LNG接收站高壓泵加級(jí)研究

王衛(wèi)曉

北京燃?xì)饧瘓F(tuán)天津液化天然氣應(yīng)急儲(chǔ)備項(xiàng)目部，天津 300399

隨著我國(guó)天然氣消費(fèi)能力的逐年提升，天然氣需求量劇增，至今我國(guó)天然氣仍然存在著巨大缺口。LNG接收站作為管道氣的有利補(bǔ)充，在天然氣保供中發(fā)揮著重大作用。2018年以來，根據(jù)國(guó)家發(fā)改委加快天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求，LNG接收站建設(shè)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。高壓泵是LNG接收站中的重要設(shè)備，主要作用是將來自儲(chǔ)罐的低壓LNG加壓至外輸壓力，輸送到氣化器氣化后外輸，其運(yùn)行的可靠性對(duì)接收站的整個(gè)工藝流程至關(guān)重要。接收站外輸壓力受下游影響較大，通常在近期和遠(yuǎn)期有較大差異，為了滿足不同時(shí)期LNG接收站的外輸壓力需求，LNG高壓泵通常采用拆級(jí)設(shè)計(jì)的方式，近期低壓力運(yùn)行時(shí)，高壓泵采用較少的葉輪級(jí)數(shù)運(yùn)行，遠(yuǎn)期壓力升高時(shí)，通過在高壓泵內(nèi)部預(yù)留的位置增加葉輪，使高壓泵達(dá)到更高的外輸壓力，滿足下游用戶需求。采用高壓泵拆級(jí)設(shè)計(jì)，可以節(jié)約設(shè)備占地面積，還可以避免設(shè)備的重復(fù)投資，從而避免造成浪費(fèi)[1-3]。

1 高壓泵設(shè)備組成

以沿海北部某接收站為例，高壓泵為電動(dòng)多級(jí)離心泵，采用拆級(jí)設(shè)計(jì)，總共12級(jí)，12級(jí)泵總質(zhì)量為8.3 t，其中第3、5、11級(jí)為預(yù)留級(jí)，額定流量340 m3/h，額定功率836.4 kW，9級(jí)運(yùn)行時(shí)出口壓力5.5 MPa，至接收站外輸界區(qū)壓力4.9 MPa，12級(jí)運(yùn)行時(shí)出口壓力7.1 MPa，至接收站外輸界區(qū)壓力6.5 MPa。接收站初期高壓泵9級(jí)運(yùn)行，隨著下游市場(chǎng)的開發(fā)，根據(jù)下游市場(chǎng)需求，需要增加高壓泵剩余3級(jí)葉輪，將出口壓力提升至7.1 MPa，截至高壓泵加級(jí)前，高壓泵僅運(yùn)行300 h。

高壓泵本體主要包括：泵蓋、電動(dòng)機(jī)、泵軸、葉輪、外殼擴(kuò)散器、推力平衡機(jī)構(gòu)、誘導(dǎo)輪等，與高壓泵配套的設(shè)施還包括：泵筒、電氣接線箱、儀表接線箱、電氣貫穿接頭、儀表貫穿接頭以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見圖1。泵筒通常采取埋地或架空設(shè)置，外部采用PIR（聚異三聚氰酸酯）進(jìn)行保冷，厚度約203 mm，通過進(jìn)出口法蘭與外部管道連接。泵與電動(dòng)機(jī)整體安裝于泵筒內(nèi)，通過泵蓋上的螺栓與泵筒連接。電氣貫穿接頭和儀表貫穿接頭處使用氮?dú)膺M(jìn)行密封，防止泄漏的天然氣與電火花接觸引起爆炸[3-5]。

圖1 高壓泵本體

高壓泵與接收站工藝系統(tǒng)的管道接口主要有：LNG吸入口、排出口、放空口、LNG預(yù)冷口。電氣與儀表和接收站系統(tǒng)的接口分別位于電氣接線箱和儀表接線箱的上端子。公用工程和接收站系統(tǒng)的接口位于電氣貫穿接頭和儀表貫穿接頭的氮?dú)夤艿婪ㄌm處[6]。

2 高壓泵加級(jí)過程

高壓泵加級(jí)的整個(gè)過程包括以下幾個(gè)階段：高壓泵停泵，高壓泵泵筒吹掃，高壓泵泵蓋上部保冷材料拆除，拆卸管道連接及電氣儀表連接并提泵，將泵運(yùn)輸至車間，車間內(nèi)泵拆解、增加葉輪、泵組裝，將泵從車間運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)重新安裝，對(duì)回裝后的泵體蓋板法蘭連接、管道法蘭連接、儀表連接處進(jìn)行氦氣檢漏，更改接收站和管道相關(guān)報(bào)警參數(shù)，預(yù)冷、進(jìn)液[7-9]。

由于高壓泵的提泵與回裝是在接收站工藝區(qū)內(nèi)進(jìn)行，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，施工前必須做好JSA分析。為保證提泵與回裝泵過程的順利進(jìn)行，需提前準(zhǔn)備好相關(guān)設(shè)備與機(jī)具，并反復(fù)核查確保無遺漏，主要設(shè)備與機(jī)具見表1。

表1 主要施工設(shè)備與機(jī)具

2.1 提泵前的準(zhǔn)備工作

高壓泵停泵后，在變電所斷開高壓泵供電開關(guān)并上鎖，防止人員誤操作，關(guān)閉與高壓泵連接的所有工藝系統(tǒng)閥門（包括預(yù)冷管道、進(jìn)液管道和排出管道上的閥門），利用金屬軟管連接工藝區(qū)高壓泵旁的氮?dú)夤艿缹?duì)高壓泵泵筒進(jìn)行吹掃，將泵筒內(nèi)殘留的LNG吹掃到BOG放空管道中去，利用可燃?xì)怏w報(bào)警儀在BOG管道距離高壓泵附近的一個(gè)安全閥檢修閥門處監(jiān)測(cè)天然氣含量，當(dāng)檢測(cè)不到天然氣時(shí)，關(guān)閉高壓泵放空口BOG管道上的閥門。利用氮?dú)獬掷m(xù)吹掃，使高壓泵慢慢恢復(fù)至環(huán)境溫度。

在高壓泵開始拆除前搭設(shè)施工操作平臺(tái)，在保冷拆除、泵拆除與回裝時(shí)使用。待高壓泵恢復(fù)至環(huán)境溫度后，拆除高壓泵泵蓋及泵蓋管道上的保冷材料，其余部位保冷材料無需拆除，因?yàn)樘岜脙H需松開泵蓋與泵筒的連接螺栓即可將泵整體提出。保冷拆除后必須仔細(xì)清掃泵蓋上殘留的保冷材料碎末，防止提泵時(shí)落入泵筒內(nèi)，造成高壓泵運(yùn)行損壞。

保冷拆除后，在電氣貫穿接頭和儀表貫穿接頭處泵側(cè)一端，松開貫穿接頭法蘭上的連接螺栓，斷開高壓泵的電氣連接和儀表連接，之后拆除貫穿接頭上連接的氮?dú)獯祾吖艿馈Ｒ驗(yàn)殡姎庳灤┙宇^較重，拆除時(shí)需使用吊車吊住電氣貫穿接頭的吊耳，拆除完畢后，需將電氣貫穿接頭放置在操作平臺(tái)上，不能擱置在地面上，因?yàn)殡姎庳灤┙宇^連接的電纜具有一定的彎曲半徑，擱置在地面上容易造成電纜彎曲半徑過大，使其損壞。儀表貫穿接頭線纜直徑較小，彎曲半徑較大，因此可以完全放置在平臺(tái)或地面上。電氣與儀表貫穿接頭拆除后，必須用潔凈的塑料布包裹，防止塵土或濕氣進(jìn)入，同時(shí)泵側(cè)電氣與儀表線纜斷開的接頭需用絕緣塑料帶進(jìn)行纏繞，并用繩子綁在一起，將繩子另一端綁在接口法蘭上，防止接頭被破壞或線纜滑落到泵體內(nèi)。拆除泵蓋與各工藝管道連接管口的螺栓，使高壓泵與工藝系統(tǒng)隔離，拆除完使用預(yù)先準(zhǔn)備好的盲板封堵各工藝管道接口，防止天然氣泄漏。另外，高壓泵泵蓋上的所有接口用潔凈塑料布包裹[10-12]。

2.2 提泵

提泵前，需在高壓泵附近空地處搭設(shè)中間鏤空的腳手架平臺(tái)，高度需滿足拆除泵蓋的需要，四周的跳板需滿足同時(shí)站立兩人的要求，方便人員操作。確認(rèn)泵筒內(nèi)壓力與外界壓力一致且泵筒溫度已恢復(fù)至常溫，松開泵蓋與泵筒連接的螺栓。

選用泵蓋自帶的4個(gè)吊耳實(shí)施吊裝，選用1臺(tái)25 t汽車吊。吊裝時(shí)，2處吊耳系掛5 t手動(dòng)葫蘆，2處直接系掛吊裝帶，使用2個(gè)手動(dòng)葫蘆進(jìn)行初找平，吊起泵體約20 mm再進(jìn)一步找平，直至泵體完全垂直，目測(cè)檢查泵體與泵筒是否無接觸，慢慢將泵體吊出泵筒并移至地面，此過程中泵體不應(yīng)與泵筒發(fā)生磕碰，泵離開泵筒后，立即用塑料布蓋住泵筒，防止泵蓋放回前有異物進(jìn)入泵筒。將泵體放入已搭設(shè)好的腳手架內(nèi)（如圖2所示），固定牢靠，不摘除吊鉤，將泵蓋與泵體連接螺栓拆除，拆除泵體上固定的振動(dòng)探頭，將泵蓋與泵筒間的密封環(huán)取下，妥善保存，防止運(yùn)輸過程中丟失。將泵蓋與泵筒間的金屬纏繞墊慢慢取下，取下時(shí)需特別注意，防止碎片（因承受泵蓋的預(yù)緊力，金屬纏繞墊已被壓碎）掉入到泵筒中。將泵蓋放回泵筒上，穿入正式螺栓臨時(shí)緊固，并用塑料布做封口處理。

圖2 腳手架內(nèi)高壓泵

泵的相關(guān)部件拆卸完成后將泵吊裝到板車前，需要在平板車上準(zhǔn)備好木質(zhì)工裝。為方便泵的固定，木質(zhì)工裝根據(jù)泵型制作，防止運(yùn)輸過程中泵發(fā)生移動(dòng)造成損壞。使用廠家專用工具中的2個(gè)吊環(huán)，將其安裝在泵體頂部；另外自行準(zhǔn)備吊帶，將其綁在泵體中間重心部位。選用兩臺(tái)25 t吊車，一臺(tái)的吊鉤與頂部吊環(huán)連接，另一臺(tái)的吊鉤與中部吊帶連接，兩臺(tái)25 t吊車同時(shí)起吊，如圖3所示，泵體在空中慢慢調(diào)整至水平狀態(tài)，再平移至板車上的木質(zhì)工裝上。

圖3 高壓泵吊裝

泵放置時(shí)，要求泵殼體承重（如圖4所示），而不是泵的出液管承重，否則出液管會(huì)被壓壞。放置泵的木板上需墊上棉被，防止運(yùn)輸中磕碰。泵放置好后，四周用綁帶綁好出口和底部入口，要用塑料布封住，防止運(yùn)輸中進(jìn)入雜質(zhì)[13-14]。

圖4 高壓泵在板車上放置

2.3 車間加級(jí)

高壓泵拆解車間需要保持一定的封閉性，控制塵土和濕度，防止高壓泵內(nèi)部部件被污染。重新組裝前需準(zhǔn)備好高壓泵需要替換的備件，如表2所示。高壓泵加級(jí)需要將高壓泵拆解后，更換易損件、軸承和增加預(yù)留的三級(jí)葉輪后，再重新組裝。

表2 備件列表

高壓泵運(yùn)抵車間后，通過車間軌道吊車的兩個(gè)吊鉤分別吊住高壓泵前部?jī)蓚€(gè)和后部?jī)蓚€(gè)吊環(huán)，慢慢轉(zhuǎn)體，使高壓泵成豎直位置，出口處著地并固定，如圖5所示；其次，拆除高壓泵回流管、底部軸承保持架、底部軸承、底部泵殼體；然后，逐級(jí)拆卸擴(kuò)散器和葉輪直至推力平衡裝置，每級(jí)擴(kuò)散器和葉輪均用記號(hào)筆編號(hào)并依次排列，以便回裝時(shí)，均能回裝到原始位置；最后，在第3、5、11預(yù)留級(jí)加上葉輪并按順序放到指定位置。拆卸過程中，如果拆卸十分費(fèi)力，可采用均勻加熱泵擴(kuò)散器殼體的方式，但加熱溫度不能太高，一般控制在50℃左右。另外需注意，拆卸過程中不能使用螺絲刀等尖銳的物體撬動(dòng)法蘭面，避免將其損壞，可以使用橡膠或塑料材質(zhì)的錘子輔助拆卸。每級(jí)擴(kuò)散器吊起時(shí)，需注意不要破壞軸瓦和耐磨環(huán)。依次拆除泵的各級(jí)擴(kuò)散器和葉輪，直至TEM級(jí)葉輪。使用廠家特殊工具防松螺母板手裝置從TEM葉輪上拆除軸承防松螺母和軸承鎖緊墊圈，同時(shí)用軸夾持工具夾持固定軸，防止軸轉(zhuǎn)動(dòng)，影響螺母和墊圈的拆卸。拆除TEM葉輪后，依次拆除推力平衡盤和主軸承。拆除主軸承時(shí)同樣需要廠家特殊工具防松螺母板手，拆除程序與拆除TEM葉輪相同，為協(xié)助拆除軸承防松螺母、軸承鎖緊墊圈和軸承墊圈，可略微吊起軸以去掉軸承防松螺母上的壓力，但不得將整個(gè)泵機(jī)組吊起[15-16]。

圖5 高壓泵車間內(nèi)固定

泵主體部分拆卸完畢后，拆除電機(jī)外殼。需要注意的是：電機(jī)外殼總成和主軸承外殼總成需一起拆卸，拆卸時(shí)可先用火焰對(duì)主軸承殼體與出液管的連接處加熱以便于拆卸，如圖6所示。用吊機(jī)提起電機(jī)外殼和主軸承外殼總成時(shí)，用手將電機(jī)引線緩慢地從泵殼上的引線穿入管送出，防止提起過程中電機(jī)引線被拉斷。電機(jī)外殼周圍均布6根出液管，電機(jī)外殼拆除完成后，用記號(hào)筆將6根管道分別編號(hào)，拆下后依次排列，同時(shí)在殼體上也用記號(hào)筆在出液管對(duì)應(yīng)位置處編號(hào)，以便回裝時(shí)能一一對(duì)應(yīng)。

圖6 火焰加熱

電機(jī)外殼拆除后，去除上部軸承上的軸承保持架，在軸上部安裝吊環(huán)，將軸從電機(jī)架中吊出，此時(shí)上部軸承仍與軸連接在一起，吊出后用平板扳手夾住軸，如圖7所示，用防松螺母板手拆除上軸承上的軸承鎖緊墊圈和軸承放松螺母，將上部陶瓷軸承取下。

圖7 拆卸上軸承

由于泵運(yùn)行一段時(shí)間后，泵中各部件存在著部分碎末狀雜質(zhì)，使用壓縮空氣吹去泵各部件上的雜質(zhì)，用提前準(zhǔn)備好的備件依次更換，如果軸承經(jīng)檢查可以繼續(xù)使用，則使用90%煤油和10%渦輪機(jī)油混合物清洗軸承，也可以使用柴油清洗軸承，去除軸承內(nèi)的雜質(zhì)。待所有備件更換完后，將泵重新組裝。因?yàn)楸眠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間剛剛達(dá)到300 h，因此無需做葉輪耐磨環(huán)磨損程度檢查和軸的徑向跳動(dòng)檢查[17-18]。

2.4 泵回裝

將泵運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，首先將泵放在腳手架內(nèi)，安裝泵蓋與泵之間的密封環(huán)；然后將泵蓋與泵連接，安裝兩個(gè)振動(dòng)探頭，要安裝牢靠；同時(shí)注意線纜不要損壞，以免造成后續(xù)振動(dòng)值偏離過大或無讀數(shù)。更換泵蓋與泵筒間的金屬纏繞墊，再次確認(rèn)泵筒內(nèi)的潔凈度，然后將泵整體回裝至泵筒內(nèi)，將泵筒與泵體的連接螺栓緊固到相應(yīng)扭矩。

在電機(jī)三條連接的導(dǎo)線之間進(jìn)行電阻絕緣測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為2 500 V DC電壓下電阻＞40 MΩ。測(cè)試結(jié)果分別為6.3、3.73、7.4 GΩ，滿足要求。測(cè)試完成后，更換電氣貫穿接頭處金屬纏繞墊，連接電氣貫穿接頭，并將螺栓緊固到相應(yīng)扭矩。同樣，更換儀表貫穿接頭處金屬纏繞墊，將振動(dòng)探頭線纜與儀表貫穿接頭連接，并將螺栓緊固到相應(yīng)扭矩。

將接收站系統(tǒng)與高壓泵之間的各條工藝管道分別連接，將儀表貫穿接頭與電氣貫穿接頭上的氮?dú)夤艿肋B接完成，連接好液位計(jì)，引出管上部法蘭。

所有管道連接完成后，對(duì)高壓泵泵蓋及連接的法蘭進(jìn)行氦氣檢漏，測(cè)量方法為吸槍檢漏法，測(cè)量?jī)x器為氦質(zhì)譜檢漏儀。在高壓泵泵筒內(nèi)充入氮?dú)夂秃猓獨(dú)鈮毫?.6 MPa，氦氣體積分?jǐn)?shù)＞10%，在所有連接的法蘭處及泵蓋墊片處用潔凈塑料布包裹，靜置24 h后，用檢測(cè)槍進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為泄漏量≤1.0×10-6Pa·m3/s，檢測(cè)的結(jié)果為 8.0 × 10-7Pa·m3/s，滿足要求[19]。

2.5 相關(guān)參數(shù)設(shè)定

增加葉輪后高壓泵揚(yáng)程隨之增加，與高壓泵出口壓力相關(guān)聯(lián)的接收站工藝系統(tǒng)部分的設(shè)定值也需要隨之調(diào)整，包括高壓泵本身繼電器過流及欠流設(shè)定值、高壓泵出口壓力報(bào)警值、高壓泵下游浸沒式燃燒氣化器出口報(bào)警值，以及外輸總管上的壓力報(bào)警值。具體如表3所示。

參數(shù)設(shè)置完成后，吹掃高壓泵泵筒，直至露點(diǎn)-40℃；然后將高壓泵工藝系統(tǒng)相關(guān)閥門的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定；完成設(shè)定后，打開預(yù)冷管道閥門開始預(yù)冷高壓泵，通過注入/排放法蘭連接處，以約1 in/min（1 in=25.4 mm） 的速度將液體注入泵筒。在冷卻期間，液體充滿泵筒前，不可將液體引至入口管道法蘭，防止低溫液體飛濺到泵的側(cè)面。預(yù)冷期間嚴(yán)格執(zhí)行廠家的操作手冊(cè)，在不同液位靜置相應(yīng)時(shí)間，預(yù)冷完成建立液位后即可啟動(dòng)高壓泵，建立外輸工藝流程[20]。

表3 設(shè)定值調(diào)整

3 結(jié)論

（1）LNG高壓泵的加級(jí)工作涉及眾多步驟，項(xiàng)目實(shí)施過程中需要提前梳理高壓泵加級(jí)的各個(gè)細(xì)節(jié)，準(zhǔn)備好加級(jí)工作所需的各種備件，合理安排施工工序，保障加級(jí)工作的工期和質(zhì)量。

（2）因?yàn)長(zhǎng)NG高壓泵拆裝時(shí)需要氮?dú)獯祾?、置換、回溫等，需要時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)LNG接收站整體運(yùn)行影響比較大，因此需結(jié)合下游用氣情況提前規(guī)劃提泵和回裝泵窗口期。

（3）高壓泵運(yùn)輸需制作木質(zhì)模具，防止運(yùn)輸過程中高壓泵滾動(dòng)而造成損壞。高壓泵在車間內(nèi)拆解應(yīng)注意橡膠工具及火焰加熱的使用；每級(jí)葉輪及擴(kuò)散器和電機(jī)周圍的6個(gè)出液管必須進(jìn)行編號(hào)，便于回裝；高壓泵回裝完成后，需進(jìn)行氦氣檢漏，以保證法蘭連接面及泵蓋的密封性，防止天然氣泄漏。

（4）總結(jié)了高壓泵提泵期間高壓泵所有與接收站界面管道、電氣及儀表的拆解工作及泵蓋拆解工作、車間內(nèi)高壓泵拆解過程中的各個(gè)細(xì)節(jié)，以及泵回裝過程中的關(guān)鍵技術(shù)，可為今后國(guó)內(nèi)LNG高壓泵開展加級(jí)工作提供指導(dǎo)。