国产LNG潜液泵和L-CNG高压柱塞泵的选型与应用

陈子如 邓志晟 吴 波 汪国洪

〔中石化广东惠州石油分公司 广东惠州 516008；2浙江湖州三井低温设备有限公司 浙江湖州 313000〕

1 国内加气站LNG潜液泵、L-CNG高压柱塞泵的使用现状

天然气是一种优质清净、安全高效的化石能源，与油品相比具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低等优点，是被广泛使用的一种替代燃料。到2016年底，我国已建成投用LNG、L-CNG、CNG加气站多达4 000余座，投入运营3 000余座。

图1 采用国产LNG、L-CNG泵加气站

由于我国LNG、L-CNG加气站设备的开发、生产相对较晚，早期建设的LNG、L-CNG加气站的关键设备LNG潜液泵、L-CNG高压柱塞泵均采用进口设备。随着加气站建设的快速发展，我国的研发、生产厂商攻克了材料、密封件等一系列难题，已生产了一系列LNG、L-CNG加气站配套设备，如LNG潜油泵、L-CNG高压柱塞泵、LNG加液机、CNG加气机等，使LNG、L-CNG加气站主要设备实现了国产化，大大降低了建站与运维成本。现将近几年以来采用国产LNG潜液泵、L-CNG高压柱塞泵建设加气站的一些经验介绍于下供同行借鉴与参考。

图2 采用国产L-CNG高压柱塞泵气站

2 国产LNG潜液泵、L-CNG高压柱塞泵的主要特性

LNG潜液泵作为LNG加气站的主要动力设备，主要用于LNG液化天然气加气站对LNG液化天然气的增压，通过LNG加液机向车载LNG杜瓦瓶充装液化天然气。目前随着城市环保压力的增加、LNG公交汽车及重载卡车的成熟发展，在环保及经济因素的双重影响下，LNG产业近几年一直处于蓬勃发展状态，特别在西部LNG气源地，物流、货运、长途汽车应用普及已经十分成熟。

目前加气站用LNG潜液泵通常采用二级、三级、四级/立式、离心泵结构，具有结构紧凑、重量轻、性能可靠的特点。机组整体放入泵池中，无动密封，密封可靠性高。潜液泵由低温潜液电机、低温轴承、主轴、叶轮、导叶、诱导轮、壳体等组成，电机与泵同轴，通过连接法兰与泵池连接，整体放入泵池中，使用时整体浸入低温介质。电机为定制低温恒转矩变频电机，恒转矩频率为0～100 Hz,最高转速一般为6 000 r/min。工作时泵出口压力可设置为定值(通常为1.2～1.4 MPa)，恒压变频，泵自动控制调整，主要参数见表1。泵组轴向力通过叶轮口环调整进行平衡，通过多流道平衡式导叶设计平衡水力径向力、残余轴向力和径向力由低温轴承承受。轴承为定制进口低温轴承，通过输送介质润滑，碟簧支撑、定位，可吸收机组定转子低温变形而带来尺寸定位差。潜液泵所有零件的材料选择和加工工艺都经过精心设计，充分保证介质的兼容性与安全性。配套泵池为真空保温容器，为保证潜液泵的正常运行，一般设有进液管、出液管、回气管、放空管、残液排放管、安全阀、电缆接口、温度传感器、液位传感器等接口。

表1 LNG潜液泵基本参数

由于机组整体浸入LNG液化天然气中，轴承依靠LNG进行润滑冷却，润滑条件恶劣，且机组仅在加注或卸车时使用，启动次数非常频繁，相对于其它长期稳定连续运行的离心机组，轴承磨损较快，所以轴承为其主要易损零件。轴承本身质量及安装、运行环境的好坏直接决定了机组的使用寿命。通常在进液口及上轴承冲洗口均设有过滤装置，以减少杂质进入轴承内。

LNG加气站的LNG潜液泵结构见图3。加液时泵的出口压力=泵池/储罐压力+泵的增压压力，而正常加液时，泵的出口压力一般设置为1.2～1.4 MPa，所以在加液时，不同储罐压力下，泵的运行频率有所不同，可在控制系统中通过出口压力的联锁，设置恒压变频来自动实现。同时对于加气量较大的LNG加气站(加液量大于6 000 kg/d)，可以适当提高储槽压力至0.5 MPa以上，可以减小泵运行转速、功率，提高机组寿命，减小因电机发热产生的冷损耗。对于目前加气站加液时单台加注速度约为30～50 kg/min，两台加液机同时加注最大约100 kg/min，体积流量约14.5 m3/h。

图3 LNG潜液泵结构图

L-CNG高压泵主要用于给液化天然气增压、气化后进入高压(25 MPa)储气瓶组或储气罐,进而通过CNG加气机实现给CNG汽车加气。目前随着进口LNG液化天然气价格降低的带动，在一些地方出现了液化气与管道气价格倒挂的现象(LNG价格便宜)，采用L-CNG高压泵增压方案的CNG加气站也出现一定的增长趋势。

L-CNG泵通常采用活塞式往复泵结构，填料式往复密封，流量的大小主要通过冷端与传动箱组合设计来实现。由于活塞力的存在及传动机构的承载能力，单一冷端(泵头)泵的流量有限，为了增大泵的流量，可采用并列多列冷端来增加泵的流量。为减小冷量损失，通常采用双层高真空泵头。

泵的活塞动密封是泵的最关键技术之一。活塞密封通常为贴紧式密封，密封件属于易耗品，其可靠性及寿命主要取决于密封件的结构及材料自身的润滑性和耐磨性，密封件的寿命决定了L-CNG高压泵的维护周期与主要维护成本。目前某些国产品密封寿命一般为3 000 h以上(累积纯运行时间)，其优越表现超过了进口同类产品。当然还可对密封部位采用恒温控制进一步提高寿命。

L-CNG高压泵运转的稳定性和平稳性也是衡量泵的技术和质量的主要因素。稳定性表现在运转连续性和对不良管路系统的适应能力。优良的泵设计和制造，可以降低泵的气蚀余量，同时把管路和泵产生的BOG尽快导引出泵腔外，使泵的容积效率保持在较高水平，运行声音清脆有力。泵运行的平稳性一般表现在泵的震动与噪音上，过度的震动和噪音不仅对管路固定和焊缝安全是极大的危害，环境带来噪音污染，而且对泵本身的使用寿命影响也极大。设计制造优良的泵必须对偏心转动的传动箱及高速旋转的皮带轮进行合理的动平衡，同时要对泵内进出液阀的动态特性进行深入的计算与模拟，并平衡泵的吸入性能，以合理的设计来减少泵阀的冲击，以减少噪音和震动的产生。某国产低温高压泵目前能将满载噪音控制在82dB以内。L-CNG高压泵的外形见图4、参数见表2。

图4 L-CNG高压柱塞泵图

表2 L-CNG高压泵基本参数

3 国产LNG潜液泵、L-CNG高压柱塞泵的选型与应用

3.1 LNG潜液泵选型

LNG潜液泵作为LNG加气站的关键设备，主要用于LNG液化天然气加气站对LNG液化天然气增压，通过LNG加液机向车载LNG杜瓦瓶充装液化天然气。

3.1.1 LNG加液的两种主要方案

(1)双计量加液。LNG加液机内有两个流量计量表，分别对进入车载LNG杜瓦瓶的LNG液化天然气进行计量和车载瓶通过回气枪输出至储槽的BOG进行计量。加气量=LNG计量质量-BOG计量质量。

(2)单计量加液。LNG加液机内只有一个流量计量表，仅对进入车载LNG杜瓦瓶的LNG液化天然气进行计量。

由于LNG液化天然气与CNG气态天然气的价格差异，且多数加气站没有BOG(闪蒸气)回收设备，对于LNG加气站来说，加注出去的LNG液化天然气与回收的CNG气态天然气中间将产生冷量损失，如无BOG回收系统，大量回收后天然气会造成储槽升压，安全阀起跳排放，造成损失，且污染环境。所以目前国内大量的LNG加气站均采用单计量(LNG加注)加液机。泵向车载LNG杜瓦瓶输送液体，需要克服泵出口至LNG瓶的系统阻力：管路(含阀门)阻力、气瓶内部压力。系统阻力=管路阻力+气瓶内部压力。

3.1.2 流量选取

根据GB 50156—2012《汽车加油加气站设计与施工规范》要求，LNG潜液泵进口速度≯1 m/s(DN65 mm管径,200 L/min),出口速度≯3 m/s(DN40 mm管径,226 L/min),而LNG加液机的单机加液速度一般为150 L/min(9 m3/h),双机为300 L/min(18 m3/h)，所以通常对于单泵单机加气站的流量选取约为10 m3/h, 单泵双机加气站的流量选取约为18 m3/h即可。

3.1.3 扬程选取

LNG潜液泵属于低温离心泵，泵的出口压力=泵的进口压力+泵的扬程产生的增压压力。当泵的出口压力≥系统阻力时，泵向车载杜瓦瓶输送液体。由于加注时，泵的进口压力基本恒定，所以其输送速度取决于泵在该扬程下对应的流量。车载杜瓦瓶通常的最大额定压力为1.6MPa，但对于多数车载瓶一般使用压力≤1.4 MPa,现暂以1.4 MPa出口压力分别对常压储槽(20 kPa)、LNG槽车(0.8 MPa)和带压储槽(1.2 MPa) 进行扬程选取说明：

(1)常压储槽潜液泵的进口压力几乎可以忽略不计(一般均<0.05 MPa)，所以此时泵需增压约1.4 MPa,泵的扬程选取为330 m(以LNG密度为425 kg/m3计算，以下均同)。

(2)LNG槽车潜液泵进口压力一般处于0.1～0.8 MPa之间，属于变压力工况，泵需增压1.3～0.6 MPa,泵的扬程为305～142 m,所以采用变频调速方式来调节泵的扬程。选泵时需选择压力1.3 MPa, 泵的扬程为305 m。如果加气站每天的加注量大，可采用增压器辅助增压，保持槽车压力处于较高水平(0.5 MPa以上，此时仅需增压0.9 MPa,扬程211 m)，这样可适当降低泵的扬程要求。对于同一款潜液泵机组来说，可降低使用转速，以提高泵的使用寿命及可靠性，降低泵的功率，减少电损失。

(3)带压储槽潜液泵进口压力一般处于0.3～1.2 MPa之间，属于变压力工况，泵需增压1～0.2 MPa,泵的扬程为235～47 m, 所以采用变频调速方式来调节泵的扬程。选泵时需选择压力1.3 MPa,泵扬程为235 m。如果加气站每天的加注量大，可采用增压器增压方式，保持储槽压力处于较高水平(0.5 MPa以上，此时仅需增压0.9 MPa,泵扬程211 m)，这样可适当降低泵的扬程要求。对于同一款潜液泵机组来说，可降低使用转速，提高泵的使用寿命及可靠性，降低泵的功率，减少电损失。

3.1.4 汽蚀余量选取

该参数为泵进口处对液体过饱和能力的要求，通常以液位高度计算,单位m，通常为1.3～1.5 m。每个转速、流量点下的气蚀性能是不一样的。通常以额定点进行标记、考核。泵选取时，当然该参数值越低越好，但是相应的产品价格也不一样，所以选取泵时，需结合设备现场的安装、保温等工况，选取适合的机组。

3.1.5 电机功率选取

电机功率基本是恒定的，输出功率主要取决于泵的输出流量、扬程、转速等水力效率，电机热损失、机械损失等电机效率。潜液电机整体浸入泵池低温液体中，没有单独的散热系统，电机散热全部被低温液体吸收，使LNG液化天然气汽化形成BOG。所以选取泵时，不仅需要看水力效率，更重要的是考核整机效率。

综上所述，在选取LNG潜液泵时，需要确定以下主要参数：①储槽/槽车使用压力；②LNG杜瓦瓶的残余压力；③潜液泵至加液机之间的管道阻力；④储槽/槽车液位高度及其至潜液泵之间管路的压力损失。SLP-18/200潜液泵H-Q参数表见图5。

图5 SLP-18/200潜液泵机组系统运行及调速曲线

3.2 L-CNG高压泵选型

L-CNG高压泵作为L-CNG加气站的关键设备，主要用于L-CNG天然气加气站对LNG液化天然气增压，再通过高压汽化器后进入储气瓶组或储气井，通过CNG加气机向车载CNG高压气瓶充装气态天然气。

3.2.1 流量选取

规划加气站建站时设计好加气站的每天加气量及每小时的最大加气量标准状态m3/h、储气容积(高压气瓶组/储气井)，以便选取泵的流量。正常泵的流量按L/h(/1 000 L/h=1m3/h)计算,天然气的气液比≈600(1 m3LNG=600 m3标准状态CNG)，确定泵流量时，泵流量L/h=小时最大加气量标准状态m3/h×1.67。

3.2.2 出液压力

泵的进口承压能力，根据储罐或槽车压力等级确定；

出口一般选取泵的最大出液压力为25 MPa。

汽蚀余量选取。该参数为泵进口处对液体过饱和能力的要求，通常以液位高度计算,单位m,通常为1.4～1.6 m左右。选取泵时，当然该参数值越低越好，但是相应的产品价格也不一样，所以选取泵时，需结合设备现场的安装、保温等工况，选取适合的机组。

综上所述，选取L-CNG高压泵时，需要确定以下主要参数：①泵的流量L/h或m3/h；②储槽/槽车使用压力；③泵的最大出口压力；④汽蚀全量(以储槽/槽车液位高度计量)及其至潜液泵之间管路的压力损失。

4 结语

笔者所在企业从2013年使用国产LNG潜液泵、L-CNG高压柱塞泵至今，目前安装于加气站运营的LNG潜液泵已连续安全运营4年多，累计工作达7 000多h尚未开盖更换配件，L-CNG高压柱塞泵已连续运营4年，累计工作达6 800多h未更换配件(每运行约3 000 h换密封组件，每年更换润滑油二次)。在加气站运营180余台潜液泵、近2 000台L-CNG高压柱塞泵运营良好，经多年的实践验证，国产优质LNG潜油泵、L-CNG高压柱塞泵运行安全可靠、性价比高、噪音低、适应性广，完全可以取替同类进口产品。