加氣站LNG柱塞泵空轉原因分析及解決方案

李 迎， 馬微微， 謝強強

(陜西省燃氣設計院有限公司，陜西西安710043)

1 概述

某加氣站為LNG和CNG加氣合建站，LNG銷量約為50 t/d，CNG銷量約為5 000 m3/d。在運行約180 d后，LNG柱塞泵出現(xiàn)空轉，導致泵損壞，造成很大的經濟損失。本文對LNG柱塞泵出現(xiàn)空轉的原因進行分析，并提出解決方案。

2 LNG柱塞泵空轉原因分析

① 設備自身方面

設備自身引起空轉的原因主要有：設計問題，如泵的進出液閥設計不良、進液閥阻力過大、余隙容積過大等；制造裝配問題，如泵嚴重內漏或進出液閥運轉不靈活，泵的真空夾套真空度不良、保冷效果差；活塞環(huán)、進出液閥等造成泵的磨損；泵內進水、進異物引起泵閥卡滯。

經LNG柱塞泵廠家對LNG柱塞泵進行查驗，確定并非設備自身原因引起泵的空轉。

② 進液、回氣方面

進液、回氣不暢是引起LNG柱塞泵空轉的一個主要原因。該加氣站LNG柱塞泵廠家提供的技術要求：LNG柱塞泵凈正吸入高度不小于1.5 m；進液、回氣管道坡度5%。通過此技術要求來避免LNG柱塞泵進液、回氣不暢。

下面從工藝設計方面來分析LNG柱塞泵技術要求的滿足性。存在關系：

(1)

(2)

(3)

其中h——凈正吸入高度，m

pd——LNG儲罐氣相壓力(絕對壓力)，Pa

pv——柱塞泵進液溫度下的飽和壓力(絕對壓力)，Pa

ρ——LNG密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2，取9.81 m/s2

hd——LNG儲罐液面與柱塞泵進液口的高度差，m

hc——從儲罐至柱塞泵進液口的管道的全部水頭阻力，m

λ——從儲罐至柱塞泵進液口的管道的沿程阻力系數(shù)

L——從儲罐至柱塞泵進液口的管道的長度，m

d——從儲罐至柱塞泵進液口的管道的內直徑，m

ξz——從儲罐至柱塞泵進液口的管道的總局部阻力系數(shù)

u——從儲罐至柱塞泵進液口的管道內的LNG流速，m/s

qV——從儲罐至柱塞泵進液口的管道內的LNG體積流量，m3/s

該加氣站LNG柱塞泵體積流量為1 500 L/h，從儲罐至柱塞泵進液口的管道內直徑d=0.05 m，代入式(3)，得u=0.21 m/s。

該加氣站LNG氣源組成見表1。

表1 LNG氣源組成

將相關參數(shù)代入式(2)，可得hc=0.045 m。

以防護堤內地坪標高為±0.000 m，該加氣站LNG儲罐基礎高度為1.5 m，根據(jù)LNG儲罐資料，LNG儲罐最低液面高度為2.35 m，LNG柱塞泵基礎高度0.2 m，進液口中心高度0.62 m，則hd=1.73 m。

整個系統(tǒng)按飽和狀態(tài)考慮，認為LNG溫度不變，pd-pv=0，則h=1.685 m，LNG柱塞泵凈正吸入高度滿足要求。工藝設計時，進液管道及回氣管道的坡度按5%設計，也滿足LNG柱塞泵技術要求。由此可知，導致LNG柱塞泵空轉的原因不是進液、回氣不暢。

③ 施工方面

LNG柱塞泵是高壓設備，泵出口壓力達到25 MPa，流量脈沖較大，易產生振動，過大的振動帶來設備的提前損壞與管路焊縫的安全問題。若施工過程中，LNG柱塞泵固定不牢，減振措施不到位，也會引起LNG柱塞泵空轉。

該加氣站施工時LNG柱塞泵固定牢靠，考慮了有效的減振措施，因此并非施工原因引起LNG柱塞泵空轉。

④ 工藝設計方面

工藝設計方面主要看工藝流程的合理性，該加氣站部分工藝流程見圖1。

由圖1可知，LNG柱塞泵進液接LNG儲罐下進液，卸車進液、LNG加氣機回氣也接LNG儲罐下進液，因此LNG柱塞泵進液和卸車進液、LNG加氣機回氣存在沖突。管道上的氣動緊急切斷閥為常開閥，只有緊急情況下關閉，非操作閥。LNG槽車卸車進液和LNG柱塞泵進液流向相反，在卸車時，LNG儲罐無法出液，卸車液相管道少量LNG進入LNG柱塞泵，流量不足導致LNG柱塞泵進液不暢。LNG柱塞泵進液管道最大工作壓力為1.2 MPa，LNG加氣機回氣管道最大工作壓力為1.6 MPa，LNG加氣機回氣時和LNG柱塞泵進液時，介質流向也相反，LNG加氣機回氣時勢必影響LNG柱塞泵進液，導致LNG柱塞泵進液不暢。

圖1 加氣站部分工藝流程

LNG柱塞泵回氣接LNG儲罐氣相口，儲罐增壓氣相口也接LNG儲罐氣相口，LNG柱塞泵回氣和儲罐增壓氣存在沖突。在給LNG儲罐增壓時，當LNG儲罐氣相壓力高于LNG柱塞泵回氣管道壓力時，會導致LNG柱塞泵回氣不暢。

該加氣站LNG銷量約為50 t/d，CNG銷量約為5 000 m3/d，LNG加氣機質量流量為3～80 kg/min，平均按50 kg/min計，每天需工作約17 h，4臺LNG加氣機平均每天工作4.25 h。LNG槽車容積約50 m3(約20 t)，每天需卸車約3次，每次卸車2 h，每天卸車時間約6 h。LNG柱塞泵的LNG流量為1 500 L/h，則CNG流量約為1 000 m3/h，CNG銷量約為5 000 m3/d，則LNG柱塞泵每天需工作5 h。LNG加氣機、LNG柱塞泵、LNG槽車卸車每天工作時間均較長，勢必存在同時工作的可能性。

綜上所述，該加氣站工藝設計存在LNG柱塞泵和卸車、LNG柱塞泵和LNG加氣機、LNG柱塞泵和儲罐增壓器不能同時工作的問題，在運行過程中若對工藝不熟悉，LNG柱塞泵和卸車、LNG柱塞泵和LNG加氣機、LNG柱塞泵和儲罐增壓器同時工作就會導致LNG柱塞泵空轉。

3 解決方案

在工藝設計不變的前提下，尋求解決方案，使變更最小，最經濟。提出2個解決方案。

方案1：運行時，避免LNG柱塞泵和卸車、LNG柱塞泵和LNG加氣機、LNG柱塞泵和儲罐增壓器同時工作。此種方案在加氣站銷售量較好的情況下，勢必影響加氣站的經濟效益。

方案2：從工藝方面著手，通過閥門的操作來實現(xiàn)LNG柱塞泵和卸車、LNG柱塞泵和LNG加氣機、LNG柱塞泵和儲罐增壓器同時工作。

把氣動緊急切斷閥當操作閥對待，在V-101 LNG儲罐卸車時， VJ101、VJ102及GV108開，VJ103、VJ104及GV104關，V-102 LNG儲罐給LNG柱塞泵供液。同理，在V-102 LNG儲罐卸車時，VJ101、VJ102及GV108關，VJ103、VJ104及GV104開，V-101 LNG儲罐給LNG柱塞泵供液。兩儲罐不能同時卸車，不能同時給LNG柱塞泵供液。

在LNG加氣機回氣時，GV102、GV103及GV108開， GV106、GV107及GV104關，LNG加氣機回氣僅回V-101 LNG儲罐，V-102 LNG儲罐給LNG柱塞泵供液。同理，GV102、GV103及GV108關，GV106、GV107及GV104開，LNG加氣機回氣僅回V-102 LNG儲罐，V-101 LNG儲罐給LNG柱塞泵供液。LNG加氣機回氣不能同時回兩儲罐，兩儲罐不能同時給LNG柱塞泵供液。

在給儲罐增壓時，GV105及GV109開，GV101及GV111關，僅給V-101 LNG儲罐增壓，LNG柱塞泵回氣僅回V-102 LNG儲罐。同理，GV105及GV109關，GV101及GV111開，僅給V-102 LNG儲罐增壓，LNG柱塞泵回氣僅回V-101 LNG儲罐。LNG柱塞泵回氣不能同時回兩儲罐，不能同時給兩儲罐增壓。

此解決方案在運行過程中閥門操作較復雜。

4 結語

建設方在選擇設備時，盡量選擇信譽好、質量好的廠家；設計時嚴格按LNG柱塞泵技術要求設計，工藝盡量簡單化，LNG潛液泵進液和LNG柱塞泵進液分別接儲罐出液口，盡量不接LNG儲罐下進液口，LNG潛液泵回氣口和LNG柱塞泵回氣口分別接LNG儲罐回氣口，LNG柱塞泵回氣盡量不與其他功能共用回氣管道；施工時LNG柱塞泵固定牢靠，采用有效減振措施；加氣站運行時，熟悉工藝流程，熟悉閥門操作。由此可避免LNG柱塞泵空轉導致泵的損壞。