞組對(duì)數(shù)。

平滑地改變加到異步電動(dòng)機(jī)定子繞組交流電的頻率，可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，因此就可達(dá)到調(diào)節(jié)流量的功能［6］。根據(jù)海水溫度和ORV負(fù)荷的變化，海水流量可在（2 000～8 000）m3/h范圍內(nèi)變化。國(guó)產(chǎn)海水泵頻率在35～50Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致海水流量變化。因此，在海水溫度一定的情況下，調(diào)節(jié)海水流量，可優(yōu)化ORV的負(fù)荷以及運(yùn)行臺(tái)數(shù)：當(dāng)ORV負(fù)荷上升時(shí)，升高頻率增加海水流量；在ORV負(fù)荷下降時(shí)，降低頻率減少海水流量，以達(dá)到節(jié)約電能的目的；當(dāng)LNG流量大于1 臺(tái)ORV的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，可增加1臺(tái)ORV，盡量不使用SCV（浸沒(méi)燃燒式氣化器，能耗較高），以達(dá)到節(jié)能的目的［7］。啟動(dòng)變頻泵時(shí)，頻率從35Hz到50Hz逐漸升高，海水流量緩慢上升，電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，減小了對(duì)海水管道、調(diào)節(jié)閥、ORV的水力沖擊和磨損，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠，并且可大幅節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，降低接收站的運(yùn)行成本［8］。

2　國(guó)內(nèi)外海水泵設(shè)計(jì)參數(shù)及性能對(duì)比

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

以1600LK4.58-30、1200LK2.22-30兩種不同型號(hào)的國(guó)產(chǎn)海水泵為例，其設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

國(guó)外生產(chǎn)的海水泵設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

從兩表中的數(shù)據(jù)可以看出，國(guó)產(chǎn)海水泵的效率、揚(yáng)程已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外生產(chǎn)的部分海水泵，并且除酉島泵外，其他海水泵的轉(zhuǎn)速均較低。理論上講，功率為力與速度的乘積，轉(zhuǎn)速越低，需要的提升力就越大，需要更大的葉輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，意味著需要的鋼材更多，加工難度更大。國(guó)產(chǎn)海水泵轉(zhuǎn)速范圍為（425～595）r/min，能滿足下游用戶對(duì)海水流量的需求。因此國(guó)產(chǎn)海水泵廠商在克服加工難度的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了泵的穩(wěn)定性，使出廠的海水泵能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)幾年乃至幾十年，只需花費(fèi)最少量的維護(hù)費(fèi)用并能保持運(yùn)行效率。實(shí)踐證明性能優(yōu)良的國(guó)產(chǎn)海水泵經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用仍運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無(wú)故障發(fā)生［9］。

表2　國(guó)外廠商生產(chǎn)的海水泵設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.2性能對(duì)比

將國(guó)產(chǎn)海水泵和日本酉島生產(chǎn)的海水泵進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果是：國(guó)產(chǎn)海水泵的大泵流量分別在13 200 m3/h、16 500 m3/h、19 000 m3/h時(shí)，氣蝕余量（NPSHr）分別為7 m、8 m、9 m，小泵流量分別在6 400 m3/h、8 000 m3/h、9 600 m3/h時(shí)，NPSHr分別為7.1 m、7.5 m、8 m。NPSHr很接近，工作范圍均在10 m以?xún)?nèi)；同時(shí)性能指標(biāo)都比較平緩，消除了駝峰影響，保證了海水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性［10］，這與日本酉島的海水泵性能指標(biāo)相似。

3　國(guó)產(chǎn)海水泵運(yùn)行參數(shù)

以唐山LNG接收站的型號(hào)為1600LK4.58-30國(guó)產(chǎn)海水泵為例，運(yùn)行1個(gè)月內(nèi)溫度曲線和振動(dòng)曲線見(jiàn)圖3和圖4。

為防止海水泵運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)線圈、上下軸承、軸向和徑向推力瓦溫度過(guò)高而導(dǎo)致機(jī)械損傷，設(shè)置10個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度的變化。從圖3可以看出，電機(jī)線圈溫度在65～75℃范圍內(nèi)波動(dòng)，遠(yuǎn)未達(dá)到停機(jī)溫度145℃。上軸承溫度與下軸承溫度相差20℃左右，主要原因是上軸承與轉(zhuǎn)動(dòng)軸接觸面積大，產(chǎn)生熱量多，但這兩個(gè)軸承溫度同樣未達(dá)到停機(jī)溫度90℃。而軸向推力瓦和徑向推力瓦溫度也都低于停機(jī)溫度85℃，均在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

圖3　海水泵運(yùn)行溫度曲線圖

圖4　海水泵運(yùn)行振動(dòng)曲線圖

在振動(dòng)曲線中，電機(jī)振動(dòng)設(shè)置20 μm/s為停機(jī)值，實(shí)際運(yùn)行中在（11～13）μm/s范圍內(nèi)波動(dòng)；機(jī)身振動(dòng)的停機(jī)值設(shè)置為120 mm/s，檢測(cè)的數(shù)值在（85～87）mm/s范圍內(nèi)波動(dòng)。海水泵由電機(jī)提供動(dòng)力，因此其振動(dòng)變化必須為微米級(jí)，以確保海水泵可靠運(yùn)行；機(jī)身振動(dòng)檢測(cè)單位為毫米級(jí)，主要原因是電機(jī)帶動(dòng)長(zhǎng)達(dá)10 m的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，盡管有軸承限制其徑向運(yùn)動(dòng)范圍，但轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中軸的振幅較大。由圖4看出，海水泵實(shí)際運(yùn)行中電機(jī)振動(dòng)與機(jī)身振動(dòng)曲線均較平穩(wěn)，振動(dòng)值遠(yuǎn)未達(dá)到停機(jī)值。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，唐山LNG接收站的國(guó)產(chǎn)海水泵達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行較穩(wěn)定，其綜合性能達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的水平，能完全替代國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品。其冷卻水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了啟機(jī)前淡水潤(rùn)滑、啟機(jī)后切換成海水潤(rùn)滑的功能，節(jié)約了淡水資源，降低了運(yùn)行成本。變頻功能的應(yīng)用，可根據(jù)下游海水需求量靈活調(diào)整海水泵輸出功率，以降低電耗。因此，國(guó)產(chǎn)海水泵將伴隨著國(guó)內(nèi)LNG接收站的擴(kuò)建獲得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］楊勇.LNG接收站海水循環(huán)泵的關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)產(chǎn)化研究［J］.通用機(jī)械，2014（9）：56-57.

［2］毛楚方.海水泵的腐蝕及其材料選用［J］.排灌機(jī)械，1995（2）：60-63.

［3］盧洪濤，陳漢明.海水泵泵軸腐蝕原因分析及對(duì)策［J］.中國(guó)核電，2012，4（3）：360-366.

［4］湯東升.海水循環(huán)冷卻水處理方案的選擇［J］.電力建設(shè)，2003，24（5）：12-14.

［5］王文平.淺析變頻器在水泵控制中的應(yīng)用［J］.能源與節(jié)能，2014（4）：174-175，192.

［6］陳顯俊.淺析變頻水泵節(jié)能問(wèn)題的分析探討［J］.科技致富向?qū)В?014（14）：278.

［7］周華，程云東，蘇建偉.LNG接收站開(kāi)架式氣化器低溫運(yùn)行優(yōu)化與實(shí)踐［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2014，41（9）：1064-1068.

［8］陳永忠，陳彬，余偉.海水泵高壓變頻節(jié)能改造可行性分析［J］.中國(guó)信息界，2011（7）：156-158.

［9］姜成軍，蔣曉東.海水泵系統(tǒng)的可靠性分析［J］.水泵技術(shù)，2009（3）：16-18.

［10］何希杰，勞學(xué)蘇.離心泵性能曲線穩(wěn)定判據(jù)［J］.水泵技術(shù)，1994（3）：3-6.

（編輯：蔣龍）

修訂回稿日期：2016-06-09

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：2095-1132（2016）03-0053-04

doi：10.3969/j.issn.2095-1132.2016.03.014

作者簡(jiǎn)介：陳林斌（1988-），助理工程師，從事LNG接收站運(yùn)行操作管理工作。E-mail：tslngchenlinbin@petrochina.com.cn。