白宇恒 鄧東風 張啟超 馬少峰 劉主宸

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國石油工程建設有限公司, 北京 100120;3. 中國石油西南油氣田公司輸氣管理處, 重慶 102649;4. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院, 北京 100083

0 前言

LNG離心泵是LNG行業(yè)應用十分廣泛的設備,根據(jù)其安裝位置的不同分為潛液式離心泵和外置式離心泵。潛液式離心泵無需預冷,運行穩(wěn)定但造價較高[1];外置式離心泵安裝于LNG儲罐外,啟動前需要預冷,安裝方便,造價較低,在小型儲罐、加注站等工程中應用較多,但需注意其工藝流程設計、設備管道布置和工藝計算,否則設備運行穩(wěn)定性較差。

離心泵運行過程中最普遍的問題是汽蝕,其中關于非飽和流體離心泵汽蝕問題的研究較多,總體上可分以下幾類:分析離心泵初生汽蝕和臨界汽蝕的狀態(tài),提出不同情況下離心泵汽蝕的判斷方法并與試驗結果進行印證[2-4];利用理論分析、數(shù)值模擬、試驗等方法優(yōu)化離心泵內部結構,降低離心泵的必需汽蝕余量[5-8];研究離心泵的汽蝕機理及其危害,研究汽蝕余量的計算方法,研究有效汽蝕余量和必需汽蝕余量的相互關系,從提高有效汽蝕余量的角度給出建議措施[9-14];研究工作介質溫度對泵汽蝕余量的影響[15]。

目前對于低溫飽和流體離心泵汽蝕的研究較少:李清河[16]對低溫屏蔽泵運行故障進行了分析,通過核算表明有效汽蝕余量不足,但是忽略了介質溫升對汽蝕余量造成的影響;王文廷等人[17]介紹了低溫屏蔽泵在輸送LNG時,汽蝕是泵穩(wěn)定運行的關鍵之一,并提出屏蔽泵進口加置誘導輪是提高屏蔽泵抗汽蝕性能的主要方法之一;張震[18]和張鵬超[19]對深冷低溫液體泵的設計、安裝、調試過程及注意事項進行了介紹,其中部分問題是針對離心泵汽蝕的,但未深入分析其原理;唐飛等人[20]用數(shù)值模擬的方法研究了火箭推進系統(tǒng)中燃料輸送泵誘導輪的汽蝕過程,從熱力學角度研究了液體溫度對汽蝕的影響,結果表明液體溫度不會影響旋轉汽蝕的氣穴在葉片間的遷移頻率;姜磊[21]對LNG低溫離心泵汽蝕原因進行了分析,注意到介質溫度變化對汽蝕余量的影響,但未給出計算方法,僅對溫升影響進行了推測。

某LNG工廠自2018年投運以來,常出現(xiàn)LNG離心泵預冷啟動困難、運行異常的故障,導致LNG裝車外運作業(yè)無法順利進行,嚴重時儲罐內LNG無法輸出,影響生產。為此,通過現(xiàn)場觀察、數(shù)據(jù)采集、理論分析,尋找出故障原因,制定整改方案并實施,徹底消除LNG離心泵運行故障。

1 LNG離心泵現(xiàn)狀

1.1 設計參數(shù)

某LNG工廠建設有1座10 000 m3單包容LNG儲罐,配置3臺LNG離心泵,設備參數(shù)見表1。該LNG儲罐出液管位于側壁,LNG離心泵位于儲罐防火堤內,工藝流程見圖1,設備現(xiàn)場安裝見圖2。

表1 LNG離心泵主要參數(shù)表

圖1 LNG離心泵工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of LNG centrifugal pump

圖2 現(xiàn)場安裝照片(左為A泵,中為B泵,右為C泵)Fig.2 Field installation photo(A pump on the left,B pump in the middle, C pump on the right)

1.2 存在的運行故障

1.2.1 預冷困難

根據(jù)LNG離心泵操作手冊要求,LNG離心泵預冷時溫降速度≤30 ℃/min,預冷時間不低于30 min。實際操作時,以LNG離心泵A為例(圖1),NB1、SDV1投入聯(lián)鎖后處于全開狀態(tài),打開閥V1、V2,導通泵入口管路。開啟泵前管路預冷閥V4、V5約10 min后,關閉閥V5,開啟泵預冷閥V3,溫度計TE1溫降緩慢,約2 ℃/min,預冷時間長達2 h。

1.2.2 啟動困難

根據(jù)設計文件,LNG離心泵啟動液位為1.2 m,實際運行時,LNG離心泵啟動液位需達到7 m以上,即使在此情況下,亦需經過預冷—啟動—預冷反復多次操作后方可成功啟動。LNG離心泵成功啟動后可連續(xù)運行直到罐內液位約1 m時主動停車。

1)將LNG離心泵后管道就地排氣閥與預冷BOG回氣主管相連,使預冷流程避開LNG離心泵出口止回閥,降低LNG離心泵預冷流程管道阻力降。

LNG離心泵啟動后,輸出流量約40 m3/h,電機電流27.6 A,出口壓力0.37 MPa,頻率70 Hz。泵運行流量、壓力小于額定值。

2 故障原因分析

2.1 汽蝕余量核算

為了分析現(xiàn)場存在的問題,以最遠端LNG離心泵A為例進行汽蝕余量的計算,以核算是否存在設備選型及管道布置方面的問題。LNG離心泵啟動時,罐內壓力控制在109 kPa,當?shù)卮髿鈮?9 kPa,啟泵設計液位為1.2 m,則出液管道入口壓力為114.4 kPa，其他核算輸入條件見表2。

老牛叔，你去上班，我?guī)湍愕葰W陽橘紅，我保證不離開這里一步。何青山說。何青山住在竹溪街三十九號，何牦和何青山的父親小學時是同學。何青山也在印刷廠上班。

LNG離心泵發(fā)生汽蝕時,除了對泵體造成機械損壞外,泵流量也會劇烈下降,電機電流亦會隨之降低,甚至出現(xiàn)空載的現(xiàn)象,與1.2.3節(jié)的描述相吻合。

表2 汽蝕余量核算輸入條件表

LNG離心泵是否會發(fā)生汽蝕的判別見式(1),通常認為系統(tǒng)有效汽蝕余量比LNG離心泵必需汽蝕余量大0.6 m以上,可避免LNG離心泵入口發(fā)生汽蝕。

該廠LNG離心泵利用LNG離心泵入口管道將LNG引至泵前,在泵出口止回閥后設置預冷線,現(xiàn)場操作預冷緩慢,是因為預冷管道阻力大,LNG流動緩慢。查閱設計資料,泵后止回閥為軸流式止回閥,打開壓力為10 kPa,相當于2.3 m LNG液柱。該廠設計啟泵液位為1.2 m,則泵入口處液柱高度為3.96 m,減去止回閥打開壓力后只有1.66 m壓差,LNG流動驅動力小,導致泵預冷緩慢。

(1)

式中:Na為系統(tǒng)有效汽蝕余量,m;Nr為LNG離心泵必需汽蝕余量,m;p0為管路入口處液體壓力,Pa;pb為泵入口處液體的飽和蒸氣壓,Pa;ρ為液體密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2,取值9.807;Hg為管路入口斷面/中心線至泵葉輪入口的高度,m;?H為管路入口斷面/中心線至泵葉輪入口的管路系統(tǒng)流動損失折合量,m。

汽蝕發(fā)生的本質是LNG離心泵葉輪進口處介質壓力小于其入口處溫度對應的飽和蒸氣壓導致的。對常溫液體,在儲罐中,氣相與液相達到氣液平衡,儲罐中的氣相壓力即為液體的飽和蒸氣壓,通過泵入口管路,液體溫度不會發(fā)生變化,則飽和蒸氣壓亦不發(fā)生變化,即通常認為p0=pb。但是對于低溫介質,尤其是LNG溫度較低,在管道內流動吸收熱量,溫度升高,汽蝕余量的計算，需考慮水力學計算和傳熱計算兩方面因素。

進泵物流M6操作溫度對應的飽和蒸氣壓為109.5 kPa,泵入口操作壓力為117.93 kPa,則LNG離心泵入口汽蝕余量為8.43 kPa,折算高度為1.88 m,雖然大于LNG離心泵必需汽蝕余量1.71 m,但是按照習慣設計做法,通常LNG離心泵入口至少應預留0.6 m裕量。

2)將圖1中出液主管根部閥與閥SDV1間的膨脹安全閥用管道代替,原膨脹安全閥前后閥門調整至50%開度后鎖開,既可避免V1、SDV1關斷后出液主管超壓的風險,又可起到排氣的作用。

圖3 管道阻力降及熱損失計算模型圖Fig.3 Calculation model of pipe resistance drop and heat loss

表3 管道阻力降及熱損失計算結果表

根據(jù)表3,LNG在管道內流動,管道外采取了保冷措施,但是仍然有熱量傳入,使LNG溫度升高。尤其是管道與儲罐連接段,為避免管道及儲罐因溫度變化產生的應力造成罐壁變形,該連接段采用波紋管,且外罐壁無法承受低溫,若對波紋管進行保冷,會造成波紋管周圍罐壁處于低溫環(huán)境,故波紋管管段是冷量損失最大的點。

CMV感染是艾滋病患者最常見的皰疹病毒感染，可分為CMV血癥和器官受累的CMV病。CMV可侵犯患者多個器官系統(tǒng)，包括眼睛、肺、消化系統(tǒng)、中樞神經系統(tǒng)等，其中CMV視網(wǎng)膜脈絡膜炎是艾滋病患者最常見的CMV感染。

2.2 預冷流程阻力大

開業(yè)第一件事，我們就給公司樹立了一個貌似很有檔次的定位——做一家有溫度、有情懷、有歸屬感、有幸福感的新型創(chuàng)業(yè)公司。

2.3 泵前管路存在氣阻

根據(jù)工藝流程,LNG儲罐內出液主管為Φ219.1×6.35,儲罐外出液主管為Φ273.0×6.35,中間采用同心異徑接頭連接,必然導致出液主管上部無法存滿液體。

另觀察現(xiàn)場LNG離心泵前支管有10 m的水平管道,管道上有兩個支架,直接固定于地面上,無獨立基礎,離心泵固定于獨立基礎上。由于地面沉降,導致泵前管道形成了“?”字型,氣體在管道高點集聚,形成了氣阻,見圖4。

圖4 泵前管道現(xiàn)狀照片F(xiàn)ig.4 Current status of the pipeline before the pump

2.4 泵存在汽蝕情況

基于匹配追蹤法的信號分解方法中，匹配追蹤(matching pursuit)屬于貪婪算法，并不是最優(yōu)化算法[13,14]，它不像凸優(yōu)化算法那樣有一個目標函數(shù)并使之最小，而是通過一次次的迭代找到待重建k稀疏信號x的非零元素的位置及幅度，從而實現(xiàn)對x的恢復[15]。其具體分解過程如下：

通過分析,LNG離心泵發(fā)生汽蝕的主要原因是泵前管道存在氣阻,導致LNG無法快速流到泵入口,泵入口壓力降低至LNG飽和蒸氣壓以下,形成了汽蝕。

（2）考核內容。一是服務量考核。主要分為考核門診診療人次、收治病人人數(shù)，出院人次、手術臺次、床位使用率，醫(yī)技科室按照計件服務數(shù)量考核。二是服務效率考核。主要考核藥占比、次均費用、次均藥費、醫(yī)保按類別（省、市醫(yī)保、城鎮(zhèn)居民、異地醫(yī)保、新農合）總費用控比、醫(yī)保拒付比率。三是服務質量考核。包括醫(yī)療文書合格率，病案甲級率、科主任查房率、臨床路徑使用率、病種收費率，醫(yī)療安全事故率，感染發(fā)生率，基礎護理合格率。四是服務行為考核。醫(yī)院規(guī)章制度的遵守、藥比、醫(yī)療核心制度執(zhí)行、醫(yī)療收費與藥品價格物價政策的執(zhí)行、廉潔行醫(yī)和病人滿意度。

3 整改方案

針對現(xiàn)場存在的問題及其原因分析結果,在確保安全運行的前提下遵循動火少、用料少、方便實施的原則制定了整改方案。

3.1 完善流程

通過優(yōu)化工藝流程,解決LNG離心泵預冷時間長及出液主管存在氣阻的問題,主要整改點有如下幾點。

1～9月，石油和化工行業(yè)增加值增長4.9%；主營業(yè)務收入9.59萬億元，增長14.8%，利潤總額7121.0億元，增幅45.2%；全國油氣總產量2.46億噸（油當量），增長1.4%；主要化學品總產量增長約2.2%。

1.2.3 無法達到額定運行工況

本文采用HYSYS工藝系統(tǒng)模擬軟件對LNG離心泵前管道的阻力降及熱損失進行計算,輸入條件見表2,計算模型見圖3,計算結果見表3。

機械制造過程的自動化一直是每個機械制造從業(yè)者追求的目標，現(xiàn)代機械制造工藝已經實現(xiàn)了部分的自動化，但是相信經過我們不斷地創(chuàng)新與實踐可以實現(xiàn)機械制造過程更加全面的自動化。

3)根據(jù)2.1節(jié)計算結果,原設計LNG離心泵啟泵液位為1.2 m,汽蝕余量不足,泵入口至少應預留0.6 m裕量,故將LNG離心泵啟泵液位調整至1.63 m。

優(yōu)化后LNG離心泵工藝流程見圖5。

圖5 優(yōu)化后LNG離心泵工藝流程圖Fig.5 Process flowchart of LNG centrifugal pump after optimization

3.2 調整管道布置

原LNG離心泵前管道支架固定于地面,地面沉降后導致管道標高降低,針對該問題,為管道支架制作獨立基礎,將管道調整至水平,可適當高于離心泵入口,使LNG離心泵前管道形成一定的坡度,坡向泵吸入口。

4 整改結果

1)通過上述整改,LNG離心泵預冷時間大大縮短,按照設備操作手冊控制TE溫降速率為6 ℃/min,預冷時間為30 min。

式中x=(x1,x2,…xI)T∈RI是一個I維的變量，由表征優(yōu)化對象的參數(shù)所構成。j=1,2…J是優(yōu)化對象所能取值的區(qū)間，fj(x)是關于x的函數(shù)，表示在優(yōu)化對象在j點取值時計算性能與設計指標的差異，其具體的表達式如下式所示：

2)LNG離心泵在1.63 m液位以上可順利啟動,以LNG離心泵A為例,該管路FT流量顯示為32 984 kg/h,折算為體積流量約78 m3/h,轉速為3 159 r/min,電機電流為39.1 A,頻率為51.8 Hz,基本上接近設計能力,滿足現(xiàn)場運行需求。

5 結論

通過對某LNG工廠LNG離心泵運行過程中存在故障的理論分析,提出了整改措施,整改后設備運行狀況得到明顯改善。

高血壓較易發(fā)生的合并癥為左心室肥厚伴左心衰竭，誘因與心臟左心房變大和心臟血流動力學改變存在相關性，與此同時，增加循環(huán)阻力后會致使左心室形成代償性向心性肥厚，從而提升左心衰竭發(fā)生率。據(jù)有關統(tǒng)計表明，在高血壓疾病中左心室肥厚伴左心衰竭的比例可達0.4%，同時該疾病的病情相對危重，若不能實施治療會對其生命安全構成危及[4]。由此可見，盡早診斷和盡早治療對生存質量的提升具有重要意義。

1)LNG離心泵預冷流程設計時,應盡量減小預冷系統(tǒng)的管道阻力降,泵預冷管路系統(tǒng)入口為LNG儲罐,排氣端亦接入LNG儲罐,僅靠LNG液柱高度產生的壓力差驅動,驅動力小,太大的管道阻力降將使LNG流動緩慢。

2)在計算LNG離心泵汽蝕余量時,應考慮管路系統(tǒng)吸收熱量后,泵入口處LNG的飽和蒸氣壓高于儲罐內LNG飽和蒸氣壓,如果簡單地認為兩者相同,有可能導致有效汽蝕余量考慮不足。

DC/AC控制器結構如圖6所示，核心器件為TMS320F240，主要由電壓和電流檢測電路等組成，電壓和電流檢測電路主要通過比較器電路，將正弦波信號轉換成TMS320F240可以識別的TTL電平信號，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓信號同相.電流測量主要是使用CSM300LT電流傳感器，使其在電隔離情況下測量電流，將電流信號轉換成電壓信號，經信號調理電路處理后送入到TMS320F240芯片.

3)LNG離心泵配管時應注意泵前管道不能形成“氣袋”,若無法避免時,必須設置排氣措施,確保泵前管道可充滿液體。