国产海水泵在LNG接收站的应用

2016-07-25陈林斌水明星贾银凤

天然气技术与经济 2016年3期

关键词：接收站叶轮变频

陈林斌　水明星　贾银凤

（1.中国石油京唐液化天然气有限公司，北京　101100；2.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆　400700）

国产海水泵在LNG接收站的应用

陈林斌1水明星1贾银凤2

（1.中国石油京唐液化天然气有限公司，北京101100；2.重庆川仪自动化股份有限公司，重庆400700）

摘要为打破国外对LNG接收站海水泵关键技术的垄断，由我国自主研制的海水泵于2013年在唐山LNG接收站调试并投用。为此介绍了国产海水泵的结构形式、工作原理、冷却水系统和变频系统，对比了国内外海水泵的性能及设计参数，分析了国产海水泵在唐山接收站的应用情况。

关键词LNG接收站国产海水泵变频系统设计参数运行参数

0　引言

LNG接收站开架式气化器（ORV）的热源由海水提供，海水泵的作用是将海水输送至ORV气化LNG，供下游客户使用。海水泵是LNG接收站非常重要的设备之一，但其关键技术一直被国外生产商垄断［1］。由湖南耐普泵业有限公司生产的海水泵于2013年在唐山LNG接收站调试运行，标志着我国自主研制的国产海水泵正式进入国内LNG接收站，同时在实际运行中保持了良好的运行状态。海水泵的国产化对于LNG项目关键设备的投资和维护具有重要意义，笔者拟就国产海水泵的性能及运行情况作一介绍分析。

1　国产海水泵介绍

1.1机械结构和工作原理

国产海水泵的结构形式为立式长轴泵，叶轮级数为单级。该泵在泵外筒体不拆卸的情况下，转子可单独抽出体外进行检修。泵的进口滤网位置通常低于正常海平面5 m左右，泵的总长度为10～12 m。

海水泵采用耐海水腐蚀的材料，同时配备防止腐蚀的电极保护装置。海水是强电解质，不同金属在其中相互接触或配用时，由于各自电位不同，会使较低电位的金属溶解而加速腐蚀，电位较高的金属得到保护而减缓腐蚀［2］。正常情况下，泵轴与轴套、叶轮间不存在海水，但在运转过程中由于受到多种因素的影响，叶轮轴孔端面与轴套端面密封性能下降并进一步失效，海水会渗入泵轴与轴套、叶轮间的空隙中，使得泵轴与轴套、叶轮间产生电偶腐蚀效应［3］。该装置外加保护电位，可在出现电位差时使电位平衡，防止海水泵被腐蚀。

海水泵是竖轴驱动，壳体是扩散碗型。泵轴之间通过联轴器连接。可更换的耐磨环分别配备在叶轮和壳体上。从上往下看，泵沿顺时针方向旋转，泵所产生的轴向推力（转子重量+轴向推力）由泵本体承受，轴密封形式为无石棉的压盖填料密封。电机是安装在独立的钢结构电机座上的，通过油脂润滑的齿轮式联轴器连接在泵上。泵吸入口垂直向下，吐出口水平布置。海水通过海水泵入口后，由叶轮加压，经过排出口进入海水总管，供ORV使用，其结构见图1。

1.2冷却水系统

海水泵配备一套润滑冷却系统。泵启动前10 min注入规定压力（高于0.2 MPa）的淡水对填料函体以及推力轴承部件进行润滑，正常启动后从泵出口管路引入海水，切换成海水自润滑、冷却一体装置，工艺如图2所示。由于海水中含有海生物，在润滑中可能会造成冷却管线堵塞。经过多年实践，氯化处理较为有效，在海水泵取水口加入海水经电解后产生的有效氯（HClO、ClO-、Cl2），可防止海生物在冷却水管路附着滋长［4］。

图1　国产海水泵的结构及工作原理图

图2　冷却水工艺流程图

1.3变频系统

国产海水泵分为工频泵和变频泵。变频泵采用变频器调节转速，以满足不同流量需求。按照电机学的基本原理，已知交流异步电动机的转速表达式为［5］：

式中，n为转速，r/min；s为异步电机转差率，%；f为电机转动频率，Hz；p为电机定子绕组对数。

平滑地改变加到异步电动机定子绕组交流电的频率，可以平滑地调节异步电动机的转子转速，因此就可达到调节流量的功能［6］。根据海水温度和ORV负荷的变化，海水流量可在（2 000～8 000）m3/h范围内变化。国产海水泵频率在35～50Hz范围内调节，转速变化导致海水流量变化。因此，在海水温度一定的情况下，调节海水流量，可优化ORV的负荷以及运行台数：当ORV负荷上升时，升高频率增加海水流量；在ORV负荷下降时，降低频率减少海水流量，以达到节约电能的目的；当LNG流量大于1 台ORV的设计负荷时，可增加1台ORV，尽量不使用SCV（浸没燃烧式气化器，能耗较高），以达到节能的目的［7］。启动变频泵时，频率从35Hz到50Hz逐渐升高，海水流量缓慢上升，电机实现真正的软启动，减小了对海水管道、调节阀、ORV的水力冲击和磨损，使系统运行更加安全可靠，并且可大幅节省这些设备的维护费用，降低接收站的运行成本［8］。

2　国内外海水泵设计参数及性能对比

2.1设计参数对比

以1600LK4.58-30、1200LK2.22-30两种不同型号的国产海水泵为例，其设计参数见表1。

国外生产的海水泵设计参数见表2。

从两表中的数据可以看出，国产海水泵的效率、扬程已经达到甚至超过了国外生产的部分海水泵，并且除酉岛泵外，其他海水泵的转速均较低。理论上讲，功率为力与速度的乘积，转速越低，需要的提升力就越大，需要更大的叶轮来实现，意味着需要的钢材更多，加工难度更大。国产海水泵转速范围为（425～595）r/min，能满足下游用户对海水流量的需求。因此国产海水泵厂商在克服加工难度的基础上，增强了泵的稳定性，使出厂的海水泵能够安全运转几年乃至几十年，只需花费最少量的维护费用并能保持运行效率。实践证明性能优良的国产海水泵经长时间使用仍运转正常，无故障发生［9］。

表2　国外厂商生产的海水泵设计参数表

2.2性能对比

将国产海水泵和日本酉岛生产的海水泵进行性能对比，结果是：国产海水泵的大泵流量分别在13 200 m3/h、16 500 m3/h、19 000 m3/h时，气蚀余量（NPSHr）分别为7 m、8 m、9 m，小泵流量分别在6 400 m3/h、8 000 m3/h、9 600 m3/h时，NPSHr分别为7.1 m、7.5 m、8 m。NPSHr很接近，工作范围均在10 m以内；同时性能指标都比较平缓，消除了驼峰影响，保证了海水泵运行的稳定性［10］，这与日本酉岛的海水泵性能指标相似。

3　国产海水泵运行参数

以唐山LNG接收站的型号为1600LK4.58-30国产海水泵为例，运行1个月内温度曲线和振动曲线见图3和图4。

为防止海水泵运行过程中电机线圈、上下轴承、轴向和径向推力瓦温度过高而导致机械损伤，设置10个温度检测点实时监控温度的变化。从图3可以看出，电机线圈温度在65～75℃范围内波动，远未达到停机温度145℃。上轴承温度与下轴承温度相差20℃左右，主要原因是上轴承与转动轴接触面积大，产生热量多，但这两个轴承温度同样未达到停机温度90℃。而轴向推力瓦和径向推力瓦温度也都低于停机温度85℃，均在正常运行范围内。

图3　海水泵运行温度曲线图

图4　海水泵运行振动曲线图

在振动曲线中，电机振动设置20 μm/s为停机值，实际运行中在（11～13）μm/s范围内波动；机身振动的停机值设置为120 mm/s，检测的数值在（85～87）mm/s范围内波动。海水泵由电机提供动力，因此其振动变化必须为微米级，以确保海水泵可靠运行；机身振动检测单位为毫米级，主要原因是电机带动长达10 m的轴转动，尽管有轴承限制其径向运动范围，但转动过程中轴的振幅较大。由图4看出，海水泵实际运行中电机振动与机身振动曲线均较平稳，振动值远未达到停机值。

4　结束语

通过对实际运行数据的分析，唐山LNG接收站的国产海水泵达到了设计要求，运行较稳定，其综合性能达到了国际同类产品的水平，能完全替代国外进口产品。其冷却水系统实现了启机前淡水润滑、启机后切换成海水润滑的功能，节约了淡水资源，降低了运行成本。变频功能的应用，可根据下游海水需求量灵活调整海水泵输出功率，以降低电耗。因此，国产海水泵将伴随着国内LNG接收站的扩建获得广泛应用。

参考文献

［1］杨勇.LNG接收站海水循环泵的关键技术与国产化研究［J］.通用机械，2014（9）：56-57.

［2］毛楚方.海水泵的腐蚀及其材料选用［J］.排灌机械，1995（2）：60-63.

［3］卢洪涛，陈汉明.海水泵泵轴腐蚀原因分析及对策［J］.中国核电，2012，4（3）：360-366.

［4］汤东升.海水循环冷却水处理方案的选择［J］.电力建设，2003，24（5）：12-14.

［5］王文平.浅析变频器在水泵控制中的应用［J］.能源与节能，2014（4）：174-175，192.

［6］陈显俊.浅析变频水泵节能问题的分析探讨［J］.科技致富向导，2014（14）：278.

［7］周华，程云东，苏建伟.LNG接收站开架式气化器低温运行优化与实践［J］.化工自动化及仪表，2014，41（9）：1064-1068.

［8］陈永忠，陈彬，余伟.海水泵高压变频节能改造可行性分析［J］.中国信息界，2011（7）：156-158.

［9］姜成军，蒋晓东.海水泵系统的可靠性分析［J］.水泵技术，2009（3）：16-18.

［10］何希杰，劳学苏.离心泵性能曲线稳定判据［J］.水泵技术，1994（3）：3-6.

（编辑：蒋龙）