LNG增壓輸送模塊性能試驗及其研究

洪德新

（中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129）

0 引言

環(huán)境保護的需要和日益嚴格的排放法規(guī)，要求更為環(huán)保的發(fā)動機和更加清潔的能源，由此帶動了新能源發(fā)動機的快速發(fā)展。其中，以清潔能源利用（主要為相對穩(wěn)定可靠的天然氣）為主的是各類氣體發(fā)動機，以降低石油產(chǎn)品依賴為主的是以天然氣和柴油為燃料能源的雙燃料發(fā)動機，都是現(xiàn)今的環(huán)保型發(fā)動機，下文簡稱“發(fā)動機”。

以天然氣為燃料時，液化存儲的液化天然氣（LNG），須經(jīng)增壓輸送模塊增壓并經(jīng)氣化器模塊氣化后供給發(fā)動機以作燃料。這些存儲、輸送、增壓、氣化、安全、控制等模塊，構(gòu)成了發(fā)動機的LNG供氣系統(tǒng)。

LNG增壓輸送模塊主要作用是將LNG儲罐輸出的 LNG液體增壓后輸送給氣化器模塊。設(shè)備的主要工作過程為：LNG從儲罐輸出，依靠液位差自然流進增壓模塊，經(jīng)增壓模塊增壓后以穩(wěn)定的壓力將LNG輸送到氣化器模塊，氣化后輸送給發(fā)動機。工作過程中，所輸送的 LNG流量需隨發(fā)動機負載功率的變化而要求實時相應(yīng)改變，以保證發(fā)動機的平穩(wěn)變換運行。顯然，LNG增壓輸送模塊是發(fā)動機供氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊之一，其運行安全、性能可靠是以天然氣為燃料的各種發(fā)動機其性能的重要保障。

對于LNG增壓輸送模塊，根據(jù)使用環(huán)境和維修保養(yǎng)的需要，還要求設(shè)備的整體成組、結(jié)構(gòu)緊湊、搬運方便。

LNG增壓輸送模塊主要由潛液泵、泵池、閥件、管件和計量儀表等部件組成，構(gòu)成進液回路、回氣回路、供液回路、調(diào)節(jié)回路、安全回路和清洗回路等主要系統(tǒng)，并輔以配對管路和電氣控制及連接線路。中國船舶電站設(shè)備有限公司研制的典型 LNG增壓輸送模塊見圖1和圖2。

圖1 LNG增壓輸送模塊三維圖

圖2 LNG增壓輸送模塊實樣

1 LNG 增壓輸送模塊性能試驗方案

正由于增壓模塊在發(fā)動機供氣系統(tǒng)中的重要作用，其安全、平穩(wěn)及可靠工作，是發(fā)動機運行性能的重要保障。所研制的增壓模塊產(chǎn)品必須通過試驗以驗證其設(shè)計性能，最終完成產(chǎn)品的研制定型。

由于增壓輸送模塊的工作介質(zhì)是超低溫的LNG（-196℃），這一增壓模塊性能試驗的目的是在超低溫環(huán)境下，通過模塊在低溫介質(zhì)環(huán)境下的性能測試以驗證模塊核心部件之低溫潛液泵的壓力提升能力、隨超低溫介質(zhì)流量變化的壓力穩(wěn)定能力以及整個模塊的安全性能。

而LNG極具危險性：易燃、易爆、易滲漏。對于研制產(chǎn)品的各項試驗，必須造就相對安全的相同或類似超低溫環(huán)境：一是保證性能試驗的安全，二是實測工作狀態(tài)下的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)。

LNG增壓輸送模塊試驗分為密性試驗和性能試驗2部分。密性試驗主要檢測整個輸送模塊部件和管路閥件的氣密性能，確保系統(tǒng)工作的安全可靠；性能試驗主要檢測輸送模塊的壓力提升能力（要求達到2 MPa左右）、輸送流量的穩(wěn)定性能和流量變化后的穩(wěn)壓性能，以驗證模塊工作的穩(wěn)定可靠。

整個模塊試驗的主要關(guān)鍵點一是超低溫試驗，試驗介質(zhì)溫度為-196℃；二是模塊輸出流量的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

1.1 試驗原理

模塊的性能試驗就是測試潛液泵的性能，是通過在額定轉(zhuǎn)速（頻率）下的壓差和流量曲線進行評估的。為得到性能曲線數(shù)據(jù)需要檢測至少不同的 5個工作點，流量變化從最小到最大。測試數(shù)據(jù)得到的曲線和期望曲線進行比較從而得出整個增壓輸送模塊的性能是否滿足要求[1]。

壓頭和流量性能曲線應(yīng)該適用于最小5個測量點的三階多項式。

壓頭：ΔH用差壓和測試液體密度計算得到。

式中：ΔH為壓差，m；Δp為進口和出口的差壓，MPa；ρ為液體密度，kg/dm3；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

假如測試過程中使用的流體為液氮，密度為0.84 kg/dm（30.1 MPa），LNG的密度為0.43 kg/dm3，為得到相同的性能（壓頭和流量），使用液氮作為介質(zhì)的泵需要消耗兩倍的電機功率?？梢娛褂靡旱獪y試，電機不能達到LNG為介質(zhì)測試時的額定電流，泵不能在額定轉(zhuǎn)速下測試。因此泵將運行在低轉(zhuǎn)速工況下?？梢允褂谩瓣P(guān)聯(lián)規(guī)則”，按式(2)和式(3)來預(yù)測額定轉(zhuǎn)速的性能曲線[2-3]。

式中：Q為流量，l/min，直接從出口管路流量計測得。

1.2 試驗設(shè)備及系統(tǒng)組成

增壓輸送模塊的工作介質(zhì)是-196℃的LNG，而天然氣為易燃易爆氣體，對增壓輸送模塊進行性能試驗時嚴禁使用可燃的危險氣體作為試驗介質(zhì)，因此只能使用相對穩(wěn)定的惰性氣體，一般試驗介質(zhì)采用液氮。液氮用于測試流體是因為其能模擬任何低溫液體卻又沒有發(fā)生燃爆的危險。當然，液氮滲漏或?qū)е碌蜏貍Γ鋵倏煽仫L險，常規(guī)的防滲漏措施即可安全使用液氮。無論如何，試驗場地須經(jīng)安監(jiān)部門的認可。

試驗所需的設(shè)備和儀表有：液態(tài)介質(zhì)（液氮）儲罐、安裝在泵池內(nèi)的待試潛液泵、壓力表、溫度表、流量調(diào)節(jié)閥、變頻器及控制柜、流量計和顯示儀表等。

試驗的P&ID測試系統(tǒng)圖見圖3，該圖完整地表示了各設(shè)備、測量儀器儀表、管路和閥門的連接方式。

圖3 P&ID測試系統(tǒng)圖

連接法蘭之間均需安裝石墨金屬或四氟乙烯墊片，管接頭采用低溫四氟乙烯纏繞帶，保證系統(tǒng)的整體氣密性能。

1.3 試驗的方法和步驟

在 LNG增壓輸送模塊使用前，先以氮氣對管路和泵池進行吹掃，并進行密性試驗，確保整個模塊管路、閥門和連接處均無泄漏。

在正式試驗前潛液泵需要進行預(yù)冷，保證其部件和線圈溫度以及泵池內(nèi)溫度已達到規(guī)定要求。

預(yù)冷流程如下：

1）打開輸送模塊進液閥（LV151）和回氣閥（LV152至儲罐閥）。低壓流體開始自然循環(huán)。泵池開始充滿液體，氣體從回氣管路流回儲罐。

2）模塊上其它控制閥必須全關(guān)。

3）等安裝在回氣管路上的PT100溫度表檢測達到設(shè)定溫度（-130℃）。維持該溫度至少15 min。

性能試驗流程如下：

1）設(shè)置控制柜內(nèi)變頻器頻率值到選定值然后啟動潛液泵。

2）調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥到選定流量。

3）當流量穩(wěn)定后按顯示儀指示觀察流量值，并觀察進出口壓力表值和控制柜上電壓電流值。

4）在液氮性能測試數(shù)據(jù)表格中記錄數(shù)據(jù)。

操作流量調(diào)節(jié)閥改變工作點維持相同頻率（轉(zhuǎn)速）。

按上述的原理、系統(tǒng)和方法、步驟，最終確定整個試驗大綱與詳盡方案，全部試驗均須嚴格按其執(zhí)行。

2 LNG 增壓輸送模塊性能試驗

從試驗的經(jīng)濟性考慮，采用槽車作為試驗用LNG儲罐，進行LNG增壓輸送模塊的性能試驗，根據(jù)上述制定的試驗方法和步驟進行密性試驗、預(yù)冷和性能試驗，試驗中利用變頻器的恒壓控制性能來考核潛液泵的變流量穩(wěn)壓性能，即變頻器通過模塊出口壓力信號來實時自動調(diào)節(jié)潛液泵的轉(zhuǎn)速，以保證模塊輸出LNG的壓力穩(wěn)定。

密性試驗時關(guān)閉模塊所有管路閥門，將氮氣接入模塊N2輸入口，模塊上壓力表指示壓力達到模塊設(shè)計壓力值時，關(guān)閉N2輸入口閥門，在所有管接頭，閥門連接處涂肥皂水，觀測有無泄漏，靜置模塊24 h并觀測壓力表讀數(shù)變化。

預(yù)冷時關(guān)閉模塊出口閥門，回氣閥門略開，當回氣管路有液氮流出時，觀測模塊溫度表指示，保持泵池內(nèi)溫度低于-130℃大約15 min，確保潛液泵泵體和電機充分冷卻。

性能試驗時，泵啟動后逐漸打開出口流量調(diào)節(jié)閥（流量調(diào)節(jié)閥的開度曲線要平緩，以保證閥調(diào)節(jié)時流量變化的穩(wěn)定性），流量調(diào)節(jié)要緩慢平穩(wěn)，觀測模塊進出口壓力、流量值和電壓電流值。試驗時注意電機頻率，由于液氮和LNG相差約2倍，因此液氮試驗時電機工作頻率宜為額定頻率的一半。

2.1 試驗的注意事項

1）由于液氮是超低溫，所以試驗時候注意安全防護，防止凍傷。

2）LNG為可燃易爆氣體，試驗前輸送模塊必須進行密性試驗，密性試驗時試驗介質(zhì)采用氮氣來檢測整個模塊的氣密性。

3）LNG增壓輸送模塊的試驗液氮用量一般不大，因此使用儲罐供氣的經(jīng)濟性較差，試驗時可以采取液氮槽車供氣的方式。但槽車只能單向出液或進液，因此模塊的回氣管路和供液管路無法連接回槽車，只能直接外排，見圖4和圖5。

4）當選用槽車，回氣和供液直接外排時（開式循環(huán)），需要注意安全防護。使用開式循環(huán)進行試驗時，只有當回氣口有液氮排出才能啟動泵。

5）由于變頻器啟動時電磁干擾嚴重，因此泵組和周邊測量儀器儀表需用屏蔽電纜和隔離模塊，防止信號傳輸故障。

6）使用LNG介質(zhì)時，模塊所有電纜都采用防爆套管和防爆接頭，并接好各設(shè)備接地線，防止爆炸事故。

7）流量調(diào)節(jié)閥的操作要緩慢，保證流量平穩(wěn)上升或下降。

8）試驗結(jié)束后，需要用氮氣對系統(tǒng)管路進行吹掃，將殘余液氮吹出，防止泵池內(nèi)水分凝結(jié)。

2.2 關(guān)鍵問題的解決

模塊試驗的關(guān)鍵過程一是超低溫試驗，二是保證模塊輸出流量的穩(wěn)定。

1）超低溫試驗

試驗用液氮為介質(zhì)模擬LNG的低溫狀態(tài)，模塊有低溫絕緣包覆，但試驗管路無防護，因此試驗操作時要注意人員防護。試驗采用槽車作為儲罐時，回氣管路和出液管路均處于空放狀態(tài)，此時要注意出口有液氮噴出。潛液泵啟動前必須先預(yù)冷，在回氣口有液氮溢出的情況下表明潛液泵已完全浸沒在泵池中，此時才能啟動泵。

2）穩(wěn)定的流量輸出

模塊性能試驗的主要目的是在調(diào)節(jié)流量的時候保證出口壓力的恒定，除了泵自身的性能外，管路流量的穩(wěn)定是一個關(guān)鍵。如果管路流量發(fā)生大幅波動，模塊出口的壓力將會隨之劇烈波動，從而影響試驗的進行。由于采用外部循環(huán)方式試驗，當潛液泵運行時，模塊進口的流量必須保證充足，避免泵瞬時吸空。此時需要采用減小回氣管路閥門開度，進液管路閥門開度最大，出液管路閥門關(guān)小的措施來避免泵吸空，達到輸出流量穩(wěn)定的目的。

圖4 LNG增壓輸送模塊現(xiàn)場試驗

圖5 LNG增壓輸送模塊現(xiàn)場應(yīng)用

2.3 試驗結(jié)果

嚴格按前述的各項試驗大綱、要求和步驟成功地對我司所研制的增壓輸送模塊進行了所設(shè)定的產(chǎn)品試驗，將作為試驗結(jié)果的差壓數(shù)據(jù)通過壓頭計算公式得到壓頭數(shù)值，其性能試驗數(shù)據(jù)見圖6。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以畫出流量-壓差曲線（圖 7）和流量-效率曲線（圖8）。

圖6 LNG增壓輸送模塊性能試驗數(shù)據(jù)

圖7 流量-壓差曲線

圖8 流量-效率曲線

其中虛線為期望值（理論值），表示模塊理論計算的壓差曲線和效率曲線；實線為實測值，表示根據(jù)試驗結(jié)果繪制的壓差曲線和效率曲線。

從流量-壓差曲線圖中可以看出，LNG增壓輸送模塊的壓差隨著流量的增加下降斜率較平緩，在整個測試流量范圍內(nèi)，壓力變化范圍小于 4%，實測壓力提升將近3 MPa，高于理論數(shù)值，超過了性能要求達到2 MPa的要求。另外，LNG增壓輸送模塊的工作要求就是在流量改變的情況下能夠保證穩(wěn)定的壓力輸出，測試結(jié)果表明模塊的壓頭變化在整個流量范圍內(nèi)均較平穩(wěn)，性能指標滿足設(shè)計要求，而且泵的效率曲線也能達到理論要求。

3 結(jié)論

根據(jù)LNG增壓輸送模塊的試驗方法進行的試驗及其最終所獲數(shù)據(jù)表明了中國船舶電站設(shè)備有限公司研制產(chǎn)品的這一試驗方法是可行的，能充分反應(yīng)模塊和泵在超低溫環(huán)境下的的性能參數(shù)，達到試驗的預(yù)期要求結(jié)果。試驗的方法簡便可靠，對場地和設(shè)備的要求相對較低，試驗的成本得到了可靠的控制，試驗效果也完全能滿足要求。

在清潔能源日益普及的今天，LNG的需求量越來越大，LNG增壓輸送模塊的用途從向發(fā)動機提供燃料同時向管道輸送、城市供氣等領(lǐng)域拓展。如何安全、經(jīng)濟并可靠地對模塊進行試驗測試，正是本文所述內(nèi)容。該性能試驗方法或可給模塊生產(chǎn)廠家提供新的試驗方法，它的經(jīng)濟性、靈活性和便捷程度應(yīng)能帶來巨大的實際效益和發(fā)展空間。