LNG高壓輸送泵預冷方案分析

上海液化天然氣有限責任公司 劉猛

0 引言

LNG利用是一項投資十分巨大、上下游各環節聯系十分緊密的鏈狀系統工程，由天然氣開采、天然氣液化、LNG運輸、LNG接收與汽化、天然氣外輸管線和天然氣最終用戶等六個環節組成，其中任何一個環節出現問題都將使整個系統停車，而且必須對上下游環節做出巨額賠償。因此LNG利用各個環節的工藝及設備必須安全可靠。LNG接收站是其中重要環節之一，要求更為嚴格。

LNG接收站一般都坐落城市偏遠的郊區。因此，LNG再汽化之前都需要經高壓輸送泵加壓至10 MPa后，進入汽化器汽化，以供遠距離用戶使用。而高壓輸送泵在初次投用及日常維護保養后的預冷是接收站最復雜、最難控制的操作之一。

本文以上海LNG接收站為例闡述高壓輸送泵預冷方案、存在的問題并提出相應的改進建議。

1 高壓輸送泵概述

高壓輸送泵是 LNG接收站外輸天然氣的動力源。高壓輸送泵將 LNG加壓后，輸送到汽化器汽化(IFV、SCV)，然后把天然氣外輸到門站。上海LNG接收站一期供配備5臺高壓輸送泵，以便對一期總的輸出流量進行處理。通過泵的排出流量控制閥，可以對通過每臺泵的最大流速進行限制；通過自動流量控制最小流量的旁通管，可以實現對低流量的保護。

高壓泵屬于立式筒袋泵，其工作溫度為：-152～-165 ℃，入口壓力為：0.80 MPa，額定流量472 m3/h，揚程2 136 m，額定流量下的出口壓力為：10 MPa。

2 高壓輸送泵預冷方案

2.1 為什么要預冷

高壓輸送泵在正式進入低溫液體前，要進行充分冷卻，即預冷過程。泵的吸入口罐采用奧氏體不銹鋼材料。泵體的主要材料為鋁合金及奧氏體不銹鋼材制造。鋁和奧氏體不銹鋼材料具有優異的低溫性能，但奧氏體不銹鋼膨脹系數較大，在極低溫度下導熱系數很低。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產生損壞等問題，所以就要求在泵進入低溫液體前必須進行預冷操作，并確保溫度變化率不會過大，以確保投運安全。

2.2 預冷方案

在預冷開始前，用氮氣對高壓泵輸送泵的進出口管線、泵體進行干燥、置換，具體置換步驟和流程不是本文介紹的重點，但操作時必須控制氮氣的流量不宜過大，防止葉輪轉動而導致軸承磨損，廠家推薦：0.5～5 m3/h。在置換過程中，當高壓輸送泵及其管線滿足氧氣濃度不大于1%(體積比)、露點小于-40 ℃條件后就結束置換和干燥，可開始對高壓輸送泵進行預冷。整個預冷過程按照預冷的主要部位不同可分為三個階段即：入口管線預冷、泵體預冷、出口管線預冷。導通相關流程確保出口管線、最小回流管線、排氣管線保證出口隔離的情況下，打通預冷時去BOG管線的流程。預冷流程見圖1所示：

圖1 高壓輸送泵預冷流程示意

入口管線預冷：緩慢打開閥門 V-01(在冷卻過程中，注意觀測低壓排放罐的液位和BOG管線溫度)，當溫度表 TG-01溫度下降至-100℃以下時，逐漸關小并最終關閉閥門V-02。這階段主要是冷卻入口管線，并將冷氣趕入泵內。操作過程要保證泵筒內不出現LNG或LNG在進入泵內前，已基本汽化。可在開始冷卻時先微量或間歇進LNG，此階段共需要5 h左右。

泵體預冷：適當控制閥門 V-01的開度，緩慢建立泵筒的液位，通過控制LNG進液速度，來控制液位的上升速度(8～10 h上升到80%)，同時觀察泵筒液位變送器 LT-01/02和出口管線上的溫度表TG-02。當泵筒筒液位變送器LT-01/02達到80%，關閉排氣管線和出口管線處去BOG總管的閥門，在進行冷卻時，重點檢查是否有泄漏。這階段主要是冷卻泵體，控制重點是液位上升速度，整個過程控制在10 h。

出口管線預冷：待泵筒壓力和泵出口壓力升至約0.8 MPa和再冷凝器出口壓力接近時，慢慢打開高壓泵去再冷凝器排氣管線的出口閥。然后預冷最小回流管線，當出口溫度表TG-02達到-100 ℃左右時，打開最小回流管線的流量控制閥并打開出口手閥。同時，調整出口管線的保冷量，打開出口總閥解除隔離。這階段主要是冷卻出口管線，考慮到壓差太大不好控制，故先將泵體升壓。本階段最好控制在5 h左右，靜置至少4 h以上，待高壓泵完全冷卻后(實際泵體浸漬LNG至少9 h)，準備啟泵試運行。

2.3 預冷方案的思考

縱觀整個預冷過程，持續時間無非是緩慢冷卻。整個過程長達24 h。如果不著急使用設備，預冷過程把握越慢越好的原則沒什么問題。

如果時間比較緊急，上面的方案就有些捉襟見肘了。究其原因主要是入口管線冷卻完畢后，在預冷泵體的時候沒有任何的監測手段，擔心因溫降過快而引起的熱應力過大問題。

雖然泵筒液位計可作為監控點，但液位計的零點高于泵桶底部1 100 mm。當有液位顯示時，泵的入口導輪、下軸承、1～3級葉輪已浸沒在LNG中，故泵筒在出現液位前，冷卻的速度只能參考泵的入口和出口溫度計。就是因為中間環節沒有監測，導致在過程中速度無法控制。按照廠家建議在預冷時只要保證每小時降溫在 30～50 ℃之間持續時間在8 h左右，對泵本身是沒有傷害的。但在實際操作過程中依靠進出口溫度計監控，根本無法把握每小時的降溫速度。要想精確的掌控預冷的速度，必須尋找中間過程有效的監測方法，這樣才能達到預期的目標。

3 解決方法

3.1 用RTD進行預冷監控

為了解決在預冷過程中監測盲點的問題，可以在高壓泵泵筒的上中下三個位置安裝三個 RTD (Resistance Thermal Detector)見圖2所示，通過測量泵筒的外表面溫度來監測預冷操作。

圖2 RTD安裝布置示意

RTD監測系統中所有相關的零部件必須是適合低溫環境的(溫度從-30 ～-170 ℃)。而與吸入罐表面接觸的所有材料都必須適合-170 ℃的低溫環境。

3.2 使用泵筒液位進行監測

另外一種方法就是改裝目前泵筒的液位計，使其零點在泵筒的底部，同時對泵的幾個關鍵部位點，進行劃分以確定預冷過程的監測點，關鍵部位點的劃分如圖3所示：

圖3 液位監測預冷分段

表1 預冷分段的液位和保留時間

液位監測器管嘴距泵筒頂部的距離大約5 m，因LNG的比重最大約為0.45，則液位監視器的最大壓差約為0.025 MPa，因此要求液位計的精度非常高。當吸入罐底部出現液位時，液位監視器會出現微弱的抖動，從這個現象可以得知在泵筒內已經有液相LNG出現。隨后，就可以按照上述方案中描述的步驟冷卻泵。通過預冷管線進口將LNG注入泵筒，控制液位速度在每分鐘大約23.5 mm，預冷程序完成的時間決不能少于 8 h。當液位到達規定值就停留一段時間，使其部位充分的預冷。在預冷初始時期，一定要控制好預冷的速度，決不能將LNG通過進口管線注入到泵筒，防止LNG噴灑在泵的一側。

4 結論

采用 RTD進行預冷監測時，奧氏體不銹鋼在低溫下的導熱系數是室溫下導熱系數的1/50左右，并且在常溫時奧氏體不銹鋼的導熱系數就很低，當高壓泵預冷時，溫度梯度很大。也就是說當底部RTD的溫度接近LNG溫度時，上部的RTD的溫度還是常溫；并且當LNG達到RTD的位置，溫度才會發生變化，短時間內達到LNG的溫度。所以僅僅采用RTD，不能作為控制和監測LNG預冷速度的標準，但可以作為預冷過程監測的輔助工具。

采用改造液位監測預冷，能夠比較準確的控制LNG注入速度，從而達到預冷的效果。

個人認為要想實現高壓泵預冷全過程實時、精確的控制，以液位監測預冷為主、RTD監測為輔的組合方式，預冷效果應該最好。