LNG加氣站增大潛液泵氣蝕余量的工藝措施

潘成軍

中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213

0 前言

LNG 是目前最清潔、 環保的汽車燃料，LNG 加氣站逐步推廣。 LNG 加氣站主要設備有LNG 儲罐、LNG 加氣機、增壓汽化器和LNG 潛液泵［1］，主要流程有卸車流程、增壓流程和加氣流程［2］，在每個流程中都要啟動LNG 潛液泵，經常遇到LNG 潛液泵因氣蝕余量不足導致不能正常啟動的情況。 本文以最常見的60 m3LNG 臥式儲罐為例分析了氣蝕余量不足的原因，提出了解決措施，對類似LNG 加氣站具有借鑒作用。

1 潛液泵經常空載的原因

1.1 潛液泵出現氣蝕征兆

在LNG 加氣站的運行過程中， 控制系統經常提示LNG 潛液泵空載（或打壓不足）而聯鎖保護，原因是LNG潛液泵出現了氣蝕征兆， 抽到汽液混合物而做功很小，在3 s 內電機電流和出口壓力沒有達到設定值而觸發聯鎖停機，目的是防止氣蝕對LNG 潛液泵造成損傷，延長LNG 潛液泵的使用壽命。

1.2 出現氣蝕征兆的原因

氣蝕余量（NPSH）是指潛液泵在進口處LNG 的實際壓力與LNG 在該溫度時飽和蒸汽壓力的差值。當氣蝕余量不足時，在LNG 潛液泵啟動瞬間，泵入口處的LNG 液體一方面會轉化為液體的動能， 另一方面克服摩擦阻力，會產生壓力損失，使壓力下降，LNG 泵入口處會形成低壓區，該區域LNG 的沸點降低，當LNG 溫度高于其沸點時即發生劇烈沸騰，LNG 潛液泵就會抽到汽液混合物而聯鎖保護。

圖1 LNG 加氣站低溫潛液泵氣蝕余量分析示意圖

2 潛液泵氣蝕余量模型

2.1 NPSH 分析示意圖

以臥式儲罐、單潛液泵為例的氣蝕余量分析示意圖見圖1。

2.2 NPSH 計算公式

NPSH=p+ph-pf-ps

式中： p 為LNG 儲罐的氣相壓力，Pa；ph為LNG 儲罐內液面至泵入口處垂直方向的LNG 液柱產生的壓力，Pa；pf為LNG 儲罐至泵入口管線摩擦阻力損失 （包括動壓頭）,Pa；ps為潛液泵進口處LNG 的飽和蒸汽壓力，Pa。

3 氣蝕余量下降原因

3.1 pf 基本不變

摩擦阻力損失主要由管道和管件的摩擦阻力引起，在設計時要盡量減少彎頭和三通，裝置一旦建成，摩擦阻力損失基本不變；而由靜壓頭轉換成動壓頭的壓力損失變化也很小。 因此，可以把pf看成是一個常量。

3.2 ph 變化很小

ph由兩部分組成，一部分是LNG 儲罐的最低液位平面到潛液泵進口處LNG 液柱產生的壓力，該部分壓力為固定值，由設計安裝高度決定；另一部分為儲罐內最低液位平面以上的LNG 產生的壓力，該部分壓力隨著LNG加氣站的運行不斷變化。對于60 m3的LNG 臥式儲罐，ph的最低值為0.008 MPa,最大值為0.018 MPa，當LNG 儲罐液位逐漸下降時，ph也逐漸降低，但變化較小。

3.3 ps 逐漸升高引起NPSH 降低

3.3.1 LNG 的相平衡數據

潛液泵在進口處LNG 的飽和蒸汽壓力（ps）是其溫度（T1）的函數，隨著T1升高，ps不斷上升。 用Antoine 方程ln(ps）=A-B/（C+T）計算甲烷的飽和蒸汽壓與溫度的數據見表1 （四川地區LNG 中甲烷的含量在98%以上，甲烷的相平衡數據代表LNG 的相平衡數據誤差較小，可用來指導生產實踐活動）。

3.3.2 泵池內LNG 溫升較快

a）LNG 泵池進液管線采用真空保溫， 與LNG 儲罐連接的部分管線采用聚氨酯發泡料保溫［3］（約1.5 m），熱量通過進液管線傳熱給泵池內的LNG。

b）LNG 泵池上端蓋沒有真空保溫夾層，利用密封在里面的LNG 氣相進行保溫， 筒體傳熱方式包括傳導、對流和輻射等多種傳熱方式， 熱量通過泵池筒體傳熱給

LNG。

c）LNG 潛液泵電機功率為11 kW，電機做功的同時會放熱［4］。 泵運轉過程中，放出的熱量被LNG 帶走；泵停止后，熱量逐步傳遞給泵池內靜止的LNG。

表1 甲烷的飽和蒸汽壓與溫度對應數據表

d）泵池水容積為0.08 m3，其中一半被氣相和潛液泵占據，泵池內儲存的LNG 很少，外界熱量傳入后，溫度上升較快。

3.3.3 溫升造成NPSH 不足

隨著泵池內LNG 溫度的逐漸升高，ps逐漸增大，LNG 潛液泵的NPSH 逐漸減小。當泵進口處LNG 溫度上升至其對應的飽和蒸汽壓ps=p+ph時，泵池內最接近相平衡狀態， 泵池內壓力相對穩定，LNG 潛液泵的NPSH為負值，NPSH 嚴重不足。

3.4 儲罐壓力下降造成NPSH 降低

3.4.1 卸車后儲罐壓力最低

LNG 槽車卸車完成后，LNG 儲罐壓力最低。 由于卸車時LNG 儲罐進液采用上噴淋方式，儲罐內的高溫氣相被部分液化，壓力降低，同時，從工廠運輸來的LNG 溫度總是低于儲罐內LNG 的溫度，使儲罐內LNG 發生對流，儲罐內的溫度梯度被破壞，儲罐內LNG 最接近相平衡狀態。

3.4.2 儲罐出現溫度梯度

隨著熱量的傳入，儲罐內的LNG 溫度逐漸升高。 儲罐內出現了溫度梯度，下部溫度低，上部溫度高。 儲罐的壓力也不斷上升， 且高于儲罐底部LNG 的飽和蒸汽壓。使用壓力1.2 MPa 的60 m3LNG 臥式儲罐不必擔心出現LNG 翻滾現象［5］。

3.4.3 溫度梯度減小造成壓力下降

如果車載LNG 氣瓶內溫度較高的氣相回到LNG 儲罐的底部， 會減小LNG 儲罐內的溫度梯度，LNG 儲罐的壓力會降低，儲罐的壓力與儲罐底部LNG 飽和蒸汽壓的差值會變小。 在樂山市棉竹鎮LNG 加氣站， 以犍為廠LNG 為例，當加氣時車載氣瓶的氣相回到儲罐底部時，連續加注0.5 t 左右，壓力下降0.1 MPa 時，就會發生氣蝕報警聯鎖。

LNG 潛液泵NPSH 的降低，主要是潛液泵泵池內溫度上升較快和LNG 儲罐內壓力下降造成的。

4 增大氣蝕余量的工藝措施

4.1 減緩泵池內LNG 溫升速率

4.1.1 做好泵池及管線保溫

a） 盡量多使用真空管線， 使用聚氨酯發泡料保溫時，增大管線的保溫半徑，使保溫管不掛霜、不冒汗。

b） 法蘭、低溫閥門的閥體和泵池上端蓋部分，經過液氮預冷、查漏、冷緊后，確認沒有泄漏，最好利用有機發泡料進行保溫。

4.1.2 置換泵池內的LNG

a） 長時間不加氣時，一直小流量啟動潛液泵，使泵池內的LNG 和儲罐底部的LNG 進行置換。

b）長時間不加氣時，每隔30 min 啟動潛液泵1 min，置換泵池內的LNG。

4.2 閃蒸降低泵池溫度

如果無法啟動泵來置換泵池內的LNG，可以利用閃蒸來降低泵池內LNG 的溫度。將泵池的進液和回氣閥關閉，放空泵池內的氣相，使泵池內壓力降低，從而降低LNG 的沸點，當泵池內LNG 溫度高于其沸點時，就會發生閃蒸而劇烈沸騰，沸騰吸收了LNG 的熱量，使LNG 的溫度下降。

4.3 溫度梯度增加儲罐壓力

長時間將LNG 儲罐底部的LNG 噴淋到儲罐的上部，LNG 儲罐的壓力會降低0.05～0.15 MPa， 說明溫度梯度能大幅提高儲罐壓力， 而LNG 儲罐在最高液位時ph也只能增加0.01 MPa，可見，p 對NPSH 的貢獻要比ph大幾倍，甚至十幾倍。

4.3.1 上部回氣增大溫度梯度

利用LNG 儲罐的上部回氣來增大儲罐內的溫度梯度。 車載氣瓶內的LNG 氣相回到儲罐的上部，由于該部分氣相溫度高、密度小，在儲罐內部無法形成對流，熱交換效率很低，從而增大了儲罐內的溫度梯度，使儲罐壓力增加。

4.3.2 增壓流程增大溫度梯度

當剛完成槽車的卸車作業時，T2=T3、T2≤T1，p≤ps，NPSH=(ph-pf)+(p-ps)， 如果較長時間不加氣，p-ps為負值，使NPSH 不足，一旦啟動潛液泵就會出現氣蝕征兆，觸發聯鎖停機。

利用增壓汽化器給LNG 儲罐增壓， 使溫度較高的LNG 氣相回到LNG 儲罐的頂部， 增大LNG 儲罐內的溫度梯度，使p 增大，從而增大了NPSH。

4.4 增大ph 的值

當LNG 儲罐內液位較低時，應及時補充LNG，使ph值增大。

5 結論

氣蝕余量不足主要是潛液泵泵池內LNG 比儲罐內LNG 溫度升高得快，以及LNG 儲罐內的溫度梯度太小造成的。 增大氣蝕余量的主要工藝措施是采取保溫、置換LNG、閃蒸等方法以降低泵池內的溫度，增加LNG 儲罐的溫度梯度以增加儲罐的壓力，及時補充儲罐內的LNG以增大潛液泵的靜壓頭。

［1］ Rush S. Submerged Motor LNG Pumps in Send-out System Service ［J］.Pumps and System,2004, （3）：32-37.

［2］ 尹勁松, 謝福壽. 橇裝式LNG 加氣機加氣系統及計量系統的優化設計［J］. 天然氣工業,2012,32（3）：105-106.Yin Jinsong,Xie Fushou.Optimization Design of Skid Mounted LNG Filling Machine Filling, System and Measurement System［J］.Natural Gas Industry,2012,32（3）：105-106.

［3］ 彭 明, 丁 乙. 全容式LNG 儲罐絕熱性能及保冷系統研究［J］. 天然氣工業,2012,32（3）：94-97.Peng Ming, Ding Yi. Thermal Insulation Performance and Cold-insulating System Research of Total Capacity Type LNG Storage Tank ［J］.Natural Gas Industry,2012,32（3）：94-97.

［4］ 付子航. LNG 接收站蒸發氣處理系統靜態設計計算模型［J］. 天然氣工業,2011,31（1）：83-85.Fu Zihang. Static Design Calculation Model of Boil Off Gas Treatment System for LNG Receiving Station ［J］. Natural Gas Industry,2011,31（1）：83-85.

［5］ 王良軍， 劉 楊. 大型儲罐內LNG 翻滾機理和預防措施［J］. 天然氣工業,2008,28（5）：97-99.Wang Liangjun, Liu Yang. LNG Stirring Mechanism and Countermeasures in Large LNG Storage Tanks［J］. Natural Gas Industry,2008,28（5）：97-99.