液化天然氣高壓泵泵井液位波動(dòng)的原因分析及措施

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 李世斌

液化天然氣高壓泵泵井液位波動(dòng)的原因分析及措施

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 李世斌

通過(guò)對(duì)上海液化天然氣接收站高壓泵泵井液位大幅波動(dòng)的原因進(jìn)行分析，指出泵井內(nèi)介質(zhì)LNG物性發(fā)生變化是高壓泵泵井液位大幅波動(dòng)的重要原因之一，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)和防范措施。

LNG 接收站 高壓泵 液位波動(dòng)

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)對(duì)優(yōu)質(zhì)能源的需求，最近幾年，我國(guó)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(jìn)潔凈、環(huán)保的綠色能源——液化天然氣(簡(jiǎn)稱(chēng)LNG)。在已經(jīng)投入運(yùn)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(shí)會(huì)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成高壓泵停機(jī)，外輸中斷，對(duì)生產(chǎn)和設(shè)備安全都造成嚴(yán)重的威脅。本文通過(guò)一些相關(guān)現(xiàn)象的分析，總結(jié)可能造成高壓泵泵井液位波動(dòng)的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 工藝簡(jiǎn)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(chǔ)存在LNG儲(chǔ)罐，由于外部熱量的滲入會(huì)產(chǎn)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(guò)BOG壓縮機(jī)加壓到0.8 MPa以上，再進(jìn)入再冷凝器被LNG吸收變成液體。

儲(chǔ)罐里的LNG通過(guò)罐內(nèi)泵增壓到1.0~1.4 MPa，分兩路輸送到再冷凝器。一路進(jìn)入再冷凝器頂部吸收經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)加壓的BOG，吸收BOG后的LNG從再冷凝器底部出來(lái)和另外一路LNG匯合進(jìn)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(guò)外輸管道送到各門(mén)站和終端用戶(hù)。

2 現(xiàn)象及原因分析

2.1 現(xiàn)象

在正常生產(chǎn)的過(guò)程中，LNG經(jīng)罐內(nèi)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(yùn)行的高壓泵泵井的液位會(huì)瞬間下降(備用的高壓泵泵井液位也會(huì)有相同的現(xiàn)象)，大幅波動(dòng)，觸發(fā)高壓泵聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能，從而引起整個(gè)接收站生產(chǎn)的大幅波動(dòng)、甚至停產(chǎn)。有些接收站頻繁發(fā)生這種現(xiàn)象，上海LNG接收站從投運(yùn)到2012年，也發(fā)生過(guò)2次這種現(xiàn)象。

2.2 原因初步分析

一般來(lái)講，如果儀表正常，高壓泵井液位波動(dòng)反映的是高壓泵的輸送介質(zhì)供應(yīng)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(chǎn)的波動(dòng)，物料供應(yīng)不平衡。

(2)進(jìn)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(chǎn)生汽蝕，或者介質(zhì)直接發(fā)生相態(tài)變化，引起壓力和液位波動(dòng)。

如果是第一種原因，一般伴有低壓泵突然停運(yùn)、再冷凝器液位波動(dòng)等現(xiàn)象，或者高壓泵下游的流量或壓力大幅波動(dòng)等。經(jīng)對(duì)上海LNG接收站發(fā)生高壓泵泵井液位波動(dòng)時(shí)的操作參數(shù)進(jìn)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(guò)。

如果是第二種原因，由于操作中沒(méi)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(duì)第一種原因它更隱蔽，發(fā)生事故時(shí)也更突然，產(chǎn)生的影響也更大。

2.3 高壓泵介質(zhì)臨界汽蝕壓力和溫度的計(jì)算

高壓泵介質(zhì)的臨界汽蝕壓力和溫度，就是泵開(kāi)始汽蝕時(shí)介質(zhì)所對(duì)應(yīng)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(guān)系。

圖2 NPSHa和NPSHr的關(guān)系

從圖2可知：

NPSHa＝NPSHr 泵開(kāi)始汽蝕(臨界汽蝕)

NPSHa＜NPSHr 泵嚴(yán)重汽蝕

NPSHa＞NPSHr 泵無(wú)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(jìn)口動(dòng)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(jìn)口斷面至基淮面上的絕對(duì)壓力，kPa；

vs——泵進(jìn)口斷面至基淮面上的平均流速，m/s；

pv——泵內(nèi)液體工作溫度下的飽和蒸汽壓，kPa；

ρ——介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)口的參數(shù)有關(guān)，而與泵本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)無(wú)直接關(guān)系。一旦泵的吸入裝置條件確定，即裝置吸入液面絕對(duì)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(gè)定值，并可通過(guò)式(2)計(jì)算：

式中：pA——裝置吸入液面絕對(duì)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)參數(shù)

(2)式中第1個(gè)等號(hào)后第一項(xiàng)表示吸入液面上的壓力能頭，第2項(xiàng)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(xiàng)忽略不計(jì)，第3項(xiàng)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(xiàng)為吸入管路的摩阻損失，第5項(xiàng)為工作溫度下液體的蒸汽壓能頭。

當(dāng)NPSHa=NPSHr時(shí)，代入上海LNG接收站相關(guān)實(shí)際參數(shù)(此計(jì)算假設(shè)LNG是單一純凈的理想液體)，計(jì)算得：pv=0.8646 MPa(絕對(duì)壓力)，即表壓0.7636 MPa，該壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度約-130 ℃。

從2.3的計(jì)算可以看出，高壓泵入口在壓力0.82 MPa下，吸入介質(zhì)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(huì)發(fā)生汽蝕；如果用溫度來(lái)比較更直觀，就是高壓泵在入口壓力0.82 MPa下，介質(zhì)溫度必須低于-130 ℃，高壓泵入口才不會(huì)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(shí)際操作參數(shù)樣本見(jiàn)表2。

表2 2011年再冷凝器和高壓泵的實(shí)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(dāng)外輸量比較低時(shí)，BOG壓縮機(jī)負(fù)荷在75%，高壓泵入口壓力0.79 MPa，操作溫度則達(dá)到-129 ℃，通過(guò)2.3的計(jì)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(shuō)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(yuǎn)離泵汽蝕區(qū)。

這說(shuō)明在處理同樣量的BOG氣體時(shí)，因?yàn)橥廨斄啃?，造成高壓泵入口介質(zhì)的溫度上升，物性發(fā)生變化，有效汽蝕余量下降，達(dá)到一定程度就可能發(fā)生汽蝕。

在實(shí)際操作中有三種情況會(huì)造成高壓泵井內(nèi)LNG物性變化：

(1)再冷凝器BOG處理量相對(duì)外輸量較大。再冷凝器有一個(gè)重要作用是將接收站儲(chǔ)存過(guò)程中因熱滲漏產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(BOG)進(jìn)行回收再冷凝。BOG氣體經(jīng)收集總管后進(jìn)入壓縮機(jī)增壓到0.8 MPa以上，溫度在20~140 ℃，然后進(jìn)入再冷凝器被過(guò)冷的LNG混合吸收變成液體。如果BOG量過(guò)大，而外輸LNG量過(guò)小，沒(méi)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(guò)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(shè)備和管線可能存在較多的熱滲漏或熱累積。在工藝設(shè)計(jì)中一般會(huì)考慮利用冷循環(huán)或重力自循環(huán)將管道或設(shè)備內(nèi)熱量帶走，保持管道和管道內(nèi)的介質(zhì)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(jìn)來(lái)的熱量，就會(huì)造成設(shè)備和管道局部熱量累積，此處的介質(zhì)就會(huì)變的過(guò)熱，這些熱的介質(zhì)達(dá)到一定程度會(huì)突然發(fā)生相變，并造成壓力和液位的波動(dòng)。如果這臺(tái)高壓泵正在運(yùn)行，過(guò)熱介質(zhì)流經(jīng)泵時(shí)會(huì)引起汽蝕(特別是在高壓泵啟動(dòng)時(shí)尤為明顯)。

(3)BOG氣體中含有大量的氮?dú)?。由于氮?dú)庀鄬?duì)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?dú)?，這些氮?dú)饪赡鼙粩y帶進(jìn)入高壓泵入口管線并降低有效汽蝕余量。

3 措施

3.1 測(cè)量?jī)x表的安裝

低溫介質(zhì)液位測(cè)量計(jì)的引壓管安裝需要加長(zhǎng)并呈倒U形，以利于低溫液體進(jìn)入引壓管線后充分氣化，所測(cè)位置的壓力更真實(shí)。

3.2 高壓泵上、下游壓力和流量應(yīng)保持相對(duì)平穩(wěn)

高壓泵上游盡量防止低壓泵和再冷凝器的供應(yīng)突然中斷，下游汽化器流量或外輸量調(diào)整幅度不能過(guò)大，同時(shí)要防止下游自動(dòng)調(diào)節(jié)閥大幅波動(dòng)等。

3.3 再冷凝器和外輸量的調(diào)整

再冷凝器是處理BOG的設(shè)備，調(diào)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(shí)保持一個(gè)最小的外輸量使之能處理全部的BOG量，保證進(jìn)入高壓泵井的LNG有足夠的裝置汽蝕余量非常重要。

在實(shí)際操作中，可以監(jiān)測(cè)介質(zhì)實(shí)際壓力和在實(shí)測(cè)溫度下的飽和壓力之差來(lái)判斷介質(zhì)是否在汽蝕臨界區(qū)(這需要引入一定的計(jì)算)，有些接收站為操作安全起見(jiàn)，防止高壓泵入口發(fā)生汽蝕，要求高壓泵入口實(shí)際壓力p實(shí)-pv＞100 kPa；在壓力穩(wěn)定的情況下也可以通過(guò)比較高壓泵入口溫度和pv所對(duì)應(yīng)的飽和溫度值進(jìn)行判斷。

3.4 出、入口管線防止過(guò)多的熱滲漏或熱積累

防止過(guò)多的熱滲漏或熱積累，主要是設(shè)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(chǎng)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?dú)膺M(jìn)入BOG總管

防止大量的氮?dú)膺M(jìn)入BOG總管主要是設(shè)備檢修或吹掃時(shí)不要連續(xù)使用大量氮?dú)庀蚺欧殴艿来祾?，這些氣體最終會(huì)進(jìn)入BOG總管。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，造成液化天然氣接收站高壓泵泵井液位波動(dòng)的因素很多，但主要原因有兩點(diǎn)：一是因高壓泵前后物料供應(yīng)失衡，導(dǎo)致液面波動(dòng)；二是進(jìn)入高壓泵井的LNG物性發(fā)生變化(例如介質(zhì)溫度升高或過(guò)熱，混入氮?dú)獾?，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(dòng)等。后一點(diǎn)隱蔽性較強(qiáng)，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(yīng)保持好外輸量與BOG處理量的匹配，設(shè)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?dú)獾龋诒O(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(lái)，在吸收其它接收站經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)再冷凝器和高壓泵的操作上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，取得了明顯的效果，2012年以后沒(méi)有再發(fā)生運(yùn)行中的高壓泵泵井液位突然波動(dòng)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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