LNG接收站高压泵加级研究

2020-06-23王卫晓

石油工程建设 2020年3期

王卫晓

北京燃气集团天津液化天然气应急储备项目部，天津 300399

随着我国天然气消费能力的逐年提升，天然气需求量剧增，至今我国天然气仍然存在着巨大缺口。LNG接收站作为管道气的有利补充，在天然气保供中发挥着重大作用。2018年以来，根据国家发改委加快天然气基础设施建设的要求，LNG接收站建设呈增长趋势。高压泵是LNG接收站中的重要设备，主要作用是将来自储罐的低压LNG加压至外输压力，输送到气化器气化后外输，其运行的可靠性对接收站的整个工艺流程至关重要。接收站外输压力受下游影响较大，通常在近期和远期有较大差异，为了满足不同时期LNG接收站的外输压力需求，LNG高压泵通常采用拆级设计的方式，近期低压力运行时，高压泵采用较少的叶轮级数运行，远期压力升高时，通过在高压泵内部预留的位置增加叶轮，使高压泵达到更高的外输压力，满足下游用户需求。采用高压泵拆级设计，可以节约设备占地面积，还可以避免设备的重复投资，从而避免造成浪费[1-3]。

1 高压泵设备组成

以沿海北部某接收站为例，高压泵为电动多级离心泵，采用拆级设计，总共12级，12级泵总质量为8.3 t，其中第3、5、11级为预留级，额定流量340 m3/h，额定功率836.4 kW，9级运行时出口压力5.5 MPa，至接收站外输界区压力4.9 MPa，12级运行时出口压力7.1 MPa，至接收站外输界区压力6.5 MPa。接收站初期高压泵9级运行，随着下游市场的开发，根据下游市场需求，需要增加高压泵剩余3级叶轮，将出口压力提升至7.1 MPa，截至高压泵加级前，高压泵仅运行300 h。

高压泵本体主要包括：泵盖、电动机、泵轴、叶轮、外壳扩散器、推力平衡机构、诱导轮等，与高压泵配套的设施还包括：泵筒、电气接线箱、仪表接线箱、电气贯穿接头、仪表贯穿接头以及振动监测系统，见图1。泵筒通常采取埋地或架空设置，外部采用PIR（聚异三聚氰酸酯）进行保冷，厚度约203 mm，通过进出口法兰与外部管道连接。泵与电动机整体安装于泵筒内，通过泵盖上的螺栓与泵筒连接。电气贯穿接头和仪表贯穿接头处使用氮气进行密封，防止泄漏的天然气与电火花接触引起爆炸[3-5]。

图1 高压泵本体

高压泵与接收站工艺系统的管道接口主要有：LNG吸入口、排出口、放空口、LNG预冷口。电气与仪表和接收站系统的接口分别位于电气接线箱和仪表接线箱的上端子。公用工程和接收站系统的接口位于电气贯穿接头和仪表贯穿接头的氮气管道法兰处[6]。

2 高压泵加级过程

高压泵加级的整个过程包括以下几个阶段：高压泵停泵，高压泵泵筒吹扫，高压泵泵盖上部保冷材料拆除，拆卸管道连接及电气仪表连接并提泵，将泵运输至车间，车间内泵拆解、增加叶轮、泵组装，将泵从车间运输到现场重新安装，对回装后的泵体盖板法兰连接、管道法兰连接、仪表连接处进行氦气检漏，更改接收站和管道相关报警参数，预冷、进液[7-9]。

由于高压泵的提泵与回装是在接收站工艺区内进行，施工风险相对较高，施工前必须做好JSA分析。为保证提泵与回装泵过程的顺利进行，需提前准备好相关设备与机具，并反复核查确保无遗漏，主要设备与机具见表1。

表1 主要施工设备与机具

2.1 提泵前的准备工作

高压泵停泵后，在变电所断开高压泵供电开关并上锁，防止人员误操作，关闭与高压泵连接的所有工艺系统阀门（包括预冷管道、进液管道和排出管道上的阀门），利用金属软管连接工艺区高压泵旁的氮气管道对高压泵泵筒进行吹扫，将泵筒内残留的LNG吹扫到BOG放空管道中去，利用可燃气体报警仪在BOG管道距离高压泵附近的一个安全阀检修阀门处监测天然气含量，当检测不到天然气时，关闭高压泵放空口BOG管道上的阀门。利用氮气持续吹扫，使高压泵慢慢恢复至环境温度。

在高压泵开始拆除前搭设施工操作平台，在保冷拆除、泵拆除与回装时使用。待高压泵恢复至环境温度后，拆除高压泵泵盖及泵盖管道上的保冷材料，其余部位保冷材料无需拆除，因为提泵仅需松开泵盖与泵筒的连接螺栓即可将泵整体提出。保冷拆除后必须仔细清扫泵盖上残留的保冷材料碎末，防止提泵时落入泵筒内，造成高压泵运行损坏。

保冷拆除后，在电气贯穿接头和仪表贯穿接头处泵侧一端，松开贯穿接头法兰上的连接螺栓，断开高压泵的电气连接和仪表连接，之后拆除贯穿接头上连接的氮气吹扫管道。因为电气贯穿接头较重，拆除时需使用吊车吊住电气贯穿接头的吊耳，拆除完毕后，需将电气贯穿接头放置在操作平台上，不能搁置在地面上，因为电气贯穿接头连接的电缆具有一定的弯曲半径，搁置在地面上容易造成电缆弯曲半径过大，使其损坏。仪表贯穿接头线缆直径较小，弯曲半径较大，因此可以完全放置在平台或地面上。电气与仪表贯穿接头拆除后，必须用洁净的塑料布包裹，防止尘土或湿气进入，同时泵侧电气与仪表线缆断开的接头需用绝缘塑料带进行缠绕，并用绳子绑在一起，将绳子另一端绑在接口法兰上，防止接头被破坏或线缆滑落到泵体内。拆除泵盖与各工艺管道连接管口的螺栓，使高压泵与工艺系统隔离，拆除完使用预先准备好的盲板封堵各工艺管道接口，防止天然气泄漏。另外，高压泵泵盖上的所有接口用洁净塑料布包裹[10-12]。

2.2 提泵

提泵前，需在高压泵附近空地处搭设中间镂空的脚手架平台，高度需满足拆除泵盖的需要，四周的跳板需满足同时站立两人的要求，方便人员操作。确认泵筒内压力与外界压力一致且泵筒温度已恢复至常温，松开泵盖与泵筒连接的螺栓。

选用泵盖自带的4个吊耳实施吊装，选用1台25 t汽车吊。吊装时，2处吊耳系挂5 t手动葫芦，2处直接系挂吊装带，使用2个手动葫芦进行初找平，吊起泵体约20 mm再进一步找平，直至泵体完全垂直，目测检查泵体与泵筒是否无接触，慢慢将泵体吊出泵筒并移至地面，此过程中泵体不应与泵筒发生磕碰，泵离开泵筒后，立即用塑料布盖住泵筒，防止泵盖放回前有异物进入泵筒。将泵体放入已搭设好的脚手架内（如图2所示），固定牢靠，不摘除吊钩，将泵盖与泵体连接螺栓拆除，拆除泵体上固定的振动探头，将泵盖与泵筒间的密封环取下，妥善保存，防止运输过程中丢失。将泵盖与泵筒间的金属缠绕垫慢慢取下，取下时需特别注意，防止碎片（因承受泵盖的预紧力，金属缠绕垫已被压碎）掉入到泵筒中。将泵盖放回泵筒上，穿入正式螺栓临时紧固，并用塑料布做封口处理。

图2 脚手架内高压泵

泵的相关部件拆卸完成后将泵吊装到板车前，需要在平板车上准备好木质工装。为方便泵的固定，木质工装根据泵型制作，防止运输过程中泵发生移动造成损坏。使用厂家专用工具中的2个吊环，将其安装在泵体顶部；另外自行准备吊带，将其绑在泵体中间重心部位。选用两台25 t吊车，一台的吊钩与顶部吊环连接，另一台的吊钩与中部吊带连接，两台25 t吊车同时起吊，如图3所示，泵体在空中慢慢调整至水平状态，再平移至板车上的木质工装上。

图3 高压泵吊装

泵放置时，要求泵壳体承重（如图4所示），而不是泵的出液管承重，否则出液管会被压坏。放置泵的木板上需垫上棉被，防止运输中磕碰。泵放置好后，四周用绑带绑好出口和底部入口，要用塑料布封住，防止运输中进入杂质[13-14]。

图4 高压泵在板车上放置

2.3 车间加级

高压泵拆解车间需要保持一定的封闭性，控制尘土和湿度，防止高压泵内部部件被污染。重新组装前需准备好高压泵需要替换的备件，如表2所示。高压泵加级需要将高压泵拆解后，更换易损件、轴承和增加预留的三级叶轮后，再重新组装。

表2 备件列表

高压泵运抵车间后，通过车间轨道吊车的两个吊钩分别吊住高压泵前部两个和后部两个吊环，慢慢转体，使高压泵成竖直位置，出口处着地并固定，如图5所示；其次，拆除高压泵回流管、底部轴承保持架、底部轴承、底部泵壳体；然后，逐级拆卸扩散器和叶轮直至推力平衡装置，每级扩散器和叶轮均用记号笔编号并依次排列，以便回装时，均能回装到原始位置；最后，在第3、5、11预留级加上叶轮并按顺序放到指定位置。拆卸过程中，如果拆卸十分费力，可采用均匀加热泵扩散器壳体的方式，但加热温度不能太高，一般控制在50℃左右。另外需注意，拆卸过程中不能使用螺丝刀等尖锐的物体撬动法兰面，避免将其损坏，可以使用橡胶或塑料材质的锤子辅助拆卸。每级扩散器吊起时，需注意不要破坏轴瓦和耐磨环。依次拆除泵的各级扩散器和叶轮，直至TEM级叶轮。使用厂家特殊工具防松螺母板手装置从TEM叶轮上拆除轴承防松螺母和轴承锁紧垫圈，同时用轴夹持工具夹持固定轴，防止轴转动，影响螺母和垫圈的拆卸。拆除TEM叶轮后，依次拆除推力平衡盘和主轴承。拆除主轴承时同样需要厂家特殊工具防松螺母板手，拆除程序与拆除TEM叶轮相同，为协助拆除轴承防松螺母、轴承锁紧垫圈和轴承垫圈，可略微吊起轴以去掉轴承防松螺母上的压力，但不得将整个泵机组吊起[15-16]。

图5 高压泵车间内固定

泵主体部分拆卸完毕后，拆除电机外壳。需要注意的是：电机外壳总成和主轴承外壳总成需一起拆卸，拆卸时可先用火焰对主轴承壳体与出液管的连接处加热以便于拆卸，如图6所示。用吊机提起电机外壳和主轴承外壳总成时，用手将电机引线缓慢地从泵壳上的引线穿入管送出，防止提起过程中电机引线被拉断。电机外壳周围均布6根出液管，电机外壳拆除完成后，用记号笔将6根管道分别编号，拆下后依次排列，同时在壳体上也用记号笔在出液管对应位置处编号，以便回装时能一一对应。

图6 火焰加热

电机外壳拆除后，去除上部轴承上的轴承保持架，在轴上部安装吊环，将轴从电机架中吊出，此时上部轴承仍与轴连接在一起，吊出后用平板扳手夹住轴，如图7所示，用防松螺母板手拆除上轴承上的轴承锁紧垫圈和轴承放松螺母，将上部陶瓷轴承取下。

图7 拆卸上轴承

由于泵运行一段时间后，泵中各部件存在着部分碎末状杂质，使用压缩空气吹去泵各部件上的杂质，用提前准备好的备件依次更换，如果轴承经检查可以继续使用，则使用90%煤油和10%涡轮机油混合物清洗轴承，也可以使用柴油清洗轴承，去除轴承内的杂质。待所有备件更换完后，将泵重新组装。因为泵运转时间刚刚达到300 h，因此无需做叶轮耐磨环磨损程度检查和轴的径向跳动检查[17-18]。

2.4 泵回装

将泵运输至现场后，首先将泵放在脚手架内，安装泵盖与泵之间的密封环；然后将泵盖与泵连接，安装两个振动探头，要安装牢靠；同时注意线缆不要损坏，以免造成后续振动值偏离过大或无读数。更换泵盖与泵筒间的金属缠绕垫，再次确认泵筒内的洁净度，然后将泵整体回装至泵筒内，将泵筒与泵体的连接螺栓紧固到相应扭矩。

在电机三条连接的导线之间进行电阻绝缘测试，测试标准为2 500 V DC电压下电阻＞40 MΩ。测试结果分别为6.3、3.73、7.4 GΩ，满足要求。测试完成后，更换电气贯穿接头处金属缠绕垫，连接电气贯穿接头，并将螺栓紧固到相应扭矩。同样，更换仪表贯穿接头处金属缠绕垫，将振动探头线缆与仪表贯穿接头连接，并将螺栓紧固到相应扭矩。

将接收站系统与高压泵之间的各条工艺管道分别连接，将仪表贯穿接头与电气贯穿接头上的氮气管道连接完成，连接好液位计，引出管上部法兰。

所有管道连接完成后，对高压泵泵盖及连接的法兰进行氦气检漏，测量方法为吸枪检漏法，测量仪器为氦质谱检漏仪。在高压泵泵筒内充入氮气和氦气，氮气压力为0.6 MPa，氦气体积分数＞10%，在所有连接的法兰处及泵盖垫片处用洁净塑料布包裹，静置24 h后，用检测枪进行检测。检测标准为泄漏量≤1.0×10-6Pa·m3/s，检测的结果为 8.0 × 10-7Pa·m3/s，满足要求[19]。

2.5 相关参数设定

增加叶轮后高压泵扬程随之增加，与高压泵出口压力相关联的接收站工艺系统部分的设定值也需要随之调整，包括高压泵本身继电器过流及欠流设定值、高压泵出口压力报警值、高压泵下游浸没式燃烧气化器出口报警值，以及外输总管上的压力报警值。具体如表3所示。

参数设置完成后，吹扫高压泵泵筒，直至露点-40℃；然后将高压泵工艺系统相关阀门的开关状态进行设定；完成设定后，打开预冷管道阀门开始预冷高压泵，通过注入/排放法兰连接处，以约1 in/min（1 in=25.4 mm）的速度将液体注入泵筒。在冷却期间，液体充满泵筒前，不可将液体引至入口管道法兰，防止低温液体飞溅到泵的侧面。预冷期间严格执行厂家的操作手册，在不同液位静置相应时间，预冷完成建立液位后即可启动高压泵，建立外输工艺流程[20]。