LNG接收站高壓泵加級研究

王衛曉

北京燃氣集團天津液化天然氣應急儲備項目部，天津 300399

隨著我國天然氣消費能力的逐年提升，天然氣需求量劇增，至今我國天然氣仍然存在著巨大缺口。LNG接收站作為管道氣的有利補充，在天然氣保供中發揮著重大作用。2018年以來，根據國家發改委加快天然氣基礎設施建設的要求，LNG接收站建設呈增長趨勢。高壓泵是LNG接收站中的重要設備，主要作用是將來自儲罐的低壓LNG加壓至外輸壓力，輸送到氣化器氣化后外輸，其運行的可靠性對接收站的整個工藝流程至關重要。接收站外輸壓力受下游影響較大，通常在近期和遠期有較大差異，為了滿足不同時期LNG接收站的外輸壓力需求，LNG高壓泵通常采用拆級設計的方式，近期低壓力運行時，高壓泵采用較少的葉輪級數運行，遠期壓力升高時，通過在高壓泵內部預留的位置增加葉輪，使高壓泵達到更高的外輸壓力，滿足下游用戶需求。采用高壓泵拆級設計，可以節約設備占地面積，還可以避免設備的重復投資，從而避免造成浪費[1-3]。

1 高壓泵設備組成

以沿海北部某接收站為例，高壓泵為電動多級離心泵，采用拆級設計，總共12級，12級泵總質量為8.3 t，其中第3、5、11級為預留級，額定流量340 m3/h，額定功率836.4 kW，9級運行時出口壓力5.5 MPa，至接收站外輸界區壓力4.9 MPa，12級運行時出口壓力7.1 MPa，至接收站外輸界區壓力6.5 MPa。接收站初期高壓泵9級運行，隨著下游市場的開發，根據下游市場需求，需要增加高壓泵剩余3級葉輪，將出口壓力提升至7.1 MPa，截至高壓泵加級前，高壓泵僅運行300 h。

高壓泵本體主要包括：泵蓋、電動機、泵軸、葉輪、外殼擴散器、推力平衡機構、誘導輪等，與高壓泵配套的設施還包括：泵筒、電氣接線箱、儀表接線箱、電氣貫穿接頭、儀表貫穿接頭以及振動監測系統，見圖1。泵筒通常采取埋地或架空設置，外部采用PIR（聚異三聚氰酸酯）進行保冷，厚度約203 mm，通過進出口法蘭與外部管道連接。泵與電動機整體安裝于泵筒內，通過泵蓋上的螺栓與泵筒連接。電氣貫穿接頭和儀表貫穿接頭處使用氮氣進行密封，防止泄漏的天然氣與電火花接觸引起爆炸[3-5]。

圖1 高壓泵本體

高壓泵與接收站工藝系統的管道接口主要有：LNG吸入口、排出口、放空口、LNG預冷口。電氣與儀表和接收站系統的接口分別位于電氣接線箱和儀表接線箱的上端子。公用工程和接收站系統的接口位于電氣貫穿接頭和儀表貫穿接頭的氮氣管道法蘭處[6]。

2 高壓泵加級過程

高壓泵加級的整個過程包括以下幾個階段：高壓泵停泵，高壓泵泵筒吹掃，高壓泵泵蓋上部保冷材料拆除，拆卸管道連接及電氣儀表連接并提泵，將泵運輸至車間，車間內泵拆解、增加葉輪、泵組裝，將泵從車間運輸到現場重新安裝，對回裝后的泵體蓋板法蘭連接、管道法蘭連接、儀表連接處進行氦氣檢漏，更改接收站和管道相關報警參數，預冷、進液[7-9]。

由于高壓泵的提泵與回裝是在接收站工藝區內進行，施工風險相對較高，施工前必須做好JSA分析。為保證提泵與回裝泵過程的順利進行，需提前準備好相關設備與機具，并反復核查確保無遺漏，主要設備與機具見表1。

表1 主要施工設備與機具

2.1 提泵前的準備工作

高壓泵停泵后，在變電所斷開高壓泵供電開關并上鎖，防止人員誤操作，關閉與高壓泵連接的所有工藝系統閥門（包括預冷管道、進液管道和排出管道上的閥門），利用金屬軟管連接工藝區高壓泵旁的氮氣管道對高壓泵泵筒進行吹掃，將泵筒內殘留的LNG吹掃到BOG放空管道中去，利用可燃氣體報警儀在BOG管道距離高壓泵附近的一個安全閥檢修閥門處監測天然氣含量，當檢測不到天然氣時，關閉高壓泵放空口BOG管道上的閥門。利用氮氣持續吹掃，使高壓泵慢慢恢復至環境溫度。

在高壓泵開始拆除前搭設施工操作平臺，在保冷拆除、泵拆除與回裝時使用。待高壓泵恢復至環境溫度后，拆除高壓泵泵蓋及泵蓋管道上的保冷材料，其余部位保冷材料無需拆除，因為提泵僅需松開泵蓋與泵筒的連接螺栓即可將泵整體提出。保冷拆除后必須仔細清掃泵蓋上殘留的保冷材料碎末，防止提泵時落入泵筒內，造成高壓泵運行損壞。

保冷拆除后，在電氣貫穿接頭和儀表貫穿接頭處泵側一端，松開貫穿接頭法蘭上的連接螺栓，斷開高壓泵的電氣連接和儀表連接，之后拆除貫穿接頭上連接的氮氣吹掃管道。因為電氣貫穿接頭較重，拆除時需使用吊車吊住電氣貫穿接頭的吊耳，拆除完畢后，需將電氣貫穿接頭放置在操作平臺上，不能擱置在地面上，因為電氣貫穿接頭連接的電纜具有一定的彎曲半徑，擱置在地面上容易造成電纜彎曲半徑過大，使其損壞。儀表貫穿接頭線纜直徑較小，彎曲半徑較大，因此可以完全放置在平臺或地面上。電氣與儀表貫穿接頭拆除后，必須用潔凈的塑料布包裹，防止塵土或濕氣進入，同時泵側電氣與儀表線纜斷開的接頭需用絕緣塑料帶進行纏繞，并用繩子綁在一起，將繩子另一端綁在接口法蘭上，防止接頭被破壞或線纜滑落到泵體內。拆除泵蓋與各工藝管道連接管口的螺栓，使高壓泵與工藝系統隔離，拆除完使用預先準備好的盲板封堵各工藝管道接口，防止天然氣泄漏。另外，高壓泵泵蓋上的所有接口用潔凈塑料布包裹[10-12]。

2.2 提泵

提泵前，需在高壓泵附近空地處搭設中間鏤空的腳手架平臺，高度需滿足拆除泵蓋的需要，四周的跳板需滿足同時站立兩人的要求，方便人員操作。確認泵筒內壓力與外界壓力一致且泵筒溫度已恢復至常溫，松開泵蓋與泵筒連接的螺栓。

選用泵蓋自帶的4個吊耳實施吊裝，選用1臺25 t汽車吊。吊裝時，2處吊耳系掛5 t手動葫蘆，2處直接系掛吊裝帶，使用2個手動葫蘆進行初找平，吊起泵體約20 mm再進一步找平，直至泵體完全垂直，目測檢查泵體與泵筒是否無接觸，慢慢將泵體吊出泵筒并移至地面，此過程中泵體不應與泵筒發生磕碰，泵離開泵筒后，立即用塑料布蓋住泵筒，防止泵蓋放回前有異物進入泵筒。將泵體放入已搭設好的腳手架內（如圖2所示），固定牢靠，不摘除吊鉤，將泵蓋與泵體連接螺栓拆除，拆除泵體上固定的振動探頭，將泵蓋與泵筒間的密封環取下，妥善保存，防止運輸過程中丟失。將泵蓋與泵筒間的金屬纏繞墊慢慢取下，取下時需特別注意，防止碎片（因承受泵蓋的預緊力，金屬纏繞墊已被壓碎）掉入到泵筒中。將泵蓋放回泵筒上，穿入正式螺栓臨時緊固，并用塑料布做封口處理。

圖2 腳手架內高壓泵

泵的相關部件拆卸完成后將泵吊裝到板車前，需要在平板車上準備好木質工裝。為方便泵的固定，木質工裝根據泵型制作，防止運輸過程中泵發生移動造成損壞。使用廠家專用工具中的2個吊環，將其安裝在泵體頂部；另外自行準備吊帶，將其綁在泵體中間重心部位。選用兩臺25 t吊車，一臺的吊鉤與頂部吊環連接，另一臺的吊鉤與中部吊帶連接，兩臺25 t吊車同時起吊，如圖3所示，泵體在空中慢慢調整至水平狀態，再平移至板車上的木質工裝上。

圖3 高壓泵吊裝

泵放置時，要求泵殼體承重（如圖4所示），而不是泵的出液管承重，否則出液管會被壓壞。放置泵的木板上需墊上棉被，防止運輸中磕碰。泵放置好后，四周用綁帶綁好出口和底部入口，要用塑料布封住，防止運輸中進入雜質[13-14]。

圖4 高壓泵在板車上放置

2.3 車間加級

高壓泵拆解車間需要保持一定的封閉性，控制塵土和濕度，防止高壓泵內部部件被污染。重新組裝前需準備好高壓泵需要替換的備件，如表2所示。高壓泵加級需要將高壓泵拆解后，更換易損件、軸承和增加預留的三級葉輪后，再重新組裝。

表2 備件列表

高壓泵運抵車間后，通過車間軌道吊車的兩個吊鉤分別吊住高壓泵前部兩個和后部兩個吊環，慢慢轉體，使高壓泵成豎直位置，出口處著地并固定，如圖5所示；其次，拆除高壓泵回流管、底部軸承保持架、底部軸承、底部泵殼體；然后，逐級拆卸擴散器和葉輪直至推力平衡裝置，每級擴散器和葉輪均用記號筆編號并依次排列，以便回裝時，均能回裝到原始位置；最后，在第3、5、11預留級加上葉輪并按順序放到指定位置。拆卸過程中，如果拆卸十分費力，可采用均勻加熱泵擴散器殼體的方式，但加熱溫度不能太高，一般控制在50℃左右。另外需注意，拆卸過程中不能使用螺絲刀等尖銳的物體撬動法蘭面，避免將其損壞，可以使用橡膠或塑料材質的錘子輔助拆卸。每級擴散器吊起時，需注意不要破壞軸瓦和耐磨環。依次拆除泵的各級擴散器和葉輪，直至TEM級葉輪。使用廠家特殊工具防松螺母板手裝置從TEM葉輪上拆除軸承防松螺母和軸承鎖緊墊圈，同時用軸夾持工具夾持固定軸，防止軸轉動，影響螺母和墊圈的拆卸。拆除TEM葉輪后，依次拆除推力平衡盤和主軸承。拆除主軸承時同樣需要廠家特殊工具防松螺母板手，拆除程序與拆除TEM葉輪相同，為協助拆除軸承防松螺母、軸承鎖緊墊圈和軸承墊圈，可略微吊起軸以去掉軸承防松螺母上的壓力，但不得將整個泵機組吊起[15-16]。

圖5 高壓泵車間內固定

泵主體部分拆卸完畢后，拆除電機外殼。需要注意的是：電機外殼總成和主軸承外殼總成需一起拆卸，拆卸時可先用火焰對主軸承殼體與出液管的連接處加熱以便于拆卸，如圖6所示。用吊機提起電機外殼和主軸承外殼總成時，用手將電機引線緩慢地從泵殼上的引線穿入管送出，防止提起過程中電機引線被拉斷。電機外殼周圍均布6根出液管，電機外殼拆除完成后，用記號筆將6根管道分別編號，拆下后依次排列，同時在殼體上也用記號筆在出液管對應位置處編號，以便回裝時能一一對應。

圖6 火焰加熱

電機外殼拆除后，去除上部軸承上的軸承保持架，在軸上部安裝吊環，將軸從電機架中吊出，此時上部軸承仍與軸連接在一起，吊出后用平板扳手夾住軸，如圖7所示，用防松螺母板手拆除上軸承上的軸承鎖緊墊圈和軸承放松螺母，將上部陶瓷軸承取下。

圖7 拆卸上軸承

由于泵運行一段時間后，泵中各部件存在著部分碎末狀雜質，使用壓縮空氣吹去泵各部件上的雜質，用提前準備好的備件依次更換，如果軸承經檢查可以繼續使用，則使用90%煤油和10%渦輪機油混合物清洗軸承，也可以使用柴油清洗軸承，去除軸承內的雜質。待所有備件更換完后，將泵重新組裝。因為泵運轉時間剛剛達到300 h，因此無需做葉輪耐磨環磨損程度檢查和軸的徑向跳動檢查[17-18]。

2.4 泵回裝

將泵運輸至現場后，首先將泵放在腳手架內，安裝泵蓋與泵之間的密封環；然后將泵蓋與泵連接，安裝兩個振動探頭，要安裝牢靠；同時注意線纜不要損壞，以免造成后續振動值偏離過大或無讀數。更換泵蓋與泵筒間的金屬纏繞墊，再次確認泵筒內的潔凈度，然后將泵整體回裝至泵筒內，將泵筒與泵體的連接螺栓緊固到相應扭矩。

在電機三條連接的導線之間進行電阻絕緣測試，測試標準為2 500 V DC電壓下電阻＞40 MΩ。測試結果分別為6.3、3.73、7.4 GΩ，滿足要求。測試完成后，更換電氣貫穿接頭處金屬纏繞墊，連接電氣貫穿接頭，并將螺栓緊固到相應扭矩。同樣，更換儀表貫穿接頭處金屬纏繞墊，將振動探頭線纜與儀表貫穿接頭連接，并將螺栓緊固到相應扭矩。

將接收站系統與高壓泵之間的各條工藝管道分別連接，將儀表貫穿接頭與電氣貫穿接頭上的氮氣管道連接完成，連接好液位計，引出管上部法蘭。

所有管道連接完成后，對高壓泵泵蓋及連接的法蘭進行氦氣檢漏，測量方法為吸槍檢漏法，測量儀器為氦質譜檢漏儀。在高壓泵泵筒內充入氮氣和氦氣，氮氣壓力為0.6 MPa，氦氣體積分數＞10%，在所有連接的法蘭處及泵蓋墊片處用潔凈塑料布包裹，靜置24 h后，用檢測槍進行檢測。檢測標準為泄漏量≤1.0×10-6Pa·m3/s，檢測的結果為 8.0 × 10-7Pa·m3/s，滿足要求[19]。

2.5 相關參數設定

增加葉輪后高壓泵揚程隨之增加，與高壓泵出口壓力相關聯的接收站工藝系統部分的設定值也需要隨之調整，包括高壓泵本身繼電器過流及欠流設定值、高壓泵出口壓力報警值、高壓泵下游浸沒式燃燒氣化器出口報警值，以及外輸總管上的壓力報警值。具體如表3所示。

參數設置完成后，吹掃高壓泵泵筒，直至露點-40℃；然后將高壓泵工藝系統相關閥門的開關狀態進行設定；完成設定后，打開預冷管道閥門開始預冷高壓泵，通過注入/排放法蘭連接處，以約1 in/min（1 in=25.4 mm） 的速度將液體注入泵筒。在冷卻期間，液體充滿泵筒前，不可將液體引至入口管道法蘭，防止低溫液體飛濺到泵的側面。預冷期間嚴格執行廠家的操作手冊，在不同液位靜置相應時間，預冷完成建立液位后即可啟動高壓泵，建立外輸工藝流程[20]。

表3 設定值調整

3 結論

（1）LNG高壓泵的加級工作涉及眾多步驟，項目實施過程中需要提前梳理高壓泵加級的各個細節，準備好加級工作所需的各種備件，合理安排施工工序，保障加級工作的工期和質量。

（2）因為LNG高壓泵拆裝時需要氮氣吹掃、置換、回溫等，需要時間較長，對LNG接收站整體運行影響比較大，因此需結合下游用氣情況提前規劃提泵和回裝泵窗口期。

（3）高壓泵運輸需制作木質模具，防止運輸過程中高壓泵滾動而造成損壞。高壓泵在車間內拆解應注意橡膠工具及火焰加熱的使用；每級葉輪及擴散器和電機周圍的6個出液管必須進行編號，便于回裝；高壓泵回裝完成后，需進行氦氣檢漏，以保證法蘭連接面及泵蓋的密封性，防止天然氣泄漏。

（4）總結了高壓泵提泵期間高壓泵所有與接收站界面管道、電氣及儀表的拆解工作及泵蓋拆解工作、車間內高壓泵拆解過程中的各個細節，以及泵回裝過程中的關鍵技術，可為今后國內LNG高壓泵開展加級工作提供指導。