深冷大流量LNG高壓外輸泵的自主研發(fā)

畢曉星 陳海平 黃 宇 萬學(xué)麗

1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 2.大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司

0 引言

我國天然氣進(jìn)口的方式主要為管道氣和LNG。截至2019年4月，我國沿海共有LNG接收站21座，總接收能力為8 862×104t/a，未來規(guī)劃能力超過2×108t/a[1-3]。因此，LNG接收和再氣化裝置關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化就顯得重要而迫切。

大型LNG高壓外輸泵是LNG接收站的核心設(shè)備之一，其作用是將從儲(chǔ)罐出來的低壓LNG進(jìn)行增壓，送入氣化器，從而實(shí)現(xiàn)LNG的氣化外輸[4]。目前，國際上高壓泵技術(shù)被EBARA和NIKKISO公司壟斷。我國大型LNG高壓外輸泵長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，存在著交貨期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴、維修成本高、售后服務(wù)不及時(shí)等問題，嚴(yán)重制約了我國LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5]。因此，大型LNG高壓外輸泵的國產(chǎn)化研制，對(duì)于打破國外技術(shù)壟斷、降低運(yùn)營成本、實(shí)現(xiàn)我國LNG接收站建設(shè)的自主化都具有重要的意義。

1 LNG高壓外輸泵國產(chǎn)化研制

LNG高壓外輸泵通常安裝于LNG接收站工藝區(qū)，分為半地坑式與地面式兩種類型。泵的結(jié)構(gòu)形式為立式多級(jí)，泵與電機(jī)共軸，一同安裝在吸入筒體內(nèi)[6]。泵組密封采用貫穿接頭，將電機(jī)導(dǎo)線與外部動(dòng)力電纜、測(cè)振探頭與外部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行連接并密封，保證電力及信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，實(shí)現(xiàn)了泵內(nèi)LNG介質(zhì)的密封，提高了運(yùn)行的安全性[7]。

2019年以前，國內(nèi)在大型LNG接收站用LNG高壓泵的研制方面尚屬空白，已經(jīng)建成或在建的LNG接收站高壓泵均為進(jìn)口[8]。中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“氣電集團(tuán)”）以LNG罐內(nèi)低壓泵研究成果為基礎(chǔ)[9]，聯(lián)合中海浙江寧波液化天然氣有限公司（以下簡(jiǎn)稱“浙江LNG”）、大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“大連深藍(lán)”）開展LNG高壓泵自主化研制與新技術(shù)開發(fā)，提高氣電集團(tuán)在LNG產(chǎn)業(yè)鏈上的核心設(shè)備國產(chǎn)化程度，增強(qiáng)業(yè)務(wù)開拓與設(shè)備采購中的自主性，夯實(shí)其在國內(nèi)LNG行業(yè)的領(lǐng)軍地位。

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合進(jìn)口LNG泵的運(yùn)行特點(diǎn)[10]，開展全新水力模型設(shè)計(jì)，對(duì)部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行優(yōu)化。開展大型鋁合金件鍛造工藝和熱處理工藝研究，以及大流量、高揚(yáng)程、大功率泵的全速全流量測(cè)試技術(shù)研究，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 LNG高壓外輸泵及其電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合EBARA、NIKKISO、CARTER等公司已投用設(shè)備的運(yùn)行情況[11]，LNG高壓外輸泵采用泵與電機(jī)共軸的結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)直接浸沒在LNG介質(zhì)中，利用LNG進(jìn)行冷卻，使電動(dòng)機(jī)一直處于冷態(tài)，且不需要防爆，增加了運(yùn)行的安全性。轉(zhuǎn)子采用多點(diǎn)軸承支撐結(jié)合的方式，軸承利用輸送的LNG進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，葉輪采用分瓣卡環(huán)、鎖緊螺母定位，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性且便于用戶運(yùn)行操作[12]。裝置的軸向力平衡采用自平衡推力盤結(jié)構(gòu)，減小了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的推力負(fù)荷。國產(chǎn)樣機(jī)與進(jìn)口設(shè)備對(duì)比如表2所示。

表2 國產(chǎn)樣機(jī)與進(jìn)口設(shè)備對(duì)比表

1.3 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.3.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析

LNG高壓外輸泵的工作溫度為低溫（－162 ℃），其轉(zhuǎn)子部件在低溫作用下會(huì)發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致泵卡死不能正常運(yùn)行[13]。為了保證泵組在低溫下的正常運(yùn)行，需要對(duì)泵組結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，模擬過程如圖1、2所示。轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算需要考慮軸、葉輪、誘導(dǎo)輪、電機(jī)、阻尼、平衡盤等質(zhì)量分布與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及不同轉(zhuǎn)速下低溫介質(zhì)支撐液膜剛度。通過開展水力模擬分析，從理論方面驗(yàn)證水力模型的準(zhǔn)確性[14]，模擬結(jié)果表明該高壓泵外輸泵設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目運(yùn)行要求，具備下一步加工制造的條件。

1.3.2 軸向力平衡

泵和電機(jī)共用一根軸，泵的軸向力平衡與否是影響泵的部件使用壽命的主要因素[15]。LNG高壓外輸泵的工作溫度低，工作環(huán)境苛刻。為確保LNG高壓外輸泵在低溫條件下工作的穩(wěn)定性與可靠性，可以采用軸向力平衡裝置，延長(zhǎng)軸和軸承等關(guān)鍵零部件的使用壽命[16]。該泵采用能夠連續(xù)調(diào)節(jié)平衡軸向力的平衡裝置，以及自主研發(fā)的小半徑推力盤平衡機(jī)構(gòu)，通過對(duì)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，確保了全流量范圍內(nèi)軸向力的自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡和軸承的零推力負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了泵體和軸承的使用壽命。

1.3.3 安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)

為了對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行有效的評(píng)估，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)[17]。目前，LNG高壓外輸泵的安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)主要分為振動(dòng)監(jiān)測(cè)、液位監(jiān)測(cè)、壓力監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等[18]。

1.3.3.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在靠近中間軸承位置的殼體上，設(shè)置有振動(dòng)加速度計(jì)，監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)，保證安全可靠運(yùn)行。

1.3.3.2 液位監(jiān)測(cè)

在泵吸入筒體上，分別設(shè)置導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)與差壓液位計(jì)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)筒體內(nèi)液位，保證泵吸入液體充足，防止泵的抽空造成嚴(yán)重的損壞。

1.3.3.3 壓力監(jiān)測(cè)

在貫穿接頭壓力保護(hù)腔處，分別設(shè)置有壓力變送器，時(shí)刻監(jiān)測(cè)泵內(nèi)或大氣側(cè)是否有泄漏，保證泵組的安全運(yùn)行。

1.3.3.4 溫度監(jiān)測(cè)

在吸入筒體上，在不同高度位置分別設(shè)置有溫度傳感器，在泵預(yù)冷時(shí)，用以判斷冷卻狀態(tài)，在運(yùn)行過程中，輔助監(jiān)測(cè)筒體內(nèi)的液位。

1.3.4 變頻技術(shù)應(yīng)用

隨著國內(nèi)多座LNG接收站投產(chǎn)運(yùn)行，在生產(chǎn)運(yùn)營和節(jié)能降耗方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)[19]。本項(xiàng)目在LNG高壓泵上增加高壓變頻裝置，避免了設(shè)備啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電機(jī)的沖擊，在非滿負(fù)荷運(yùn)行條件下自動(dòng)調(diào)速，有效降低設(shè)備能耗，是實(shí)現(xiàn)接收站綠色發(fā)展的重要方式之一。

2 性能測(cè)試

2.1 水力性能測(cè)試

為了檢驗(yàn)不同流量下的泵性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，全新設(shè)計(jì)制造了電機(jī)外掛式的試驗(yàn)工裝，對(duì)其在泵轉(zhuǎn)速為2 960 r/m下的水力、汽蝕、泵停及機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)試，得到了水力性能測(cè)試數(shù)據(jù)（表3）。其結(jié)果表明，LNG高壓外輸泵滿足設(shè)計(jì)要求（表1）。

表3 水力性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

2.2 液氮（LN2）低溫性能測(cè)試

LNG高壓外輸泵對(duì)安全性的要求極高，泵和電機(jī)在低溫條件下運(yùn)行，因此需對(duì)泵進(jìn)行低溫條件下的性能測(cè)試，通過測(cè)試檢驗(yàn)LNG高壓外輸泵在低溫條件下運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。LNG潛液泵輸送的介質(zhì)為低溫液化天然氣，考慮到成本和安全問題，試驗(yàn)介質(zhì)采用低溫LN2。在常壓下，LN2溫度為－196 ℃，密度（ρ）為808.3 kg/m3，動(dòng)力黏度（μ）為1.8×10－4Pa·s，其動(dòng)力黏度與LNG的動(dòng)力黏度相近，密度約為L(zhǎng)NG的兩倍。工廠內(nèi)開展液氮介質(zhì)測(cè)試如圖3所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 LN2性能測(cè)試數(shù)據(jù)表

2.3 工業(yè)化測(cè)試

為了準(zhǔn)確試驗(yàn)泵的各項(xiàng)性能，判斷是否能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行要求，國產(chǎn)首臺(tái)LNG高壓外輸泵在浙江LNG完成安裝調(diào)試（圖4），開展了工業(yè)實(shí)流性能測(cè)試。

結(jié)果表明：泵整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，無異常聲響。振動(dòng)值在流量設(shè)計(jì)工況點(diǎn)409 m3/h時(shí)振動(dòng)最小，基本與廠內(nèi)測(cè)試時(shí)0.6～0.8 mm/s的振動(dòng)值相當(dāng)，且均不高于1.0 mm/s，滿足設(shè)計(jì)要求。流量在157～305 m3/h的小流量區(qū)域，振動(dòng)值相對(duì)較大；流量在157 m3/h時(shí)，振動(dòng)數(shù)值約為1 mm/s；流量在305～433 m3/h區(qū)域，振動(dòng)值變小，介于0.7～0.8 mm/s。

泵的揚(yáng)程、軸功率及效率計(jì)算公式如下[20]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的壓力、液位、功率等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到泵的揚(yáng)程、泵的軸功率及泵的效率。

式中H表示泵的實(shí)測(cè)揚(yáng)程，m；p1、p2分別表示泵的入口壓力和出口壓力，MPa；ρ表示介質(zhì)密度，取429 kg/m3；Pz、Ps分別表示泵的軸功率和實(shí)測(cè)功率，kW；φ表示電機(jī)的功率因素，取0.876；ηd表示電機(jī)效率，取93.6%；η表示泵的實(shí)測(cè)效率；Q表示實(shí)測(cè)流量，m3/h；g表示重力加速度，m/s2。

將LNG高壓外輸泵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（表5）、LN2性能測(cè)試數(shù)據(jù)（表4）與水力性能測(cè)試數(shù)據(jù)（表3）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

表5 LNG高壓外輸泵實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表

由圖5可知，LNG高壓外輸泵在2 960 r/m轉(zhuǎn)速下實(shí)際運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的各流量點(diǎn)包含在工廠測(cè)試流量范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各流量下的揚(yáng)程與工廠測(cè)試得到的流量—揚(yáng)程曲線基本吻合，僅在流量較小時(shí)，揚(yáng)程有一定的偏差，隨著流量的增大，偏差逐漸減小。以LNG為介質(zhì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各流量下的軸功率與工廠測(cè)試得到的流量—軸功率曲線基本吻合，偏差隨著流量的增大略有增大。以LNG和LN2為介質(zhì)時(shí)泵的效率高于同轉(zhuǎn)速下以水為介質(zhì)時(shí)泵的效率，主要原因是以水為介質(zhì)的性能測(cè)試采用電機(jī)外掛的方式進(jìn)行，此時(shí)的機(jī)械效率低于完全處于LNG和LN2低溫介質(zhì)下測(cè)試的效率。

圖6為現(xiàn)場(chǎng)LNG測(cè)試值與規(guī)格書要求值的對(duì)比圖，由圖可知，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的流量—揚(yáng)程曲線，除小流量區(qū)域外，其余流量下基本能夠在規(guī)格書中要求的流量揚(yáng)程允許偏差的0～2%范圍內(nèi)。

2.4 國內(nèi)外設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對(duì)比

國產(chǎn)設(shè)備各項(xiàng)性能滿足規(guī)格書的要求，其主要指標(biāo)達(dá)到同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，其中效率指標(biāo)達(dá)到進(jìn)口泵同等水平，振動(dòng)指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口泵（表6）。

表6 國內(nèi)外設(shè)備運(yùn)行參數(shù)對(duì)比表

3 結(jié)論

國產(chǎn)首臺(tái)LNG高壓外輸泵完成了水力性能分析、LN2低溫測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化測(cè)試，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果表明，該泵整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，無異常聲響，滿足浙江LNG項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。針對(duì)超低溫工況，攻克了低溫泵設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)，形成了一套低溫高壓多級(jí)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及可靠性分析方法。本成果通過中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)與中國通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，其主要的技術(shù)指標(biāo)與國際同類產(chǎn)品相比，已達(dá)到了國際先進(jìn)水平，打破了國外對(duì)于低溫高壓多級(jí)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)LNG高壓外輸泵技術(shù)的空白。

國內(nèi)石油公司、高校、制造廠家通過加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，歷經(jīng)十年技術(shù)攻關(guān)，擺脫受制于人的被動(dòng)局面，積極推動(dòng)LNG接收站核心設(shè)備國產(chǎn)化。LNG高壓外輸泵實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化后，較進(jìn)口設(shè)備投資節(jié)省30%以上，供貨周期縮短6個(gè)月，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，為我國LNG項(xiàng)目的建設(shè)及運(yùn)營提供了后備力量，保證了我國重大裝置關(guān)鍵設(shè)備的自主化，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。