LNG接收站影響高壓泵正常運行的因素分析

景佳琪

摘 要：高壓泵是LNG接收站運行的核心設備之一，其作用是將LNG增壓后進行汽化外輸。本文基于高壓泵結構和系統(tǒng)流程設計，結合實際生產案例，分析探討影響高壓泵正常運行因素，旨在總結提煉運行經驗，為保障高壓泵穩(wěn)定運行，接收站安全生產提供實踐指導。

關鍵詞：LNG接收站;高壓泵;因素分析

隨著LNG行業(yè)的不斷發(fā)展，泵送深冷流體技術已成為國內外低溫學領域研究的重要課題[1]。然而，國內已建LNG項目均采用了國外進口低溫設備，如高壓泵由于從國外引進，在維修技術和維修費用成本方面逐漸受到國外廠家的制約，對未來國內LNG的發(fā)展將產生一定的影響，為進一步推動著國內低溫泵行業(yè)的發(fā)展，順應LNG設備國產化的發(fā)展趨勢，探討分析LNG高壓泵的運行技術意義顯得尤為顯著。

1 高壓泵結構

某LNG接收站的高壓泵是進口自美國的立式潛液泵，是一種多級離心泵，主要結構由旋渦導流器、葉輪、冷卻回氣管、推力平衡裝置、電動機定轉子、軸承部件等組成[2]。

2 流程設計現(xiàn)狀

影響LNG接收站高壓泵運行的因素很多，其中影響其運行穩(wěn)定的重要因素是設計。主要表現(xiàn)為一是本身設計細節(jié)不夠到位，二是設計考慮與上下游系統(tǒng)連接設計存在瑕疵。某接收站共設置了7臺高壓泵（A～G），能有效運行的為6臺。6臺高壓泵均同向并接于再冷凝器后的低壓輸出總管。此布置方式使得多臺泵并聯(lián)運行時，位于低壓輸出總管前端的泵出口流量明顯高于末端泵，尤其在外輸量較大但單臺高壓泵流量較小時尤為明顯且嚴重。同時，增啟或減停高壓泵時，由于只能通過汽化器入口流量調節(jié)閥控制，若總流量控制不當，便會出現(xiàn)單臺泵流量過低情況，嚴重時可能出現(xiàn)單臺泵跳車。

①高壓泵入口管線：設置有過濾器，通過觀察監(jiān)測過濾器前后壓差的差壓表來判定過濾器是否需要清理。當高壓泵井頂部壓力低于再冷凝器頂部壓力時，泵井頂部的BOG將無法順暢的排放至再冷凝器，而導致BOG在泵井內聚集，最后形成湍流（或渦流）導致泵井液位跳變且高壓泵振動加大等，尤其在工況改變（如新泵啟?；蛲廨斄空{節(jié)時）;②泵井放空至再冷凝器管線：為保證泵井頂部的BOG順利排放至再冷凝器，應保證泵井頂部壓力與再冷凝器頂部壓力間存在一定的正差壓。目前，國內已有接收站設置了兩種排放方式：排放至再冷凝器和排放至BOG總管;③泵出口管線設置了最小回流管線，由于高壓泵A～D的回流管線上閥門閥芯選擇偏小，導致其最小回流管線的流量無法達到高壓泵最小連續(xù)運行流量;④出口僅設置緊急切斷閥而未設置調節(jié)閥，給高壓泵的啟停及流量調節(jié)造成了較大的難度。

3 案例分析

某接收站某日外輸2300萬標方/天，啟四條線外輸，4臺低壓泵、再冷凝器、4臺高壓泵、4臺ORV。

3.1 現(xiàn)象描述

時間段（16：00～17：20），高壓泵A泵井液位顯示不穩(wěn)定，波動較大且頻繁。15：55左右A泵流量和壓力開始下降（其他3臺泵流量增加）至16：00趨于穩(wěn)定，持續(xù)10min后流量和壓力恢復至正常值（見圖1），之后流量和壓力一直存在波動現(xiàn)象直至A泵停（15：55至停泵，其他3臺泵壓力趨勢同A）。

3.2 事件初判

按經驗，泵入口過濾器堵塞是導致高壓泵液位波動的一個重要原因，由于過濾器堵塞，泵井頂部壓力較低，無法使得頂部BOG順暢排向再冷凝器，會引起再冷凝器波動，而A泵停泵前，其入口壓力，再冷凝器液位、壓力均正常，暫排除過濾器堵塞原因。綜合其他因素均未出現(xiàn)明顯異常，僅流量、壓力及液位出現(xiàn)波動，同時由于功率、電流未能采集，無法對比泵特性曲線判斷A泵在15：55～16：10左右是否偏了泵正常特性。從結果看，初判是高壓泵A在15：55左右可能已經出現(xiàn)損壞，致使之后流量、液位波動，直至泵抱死聯(lián)鎖停車。

3.3 測試分析

啟動測試前：按廠商文件資料進行檢查確認：①工藝冷卻完成，無蒸發(fā)氣存留;②確保最小流量管線投用;③監(jiān)測儀表檢查完備;④電氣絕緣測試正常;⑤相關聯(lián)鎖（DCS、SIS儀表）及電氣停車保護設置正常投用。

測試過程：DCS給出啟動信號，現(xiàn)場人員觀察高壓泵啟動狀態(tài)，中控點擊運行按鈕后，現(xiàn)場出現(xiàn)運行起始音。1～4s左右，機泵停止。測試現(xiàn)象：①現(xiàn)場聽見泵啟動聲音（1～4s后停止）;②DCS顯示有完成啟動回訊;③出口壓力無提升;④出口無流量;⑤無功率電流顯示;⑥機泵故障報警;⑦配電柜出現(xiàn)繼電器跳閘和泵啟動后過流保護跳閘等。經測試，初步判定為泵機械損壞，解體后發(fā)現(xiàn)中軸承處嚴重損壞，軸磨損嚴重，且存在彎曲，平衡葉輪及其他部件均有不同程度的損壞。

4 影響高壓泵正常運行的因素分析

總結多年來LNG泵發(fā)生的故障，其根本原因有：①系統(tǒng)設計缺陷或操作不當產生的空穴現(xiàn)象;②泵長時間遠離額定流量或處在最佳效率點之外運行;③液體中含有碎片或污染物（不常見）。由于LNG裝置系統(tǒng)在運行前必須進行吹掃置換，且工作中天然氣都進行過凈化處理，系統(tǒng)通常是潔凈的，故①②是泵產生故障的主要原因[3]。高壓泵在整個使用周期內會存在預冷、啟動、運行、停止等重要過程。同時在這些過程中，會有維護、檢修等環(huán)節(jié)。

4.1 預冷

首先，泵罐采用不銹鋼，泵體的主要采用鋁合金及不銹鋼材制造。鋁和不銹鋼具有優(yōu)異的低溫性能，但奧氏體不銹鋼膨脹系數(shù)較大，在極低溫度下導熱系數(shù)很低。為了防止在溫度變化過快、熱應力過大而使材料或連接部位變形、擠壓、甚至損壞。所以預冷速度過快，很可能會對高壓泵的材料、連接部件、間隙等造成變形、擠壓等，泵啟動、運行、停泵時，便可能產生摩擦，導致金屬毛絮產生，之后造成更大損壞。

其次，泵預冷時分進液和靜置兩個過程。進液時液位上漲速率必須小于25.4mm/min;靜置時LNG會吸熱氣化為冷態(tài)BOG后繼續(xù)吸熱變?yōu)闊釕B(tài)BOG通過排放管線排出，同時泵井內存儲的LNG也會部分氣化為冷態(tài)BOG對液位以上泵體及泵罐進行氣態(tài)預冷卻，使得泵井液位會降低。當靜置時間到后重新進液，采用液態(tài)LNG深冷卻。廠商文件對高壓泵預冷時進液速度和預冷總時間的控制有要求，而對靜置時液位的下降廠商文件并未做要求，對運行操作的指導作用尚不完善。

4.2 啟動

正常高壓泵啟動過程中，電流能在2～3s之內穩(wěn)定。若啟動后電流上升到最大值且保持不變，同時泵又未轉動，說明轉子鎖死。啟動后電流上升到最大值且穩(wěn)定最大電流與滿載電流之間，且泵已經啟動，說明過載啟動。依據(jù)現(xiàn)有流程設計，增啟高壓泵時，由于某接收站前4臺高壓泵（A～D）最小回流管線，啟動時達不到泵最小流量要求，若出口XV閥開啟速度較慢，則可能會出現(xiàn)部分LNG快速氣化而達不到廠商設計要求，反之過早開啟出口XV閥，勢必會存在過載啟動風險（E～F尤為明顯）。因此，低于最小流量啟動和過載啟動對高壓泵機械機構可能存在一定程度的損傷。而高壓泵在額定流量下運行時振動也較小。泵頻繁啟動對泵的使用壽命影響也極大。正常在標準液位下，首次啟動與第二次啟動之間的時間間隔為5min，1h內最多啟動次數(shù)不超過4次。

綜上所述，隨著近年來設備國產化迅猛發(fā)展，國內LNG行業(yè)在低溫泵設計、自主維修及研發(fā)方面必將迎來新的更大的突破，對于運行操作維保人員來說，在掌握高壓泵等低溫泵的結構、參數(shù)、性能等基礎上，合理地操作使用和維護檢修對設備平穩(wěn)運行、接收站安全生產起到了至關重要的作用。

參考文獻：

[1]董芳.LNG高壓泵管道設計[J].山東化工，2019，48（09）：178-179+183.

[2]羅資琴，任永平，陳叔平，馮琛然，葛娟.LNG低溫潛液泵結構及設計分析[J].低溫與超導，2012，40（07）：13-16.

[3]尹瞳.LNG接收站低溫泵常見故障分析與處理[J].設備管理與維修，2017（07）：71-72.