LNG增壓輸送模塊性能試驗(yàn)及其研究

洪德新

（中國船舶電站設(shè)備有限公司，上海 200129）

0 引言

環(huán)境保護(hù)的需要和日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，要求更為環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)和更加清潔的能源，由此帶動(dòng)了新能源發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展。其中，以清潔能源利用（主要為相對穩(wěn)定可靠的天然氣）為主的是各類氣體發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低石油產(chǎn)品依賴為主的是以天然氣和柴油為燃料能源的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，都是現(xiàn)今的環(huán)保型發(fā)動(dòng)機(jī)，下文簡稱“發(fā)動(dòng)機(jī)”。

以天然氣為燃料時(shí)，液化存儲(chǔ)的液化天然氣（LNG），須經(jīng)增壓輸送模塊增壓并經(jīng)氣化器模塊氣化后供給發(fā)動(dòng)機(jī)以作燃料。這些存儲(chǔ)、輸送、增壓、氣化、安全、控制等模塊，構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的LNG供氣系統(tǒng)。

LNG增壓輸送模塊主要作用是將LNG儲(chǔ)罐輸出的 LNG液體增壓后輸送給氣化器模塊。設(shè)備的主要工作過程為：LNG從儲(chǔ)罐輸出，依靠液位差自然流進(jìn)增壓模塊，經(jīng)增壓模塊增壓后以穩(wěn)定的壓力將LNG輸送到氣化器模塊，氣化后輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)。工作過程中，所輸送的 LNG流量需隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載功率的變化而要求實(shí)時(shí)相應(yīng)改變，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)變換運(yùn)行。顯然，LNG增壓輸送模塊是發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊之一，其運(yùn)行安全、性能可靠是以天然氣為燃料的各種發(fā)動(dòng)機(jī)其性能的重要保障。

對于LNG增壓輸送模塊，根據(jù)使用環(huán)境和維修保養(yǎng)的需要，還要求設(shè)備的整體成組、結(jié)構(gòu)緊湊、搬運(yùn)方便。

LNG增壓輸送模塊主要由潛液泵、泵池、閥件、管件和計(jì)量儀表等部件組成，構(gòu)成進(jìn)液回路、回氣回路、供液回路、調(diào)節(jié)回路、安全回路和清洗回路等主要系統(tǒng)，并輔以配對管路和電氣控制及連接線路。中國船舶電站設(shè)備有限公司研制的典型 LNG增壓輸送模塊見圖1和圖2。

圖1 LNG增壓輸送模塊三維圖

圖2 LNG增壓輸送模塊實(shí)樣

1 LNG 增壓輸送模塊性能試驗(yàn)方案

正由于增壓模塊在發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)中的重要作用，其安全、平穩(wěn)及可靠工作，是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的重要保障。所研制的增壓模塊產(chǎn)品必須通過試驗(yàn)以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)性能，最終完成產(chǎn)品的研制定型。

由于增壓輸送模塊的工作介質(zhì)是超低溫的LNG（-196℃），這一增壓模塊性能試驗(yàn)的目的是在超低溫環(huán)境下，通過模塊在低溫介質(zhì)環(huán)境下的性能測試以驗(yàn)證模塊核心部件之低溫潛液泵的壓力提升能力、隨超低溫介質(zhì)流量變化的壓力穩(wěn)定能力以及整個(gè)模塊的安全性能。

而LNG極具危險(xiǎn)性：易燃、易爆、易滲漏。對于研制產(chǎn)品的各項(xiàng)試驗(yàn)，必須造就相對安全的相同或類似超低溫環(huán)境：一是保證性能試驗(yàn)的安全，二是實(shí)測工作狀態(tài)下的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)。

LNG增壓輸送模塊試驗(yàn)分為密性試驗(yàn)和性能試驗(yàn)2部分。密性試驗(yàn)主要檢測整個(gè)輸送模塊部件和管路閥件的氣密性能，確保系統(tǒng)工作的安全可靠；性能試驗(yàn)主要檢測輸送模塊的壓力提升能力（要求達(dá)到2 MPa左右）、輸送流量的穩(wěn)定性能和流量變化后的穩(wěn)壓性能，以驗(yàn)證模塊工作的穩(wěn)定可靠。

整個(gè)模塊試驗(yàn)的主要關(guān)鍵點(diǎn)一是超低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)溫度為-196℃；二是模塊輸出流量的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

1.1 試驗(yàn)原理

模塊的性能試驗(yàn)就是測試潛液泵的性能，是通過在額定轉(zhuǎn)速（頻率）下的壓差和流量曲線進(jìn)行評(píng)估的。為得到性能曲線數(shù)據(jù)需要檢測至少不同的 5個(gè)工作點(diǎn)，流量變化從最小到最大。測試數(shù)據(jù)得到的曲線和期望曲線進(jìn)行比較從而得出整個(gè)增壓輸送模塊的性能是否滿足要求[1]。

壓頭和流量性能曲線應(yīng)該適用于最小5個(gè)測量點(diǎn)的三階多項(xiàng)式。

壓頭：ΔH用差壓和測試液體密度計(jì)算得到。

式中：ΔH為壓差，m；Δp為進(jìn)口和出口的差壓，MPa；ρ為液體密度，kg/dm3；g為重力加速度，g=9.81 m/s2。

假如測試過程中使用的流體為液氮，密度為0.84 kg/dm（30.1 MPa），LNG的密度為0.43 kg/dm3，為得到相同的性能（壓頭和流量），使用液氮作為介質(zhì)的泵需要消耗兩倍的電機(jī)功率。可見使用液氮測試，電機(jī)不能達(dá)到LNG為介質(zhì)測試時(shí)的額定電流，泵不能在額定轉(zhuǎn)速下測試。因此泵將運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速工況下。可以使用“關(guān)聯(lián)規(guī)則”，按式(2)和式(3)來預(yù)測額定轉(zhuǎn)速的性能曲線[2-3]。

式中：Q為流量，l/min，直接從出口管路流量計(jì)測得。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)組成

增壓輸送模塊的工作介質(zhì)是-196℃的LNG，而天然氣為易燃易爆氣體，對增壓輸送模塊進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)禁使用可燃的危險(xiǎn)氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)，因此只能使用相對穩(wěn)定的惰性氣體，一般試驗(yàn)介質(zhì)采用液氮。液氮用于測試流體是因?yàn)槠淠苣M任何低溫液體卻又沒有發(fā)生燃爆的危險(xiǎn)。當(dāng)然，液氮滲漏或?qū)е碌蜏貍Γ鋵倏煽仫L(fēng)險(xiǎn)，常規(guī)的防滲漏措施即可安全使用液氮。無論如何，試驗(yàn)場地須經(jīng)安監(jiān)部門的認(rèn)可。

試驗(yàn)所需的設(shè)備和儀表有：液態(tài)介質(zhì)（液氮）儲(chǔ)罐、安裝在泵池內(nèi)的待試潛液泵、壓力表、溫度表、流量調(diào)節(jié)閥、變頻器及控制柜、流量計(jì)和顯示儀表等。

試驗(yàn)的P&ID測試系統(tǒng)圖見圖3，該圖完整地表示了各設(shè)備、測量儀器儀表、管路和閥門的連接方式。

圖3 P&ID測試系統(tǒng)圖

連接法蘭之間均需安裝石墨金屬或四氟乙烯墊片，管接頭采用低溫四氟乙烯纏繞帶，保證系統(tǒng)的整體氣密性能。

1.3 試驗(yàn)的方法和步驟

在 LNG增壓輸送模塊使用前，先以氮?dú)鈱苈泛捅贸剡M(jìn)行吹掃，并進(jìn)行密性試驗(yàn)，確保整個(gè)模塊管路、閥門和連接處均無泄漏。

在正式試驗(yàn)前潛液泵需要進(jìn)行預(yù)冷，保證其部件和線圈溫度以及泵池內(nèi)溫度已達(dá)到規(guī)定要求。

預(yù)冷流程如下：

1）打開輸送模塊進(jìn)液閥（LV151）和回氣閥（LV152至儲(chǔ)罐閥）。低壓流體開始自然循環(huán)。泵池開始充滿液體，氣體從回氣管路流回儲(chǔ)罐。

2）模塊上其它控制閥必須全關(guān)。

3）等安裝在回氣管路上的PT100溫度表檢測達(dá)到設(shè)定溫度（-130℃）。維持該溫度至少15 min。

性能試驗(yàn)流程如下：

1）設(shè)置控制柜內(nèi)變頻器頻率值到選定值然后啟動(dòng)潛液泵。

2）調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥到選定流量。

3）當(dāng)流量穩(wěn)定后按顯示儀指示觀察流量值，并觀察進(jìn)出口壓力表值和控制柜上電壓電流值。

4）在液氮性能測試數(shù)據(jù)表格中記錄數(shù)據(jù)。

操作流量調(diào)節(jié)閥改變工作點(diǎn)維持相同頻率（轉(zhuǎn)速）。

按上述的原理、系統(tǒng)和方法、步驟，最終確定整個(gè)試驗(yàn)大綱與詳盡方案，全部試驗(yàn)均須嚴(yán)格按其執(zhí)行。

2 LNG 增壓輸送模塊性能試驗(yàn)

從試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性考慮，采用槽車作為試驗(yàn)用LNG儲(chǔ)罐，進(jìn)行LNG增壓輸送模塊的性能試驗(yàn)，根據(jù)上述制定的試驗(yàn)方法和步驟進(jìn)行密性試驗(yàn)、預(yù)冷和性能試驗(yàn)，試驗(yàn)中利用變頻器的恒壓控制性能來考核潛液泵的變流量穩(wěn)壓性能，即變頻器通過模塊出口壓力信號(hào)來實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)潛液泵的轉(zhuǎn)速，以保證模塊輸出LNG的壓力穩(wěn)定。

密性試驗(yàn)時(shí)關(guān)閉模塊所有管路閥門，將氮?dú)饨尤肽KN2輸入口，模塊上壓力表指示壓力達(dá)到模塊設(shè)計(jì)壓力值時(shí)，關(guān)閉N2輸入口閥門，在所有管接頭，閥門連接處涂肥皂水，觀測有無泄漏，靜置模塊24 h并觀測壓力表讀數(shù)變化。

預(yù)冷時(shí)關(guān)閉模塊出口閥門，回氣閥門略開，當(dāng)回氣管路有液氮流出時(shí)，觀測模塊溫度表指示，保持泵池內(nèi)溫度低于-130℃大約15 min，確保潛液泵泵體和電機(jī)充分冷卻。

性能試驗(yàn)時(shí)，泵啟動(dòng)后逐漸打開出口流量調(diào)節(jié)閥（流量調(diào)節(jié)閥的開度曲線要平緩，以保證閥調(diào)節(jié)時(shí)流量變化的穩(wěn)定性），流量調(diào)節(jié)要緩慢平穩(wěn)，觀測模塊進(jìn)出口壓力、流量值和電壓電流值。試驗(yàn)時(shí)注意電機(jī)頻率，由于液氮和LNG相差約2倍，因此液氮試驗(yàn)時(shí)電機(jī)工作頻率宜為額定頻率的一半。

2.1 試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

1）由于液氮是超低溫，所以試驗(yàn)時(shí)候注意安全防護(hù)，防止凍傷。

2）LNG為可燃易爆氣體，試驗(yàn)前輸送模塊必須進(jìn)行密性試驗(yàn)，密性試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)介質(zhì)采用氮?dú)鈦頇z測整個(gè)模塊的氣密性。

3）LNG增壓輸送模塊的試驗(yàn)液氮用量一般不大，因此使用儲(chǔ)罐供氣的經(jīng)濟(jì)性較差，試驗(yàn)時(shí)可以采取液氮槽車供氣的方式。但槽車只能單向出液或進(jìn)液，因此模塊的回氣管路和供液管路無法連接回槽車，只能直接外排，見圖4和圖5。

4）當(dāng)選用槽車，回氣和供液直接外排時(shí)（開式循環(huán)），需要注意安全防護(hù)。使用開式循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只有當(dāng)回氣口有液氮排出才能啟動(dòng)泵。

5）由于變頻器啟動(dòng)時(shí)電磁干擾嚴(yán)重，因此泵組和周邊測量儀器儀表需用屏蔽電纜和隔離模塊，防止信號(hào)傳輸故障。

6）使用LNG介質(zhì)時(shí)，模塊所有電纜都采用防爆套管和防爆接頭，并接好各設(shè)備接地線，防止爆炸事故。

7）流量調(diào)節(jié)閥的操作要緩慢，保證流量平穩(wěn)上升或下降。

8）試驗(yàn)結(jié)束后，需要用氮?dú)鈱ο到y(tǒng)管路進(jìn)行吹掃，將殘余液氮吹出，防止泵池內(nèi)水分凝結(jié)。

2.2 關(guān)鍵問題的解決

模塊試驗(yàn)的關(guān)鍵過程一是超低溫試驗(yàn)，二是保證模塊輸出流量的穩(wěn)定。

1）超低溫試驗(yàn)

試驗(yàn)用液氮為介質(zhì)模擬LNG的低溫狀態(tài)，模塊有低溫絕緣包覆，但試驗(yàn)管路無防護(hù)，因此試驗(yàn)操作時(shí)要注意人員防護(hù)。試驗(yàn)采用槽車作為儲(chǔ)罐時(shí)，回氣管路和出液管路均處于空放狀態(tài)，此時(shí)要注意出口有液氮噴出。潛液泵啟動(dòng)前必須先預(yù)冷，在回氣口有液氮溢出的情況下表明潛液泵已完全浸沒在泵池中，此時(shí)才能啟動(dòng)泵。

2）穩(wěn)定的流量輸出

模塊性能試驗(yàn)的主要目的是在調(diào)節(jié)流量的時(shí)候保證出口壓力的恒定，除了泵自身的性能外，管路流量的穩(wěn)定是一個(gè)關(guān)鍵。如果管路流量發(fā)生大幅波動(dòng)，模塊出口的壓力將會(huì)隨之劇烈波動(dòng)，從而影響試驗(yàn)的進(jìn)行。由于采用外部循環(huán)方式試驗(yàn)，當(dāng)潛液泵運(yùn)行時(shí)，模塊進(jìn)口的流量必須保證充足，避免泵瞬時(shí)吸空。此時(shí)需要采用減小回氣管路閥門開度，進(jìn)液管路閥門開度最大，出液管路閥門關(guān)小的措施來避免泵吸空，達(dá)到輸出流量穩(wěn)定的目的。

圖4 LNG增壓輸送模塊現(xiàn)場試驗(yàn)

圖5 LNG增壓輸送模塊現(xiàn)場應(yīng)用

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

嚴(yán)格按前述的各項(xiàng)試驗(yàn)大綱、要求和步驟成功地對我司所研制的增壓輸送模塊進(jìn)行了所設(shè)定的產(chǎn)品試驗(yàn)，將作為試驗(yàn)結(jié)果的差壓數(shù)據(jù)通過壓頭計(jì)算公式得到壓頭數(shù)值，其性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖6。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以畫出流量-壓差曲線（圖 7）和流量-效率曲線（圖8）。

圖6 LNG增壓輸送模塊性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 流量-壓差曲線

圖8 流量-效率曲線

其中虛線為期望值（理論值），表示模塊理論計(jì)算的壓差曲線和效率曲線；實(shí)線為實(shí)測值，表示根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的壓差曲線和效率曲線。

從流量-壓差曲線圖中可以看出，LNG增壓輸送模塊的壓差隨著流量的增加下降斜率較平緩，在整個(gè)測試流量范圍內(nèi)，壓力變化范圍小于 4%，實(shí)測壓力提升將近3 MPa，高于理論數(shù)值，超過了性能要求達(dá)到2 MPa的要求。另外，LNG增壓輸送模塊的工作要求就是在流量改變的情況下能夠保證穩(wěn)定的壓力輸出，測試結(jié)果表明模塊的壓頭變化在整個(gè)流量范圍內(nèi)均較平穩(wěn)，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，而且泵的效率曲線也能達(dá)到理論要求。

3 結(jié)論

根據(jù)LNG增壓輸送模塊的試驗(yàn)方法進(jìn)行的試驗(yàn)及其最終所獲數(shù)據(jù)表明了中國船舶電站設(shè)備有限公司研制產(chǎn)品的這一試驗(yàn)方法是可行的，能充分反應(yīng)模塊和泵在超低溫環(huán)境下的的性能參數(shù)，達(dá)到試驗(yàn)的預(yù)期要求結(jié)果。試驗(yàn)的方法簡便可靠，對場地和設(shè)備的要求相對較低，試驗(yàn)的成本得到了可靠的控制，試驗(yàn)效果也完全能滿足要求。

在清潔能源日益普及的今天，LNG的需求量越來越大，LNG增壓輸送模塊的用途從向發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料同時(shí)向管道輸送、城市供氣等領(lǐng)域拓展。如何安全、經(jīng)濟(jì)并可靠地對模塊進(jìn)行試驗(yàn)測試，正是本文所述內(nèi)容。該性能試驗(yàn)方法或可給模塊生產(chǎn)廠家提供新的試驗(yàn)方法，它的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和便捷程度應(yīng)能帶來巨大的實(shí)際效益和發(fā)展空間。