陳子如 鄧志晟 吳 波 汪國洪

〔中石化廣東惠州石油分公司 廣東惠州 516008；2浙江湖州三井低溫設(shè)備有限公司 浙江湖州 313000〕

1 國內(nèi)加氣站LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵的使用現(xiàn)狀

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)清凈、安全高效的化石能源，與油品相比具有單位熱值高、排氣污染小、供應(yīng)可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，是被廣泛使用的一種替代燃料。到2016年底，我國已建成投用LNG、L-CNG、CNG加氣站多達(dá)4 000余座，投入運(yùn)營3 000余座。

圖1 采用國產(chǎn)LNG、L-CNG泵加氣站

由于我國LNG、L-CNG加氣站設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)相對(duì)較晚，早期建設(shè)的LNG、L-CNG加氣站的關(guān)鍵設(shè)備LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵均采用進(jìn)口設(shè)備。隨著加氣站建設(shè)的快速發(fā)展，我國的研發(fā)、生產(chǎn)廠商攻克了材料、密封件等一系列難題，已生產(chǎn)了一系列LNG、L-CNG加氣站配套設(shè)備，如LNG潛油泵、L-CNG高壓柱塞泵、LNG加液機(jī)、CNG加氣機(jī)等，使LNG、L-CNG加氣站主要設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，大大降低了建站與運(yùn)維成本?，F(xiàn)將近幾年以來采用國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵建設(shè)加氣站的一些經(jīng)驗(yàn)介紹于下供同行借鑒與參考。

圖2 采用國產(chǎn)L-CNG高壓柱塞泵氣站

2 國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵的主要特性

LNG潛液泵作為LNG加氣站的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，主要用于LNG液化天然氣加氣站對(duì)LNG液化天然氣的增壓，通過LNG加液機(jī)向車載LNG杜瓦瓶充裝液化天然氣。目前隨著城市環(huán)保壓力的增加、LNG公交汽車及重載卡車的成熟發(fā)展，在環(huán)保及經(jīng)濟(jì)因素的雙重影響下，LNG產(chǎn)業(yè)近幾年一直處于蓬勃發(fā)展?fàn)顟B(tài)，特別在西部LNG氣源地，物流、貨運(yùn)、長途汽車應(yīng)用普及已經(jīng)十分成熟。

目前加氣站用LNG潛液泵通常采用二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)/立式、離心泵結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、性能可靠的特點(diǎn)。機(jī)組整體放入泵池中，無動(dòng)密封，密封可靠性高。潛液泵由低溫潛液電機(jī)、低溫軸承、主軸、葉輪、導(dǎo)葉、誘導(dǎo)輪、殼體等組成，電機(jī)與泵同軸，通過連接法蘭與泵池連接，整體放入泵池中，使用時(shí)整體浸入低溫介質(zhì)。電機(jī)為定制低溫恒轉(zhuǎn)矩變頻電機(jī)，恒轉(zhuǎn)矩頻率為0～100 Hz,最高轉(zhuǎn)速一般為6 000 r/min。工作時(shí)泵出口壓力可設(shè)置為定值(通常為1.2～1.4 MPa)，恒壓變頻，泵自動(dòng)控制調(diào)整，主要參數(shù)見表1。泵組軸向力通過葉輪口環(huán)調(diào)整進(jìn)行平衡，通過多流道平衡式導(dǎo)葉設(shè)計(jì)平衡水力徑向力、殘余軸向力和徑向力由低溫軸承承受。軸承為定制進(jìn)口低溫軸承，通過輸送介質(zhì)潤滑，碟簧支撐、定位，可吸收機(jī)組定轉(zhuǎn)子低溫變形而帶來尺寸定位差。潛液泵所有零件的材料選擇和加工工藝都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，充分保證介質(zhì)的兼容性與安全性。配套泵池為真空保溫容器，為保證潛液泵的正常運(yùn)行，一般設(shè)有進(jìn)液管、出液管、回氣管、放空管、殘液排放管、安全閥、電纜接口、溫度傳感器、液位傳感器等接口。

表1 LNG潛液泵基本參數(shù)

由于機(jī)組整體浸入LNG液化天然氣中，軸承依靠LNG進(jìn)行潤滑冷卻，潤滑條件惡劣，且機(jī)組僅在加注或卸車時(shí)使用，啟動(dòng)次數(shù)非常頻繁，相對(duì)于其它長期穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行的離心機(jī)組，軸承磨損較快，所以軸承為其主要易損零件。軸承本身質(zhì)量及安裝、運(yùn)行環(huán)境的好壞直接決定了機(jī)組的使用壽命。通常在進(jìn)液口及上軸承沖洗口均設(shè)有過濾裝置，以減少雜質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)。

LNG加氣站的LNG潛液泵結(jié)構(gòu)見圖3。加液時(shí)泵的出口壓力=泵池/儲(chǔ)罐壓力+泵的增壓壓力，而正常加液時(shí)，泵的出口壓力一般設(shè)置為1.2～1.4 MPa，所以在加液時(shí)，不同儲(chǔ)罐壓力下，泵的運(yùn)行頻率有所不同，可在控制系統(tǒng)中通過出口壓力的聯(lián)鎖，設(shè)置恒壓變頻來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)對(duì)于加氣量較大的LNG加氣站(加液量大于6 000 kg/d)，可以適當(dāng)提高儲(chǔ)槽壓力至0.5 MPa以上，可以減小泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速、功率，提高機(jī)組壽命，減小因電機(jī)發(fā)熱產(chǎn)生的冷損耗。對(duì)于目前加氣站加液時(shí)單臺(tái)加注速度約為30～50 kg/min，兩臺(tái)加液機(jī)同時(shí)加注最大約100 kg/min，體積流量約14.5 m3/h。

圖3 LNG潛液泵結(jié)構(gòu)圖

L-CNG高壓泵主要用于給液化天然氣增壓、氣化后進(jìn)入高壓(25 MPa)儲(chǔ)氣瓶組或儲(chǔ)氣罐,進(jìn)而通過CNG加氣機(jī)實(shí)現(xiàn)給CNG汽車加氣。目前隨著進(jìn)口LNG液化天然氣價(jià)格降低的帶動(dòng)，在一些地方出現(xiàn)了液化氣與管道氣價(jià)格倒掛的現(xiàn)象(LNG價(jià)格便宜)，采用L-CNG高壓泵增壓方案的CNG加氣站也出現(xiàn)一定的增長趨勢。

L-CNG泵通常采用活塞式往復(fù)泵結(jié)構(gòu)，填料式往復(fù)密封，流量的大小主要通過冷端與傳動(dòng)箱組合設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。由于活塞力的存在及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的承載能力，單一冷端(泵頭)泵的流量有限，為了增大泵的流量，可采用并列多列冷端來增加泵的流量。為減小冷量損失，通常采用雙層高真空泵頭。

泵的活塞動(dòng)密封是泵的最關(guān)鍵技術(shù)之一。活塞密封通常為貼緊式密封，密封件屬于易耗品，其可靠性及壽命主要取決于密封件的結(jié)構(gòu)及材料自身的潤滑性和耐磨性，密封件的壽命決定了L-CNG高壓泵的維護(hù)周期與主要維護(hù)成本。目前某些國產(chǎn)品密封壽命一般為3 000 h以上(累積純運(yùn)行時(shí)間)，其優(yōu)越表現(xiàn)超過了進(jìn)口同類產(chǎn)品。當(dāng)然還可對(duì)密封部位采用恒溫控制進(jìn)一步提高壽命。

L-CNG高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性也是衡量泵的技術(shù)和質(zhì)量的主要因素。穩(wěn)定性表現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)性和對(duì)不良管路系統(tǒng)的適應(yīng)能力。優(yōu)良的泵設(shè)計(jì)和制造，可以降低泵的氣蝕余量，同時(shí)把管路和泵產(chǎn)生的BOG盡快導(dǎo)引出泵腔外，使泵的容積效率保持在較高水平，運(yùn)行聲音清脆有力。泵運(yùn)行的平穩(wěn)性一般表現(xiàn)在泵的震動(dòng)與噪音上，過度的震動(dòng)和噪音不僅對(duì)管路固定和焊縫安全是極大的危害，環(huán)境帶來噪音污染，而且對(duì)泵本身的使用壽命影響也極大。設(shè)計(jì)制造優(yōu)良的泵必須對(duì)偏心轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)箱及高速旋轉(zhuǎn)的皮帶輪進(jìn)行合理的動(dòng)平衡，同時(shí)要對(duì)泵內(nèi)進(jìn)出液閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入的計(jì)算與模擬，并平衡泵的吸入性能，以合理的設(shè)計(jì)來減少泵閥的沖擊，以減少噪音和震動(dòng)的產(chǎn)生。某國產(chǎn)低溫高壓泵目前能將滿載噪音控制在82dB以內(nèi)。L-CNG高壓泵的外形見圖4、參數(shù)見表2。

圖4 L-CNG高壓柱塞泵圖

表2 L-CNG高壓泵基本參數(shù)

3 國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵的選型與應(yīng)用

3.1 LNG潛液泵選型

LNG潛液泵作為LNG加氣站的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于LNG液化天然氣加氣站對(duì)LNG液化天然氣增壓，通過LNG加液機(jī)向車載LNG杜瓦瓶充裝液化天然氣。

3.1.1 LNG加液的兩種主要方案

(1)雙計(jì)量加液。LNG加液機(jī)內(nèi)有兩個(gè)流量計(jì)量表，分別對(duì)進(jìn)入車載LNG杜瓦瓶的LNG液化天然氣進(jìn)行計(jì)量和車載瓶通過回氣槍輸出至儲(chǔ)槽的BOG進(jìn)行計(jì)量。加氣量=LNG計(jì)量質(zhì)量-BOG計(jì)量質(zhì)量。

(2)單計(jì)量加液。LNG加液機(jī)內(nèi)只有一個(gè)流量計(jì)量表，僅對(duì)進(jìn)入車載LNG杜瓦瓶的LNG液化天然氣進(jìn)行計(jì)量。

由于LNG液化天然氣與CNG氣態(tài)天然氣的價(jià)格差異，且多數(shù)加氣站沒有BOG(閃蒸氣)回收設(shè)備，對(duì)于LNG加氣站來說，加注出去的LNG液化天然氣與回收的CNG氣態(tài)天然氣中間將產(chǎn)生冷量損失，如無BOG回收系統(tǒng)，大量回收后天然氣會(huì)造成儲(chǔ)槽升壓，安全閥起跳排放，造成損失，且污染環(huán)境。所以目前國內(nèi)大量的LNG加氣站均采用單計(jì)量(LNG加注)加液機(jī)。泵向車載LNG杜瓦瓶輸送液體，需要克服泵出口至LNG瓶的系統(tǒng)阻力：管路(含閥門)阻力、氣瓶內(nèi)部壓力。系統(tǒng)阻力=管路阻力+氣瓶內(nèi)部壓力。

3.1.2 流量選取

根據(jù)GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》要求，LNG潛液泵進(jìn)口速度≯1 m/s(DN65 mm管徑,200 L/min),出口速度≯3 m/s(DN40 mm管徑,226 L/min),而LNG加液機(jī)的單機(jī)加液速度一般為150 L/min(9 m3/h),雙機(jī)為300 L/min(18 m3/h)，所以通常對(duì)于單泵單機(jī)加氣站的流量選取約為10 m3/h, 單泵雙機(jī)加氣站的流量選取約為18 m3/h即可。

3.1.3 揚(yáng)程選取

LNG潛液泵屬于低溫離心泵，泵的出口壓力=泵的進(jìn)口壓力+泵的揚(yáng)程產(chǎn)生的增壓壓力。當(dāng)泵的出口壓力≥系統(tǒng)阻力時(shí)，泵向車載杜瓦瓶輸送液體。由于加注時(shí)，泵的進(jìn)口壓力基本恒定，所以其輸送速度取決于泵在該揚(yáng)程下對(duì)應(yīng)的流量。車載杜瓦瓶通常的最大額定壓力為1.6MPa，但對(duì)于多數(shù)車載瓶一般使用壓力≤1.4 MPa,現(xiàn)暫以1.4 MPa出口壓力分別對(duì)常壓儲(chǔ)槽(20 kPa)、LNG槽車(0.8 MPa)和帶壓儲(chǔ)槽(1.2 MPa) 進(jìn)行揚(yáng)程選取說明：

(1)常壓儲(chǔ)槽潛液泵的進(jìn)口壓力幾乎可以忽略不計(jì)(一般均<0.05 MPa)，所以此時(shí)泵需增壓約1.4 MPa,泵的揚(yáng)程選取為330 m(以LNG密度為425 kg/m3計(jì)算，以下均同)。

(2)LNG槽車潛液泵進(jìn)口壓力一般處于0.1～0.8 MPa之間，屬于變壓力工況，泵需增壓1.3～0.6 MPa,泵的揚(yáng)程為305～142 m,所以采用變頻調(diào)速方式來調(diào)節(jié)泵的揚(yáng)程。選泵時(shí)需選擇壓力1.3 MPa, 泵的揚(yáng)程為305 m。如果加氣站每天的加注量大，可采用增壓器輔助增壓，保持槽車壓力處于較高水平(0.5 MPa以上，此時(shí)僅需增壓0.9 MPa,揚(yáng)程211 m)，這樣可適當(dāng)降低泵的揚(yáng)程要求。對(duì)于同一款潛液泵機(jī)組來說，可降低使用轉(zhuǎn)速，以提高泵的使用壽命及可靠性，降低泵的功率，減少電損失。

(3)帶壓儲(chǔ)槽潛液泵進(jìn)口壓力一般處于0.3～1.2 MPa之間，屬于變壓力工況，泵需增壓1～0.2 MPa,泵的揚(yáng)程為235～47 m, 所以采用變頻調(diào)速方式來調(diào)節(jié)泵的揚(yáng)程。選泵時(shí)需選擇壓力1.3 MPa,泵揚(yáng)程為235 m。如果加氣站每天的加注量大，可采用增壓器增壓方式，保持儲(chǔ)槽壓力處于較高水平(0.5 MPa以上，此時(shí)僅需增壓0.9 MPa,泵揚(yáng)程211 m)，這樣可適當(dāng)降低泵的揚(yáng)程要求。對(duì)于同一款潛液泵機(jī)組來說，可降低使用轉(zhuǎn)速，提高泵的使用壽命及可靠性，降低泵的功率，減少電損失。

3.1.4 汽蝕余量選取

該參數(shù)為泵進(jìn)口處對(duì)液體過飽和能力的要求，通常以液位高度計(jì)算,單位m，通常為1.3～1.5 m。每個(gè)轉(zhuǎn)速、流量點(diǎn)下的氣蝕性能是不一樣的。通常以額定點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記、考核。泵選取時(shí)，當(dāng)然該參數(shù)值越低越好，但是相應(yīng)的產(chǎn)品價(jià)格也不一樣，所以選取泵時(shí)，需結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場的安裝、保溫等工況，選取適合的機(jī)組。

3.1.5 電機(jī)功率選取

電機(jī)功率基本是恒定的，輸出功率主要取決于泵的輸出流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等水力效率，電機(jī)熱損失、機(jī)械損失等電機(jī)效率。潛液電機(jī)整體浸入泵池低溫液體中，沒有單獨(dú)的散熱系統(tǒng)，電機(jī)散熱全部被低溫液體吸收，使LNG液化天然氣汽化形成BOG。所以選取泵時(shí)，不僅需要看水力效率，更重要的是考核整機(jī)效率。

綜上所述，在選取LNG潛液泵時(shí)，需要確定以下主要參數(shù)：①儲(chǔ)槽/槽車使用壓力；②LNG杜瓦瓶的殘余壓力；③潛液泵至加液機(jī)之間的管道阻力；④儲(chǔ)槽/槽車液位高度及其至潛液泵之間管路的壓力損失。SLP-18/200潛液泵H-Q參數(shù)表見圖5。

圖5 SLP-18/200潛液泵機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)速曲線

3.2 L-CNG高壓泵選型

L-CNG高壓泵作為L-CNG加氣站的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于L-CNG天然氣加氣站對(duì)LNG液化天然氣增壓，再通過高壓汽化器后進(jìn)入儲(chǔ)氣瓶組或儲(chǔ)氣井，通過CNG加氣機(jī)向車載CNG高壓氣瓶充裝氣態(tài)天然氣。

3.2.1 流量選取

規(guī)劃加氣站建站時(shí)設(shè)計(jì)好加氣站的每天加氣量及每小時(shí)的最大加氣量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)m3/h、儲(chǔ)氣容積(高壓氣瓶組/儲(chǔ)氣井)，以便選取泵的流量。正常泵的流量按L/h(/1 000 L/h=1m3/h)計(jì)算,天然氣的氣液比≈600(1 m3LNG=600 m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)CNG)，確定泵流量時(shí)，泵流量L/h=小時(shí)最大加氣量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)m3/h×1.67。

3.2.2 出液壓力

泵的進(jìn)口承壓能力，根據(jù)儲(chǔ)罐或槽車壓力等級(jí)確定；

出口一般選取泵的最大出液壓力為25 MPa。

汽蝕余量選取。該參數(shù)為泵進(jìn)口處對(duì)液體過飽和能力的要求，通常以液位高度計(jì)算,單位m,通常為1.4～1.6 m左右。選取泵時(shí)，當(dāng)然該參數(shù)值越低越好，但是相應(yīng)的產(chǎn)品價(jià)格也不一樣，所以選取泵時(shí)，需結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場的安裝、保溫等工況，選取適合的機(jī)組。

綜上所述，選取L-CNG高壓泵時(shí)，需要確定以下主要參數(shù)：①泵的流量L/h或m3/h；②儲(chǔ)槽/槽車使用壓力；③泵的最大出口壓力；④汽蝕全量(以儲(chǔ)槽/槽車液位高度計(jì)量)及其至潛液泵之間管路的壓力損失。

4 結(jié)語

筆者所在企業(yè)從2013年使用國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵至今，目前安裝于加氣站運(yùn)營的LNG潛液泵已連續(xù)安全運(yùn)營4年多，累計(jì)工作達(dá)7 000多h尚未開蓋更換配件，L-CNG高壓柱塞泵已連續(xù)運(yùn)營4年，累計(jì)工作達(dá)6 800多h未更換配件(每運(yùn)行約3 000 h換密封組件，每年更換潤滑油二次)。在加氣站運(yùn)營180余臺(tái)潛液泵、近2 000臺(tái)L-CNG高壓柱塞泵運(yùn)營良好，經(jīng)多年的實(shí)踐驗(yàn)證，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)LNG潛油泵、L-CNG高壓柱塞泵運(yùn)行安全可靠、性價(jià)比高、噪音低、適應(yīng)性廣，完全可以取替同類進(jìn)口產(chǎn)品。