加气站LNG柱塞泵空转原因分析及解决方案

李 迎， 马微微， 谢强强

(陕西省燃气设计院有限公司，陕西西安710043)

1 概述

某加气站为LNG和CNG加气合建站，LNG销量约为50 t/d，CNG销量约为5 000 m3/d。在运行约180 d后，LNG柱塞泵出现空转，导致泵损坏，造成很大的经济损失。本文对LNG柱塞泵出现空转的原因进行分析，并提出解决方案。

2 LNG柱塞泵空转原因分析

① 设备自身方面

设备自身引起空转的原因主要有：设计问题，如泵的进出液阀设计不良、进液阀阻力过大、余隙容积过大等；制造装配问题，如泵严重内漏或进出液阀运转不灵活，泵的真空夹套真空度不良、保冷效果差；活塞环、进出液阀等造成泵的磨损；泵内进水、进异物引起泵阀卡滞。

经LNG柱塞泵厂家对LNG柱塞泵进行查验，确定并非设备自身原因引起泵的空转。

② 进液、回气方面

进液、回气不畅是引起LNG柱塞泵空转的一个主要原因。该加气站LNG柱塞泵厂家提供的技术要求：LNG柱塞泵净正吸入高度不小于1.5 m；进液、回气管道坡度5%。通过此技术要求来避免LNG柱塞泵进液、回气不畅。

下面从工艺设计方面来分析LNG柱塞泵技术要求的满足性。存在关系：

(1)

(2)

(3)

其中h——净正吸入高度，m

pd——LNG储罐气相压力(绝对压力)，Pa

pv——柱塞泵进液温度下的饱和压力(绝对压力)，Pa

ρ——LNG密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2，取9.81 m/s2

hd——LNG储罐液面与柱塞泵进液口的高度差，m

hc——从储罐至柱塞泵进液口的管道的全部水头阻力，m

λ——从储罐至柱塞泵进液口的管道的沿程阻力系数

L——从储罐至柱塞泵进液口的管道的长度，m

d——从储罐至柱塞泵进液口的管道的内直径，m

ξz——从储罐至柱塞泵进液口的管道的总局部阻力系数

u——从储罐至柱塞泵进液口的管道内的LNG流速，m/s

qV——从储罐至柱塞泵进液口的管道内的LNG体积流量，m3/s

该加气站LNG柱塞泵体积流量为1 500 L/h，从储罐至柱塞泵进液口的管道内直径d=0.05 m，代入式(3)，得u=0.21 m/s。

该加气站LNG气源组成见表1。

表1 LNG气源组成

将相关参数代入式(2)，可得hc=0.045 m。

以防护堤内地坪标高为±0.000 m，该加气站LNG储罐基础高度为1.5 m，根据LNG储罐资料，LNG储罐最低液面高度为2.35 m，LNG柱塞泵基础高度0.2 m，进液口中心高度0.62 m，则hd=1.73 m。

整个系统按饱和状态考虑，认为LNG温度不变，pd-pv=0，则h=1.685 m，LNG柱塞泵净正吸入高度满足要求。工艺设计时，进液管道及回气管道的坡度按5%设计，也满足LNG柱塞泵技术要求。由此可知，导致LNG柱塞泵空转的原因不是进液、回气不畅。

③ 施工方面

LNG柱塞泵是高压设备，泵出口压力达到25 MPa，流量脉冲较大，易产生振动，过大的振动带来设备的提前损坏与管路焊缝的安全问题。若施工过程中，LNG柱塞泵固定不牢，减振措施不到位，也会引起LNG柱塞泵空转。

该加气站施工时LNG柱塞泵固定牢靠，考虑了有效的减振措施，因此并非施工原因引起LNG柱塞泵空转。

④ 工艺设计方面

工艺设计方面主要看工艺流程的合理性，该加气站部分工艺流程见图1。

由图1可知，LNG柱塞泵进液接LNG储罐下进液，卸车进液、LNG加气机回气也接LNG储罐下进液，因此LNG柱塞泵进液和卸车进液、LNG加气机回气存在冲突。管道上的气动紧急切断阀为常开阀，只有紧急情况下关闭，非操作阀。LNG槽车卸车进液和LNG柱塞泵进液流向相反，在卸车时，LNG储罐无法出液，卸车液相管道少量LNG进入LNG柱塞泵，流量不足导致LNG柱塞泵进液不畅。LNG柱塞泵进液管道最大工作压力为1.2 MPa，LNG加气机回气管道最大工作压力为1.6 MPa，LNG加气机回气时和LNG柱塞泵进液时，介质流向也相反，LNG加气机回气时势必影响LNG柱塞泵进液，导致LNG柱塞泵进液不畅。

图1 加气站部分工艺流程

LNG柱塞泵回气接LNG储罐气相口，储罐增压气相口也接LNG储罐气相口，LNG柱塞泵回气和储罐增压气存在冲突。在给LNG储罐增压时，当LNG储罐气相压力高于LNG柱塞泵回气管道压力时，会导致LNG柱塞泵回气不畅。

该加气站LNG销量约为50 t/d，CNG销量约为5 000 m3/d，LNG加气机质量流量为3～80 kg/min，平均按50 kg/min计，每天需工作约17 h，4台LNG加气机平均每天工作4.25 h。LNG槽车容积约50 m3(约20 t)，每天需卸车约3次，每次卸车2 h，每天卸车时间约6 h。LNG柱塞泵的LNG流量为1 500 L/h，则CNG流量约为1 000 m3/h，CNG销量约为5 000 m3/d，则LNG柱塞泵每天需工作5 h。LNG加气机、LNG柱塞泵、LNG槽车卸车每天工作时间均较长，势必存在同时工作的可能性。

综上所述，该加气站工艺设计存在LNG柱塞泵和卸车、LNG柱塞泵和LNG加气机、LNG柱塞泵和储罐增压器不能同时工作的问题，在运行过程中若对工艺不熟悉，LNG柱塞泵和卸车、LNG柱塞泵和LNG加气机、LNG柱塞泵和储罐增压器同时工作就会导致LNG柱塞泵空转。

3 解决方案

在工艺设计不变的前提下，寻求解决方案，使变更最小，最经济。提出2个解决方案。

方案1：运行时，避免LNG柱塞泵和卸车、LNG柱塞泵和LNG加气机、LNG柱塞泵和储罐增压器同时工作。此种方案在加气站销售量较好的情况下，势必影响加气站的经济效益。

方案2：从工艺方面着手，通过阀门的操作来实现LNG柱塞泵和卸车、LNG柱塞泵和LNG加气机、LNG柱塞泵和储罐增压器同时工作。

把气动紧急切断阀当操作阀对待，在V-101 LNG储罐卸车时， VJ101、VJ102及GV108开，VJ103、VJ104及GV104关，V-102 LNG储罐给LNG柱塞泵供液。同理，在V-102 LNG储罐卸车时，VJ101、VJ102及GV108关，VJ103、VJ104及GV104开，V-101 LNG储罐给LNG柱塞泵供液。两储罐不能同时卸车，不能同时给LNG柱塞泵供液。

在LNG加气机回气时，GV102、GV103及GV108开， GV106、GV107及GV104关，LNG加气机回气仅回V-101 LNG储罐，V-102 LNG储罐给LNG柱塞泵供液。同理，GV102、GV103及GV108关，GV106、GV107及GV104开，LNG加气机回气仅回V-102 LNG储罐，V-101 LNG储罐给LNG柱塞泵供液。LNG加气机回气不能同时回两储罐，两储罐不能同时给LNG柱塞泵供液。

在给储罐增压时，GV105及GV109开，GV101及GV111关，仅给V-101 LNG储罐增压，LNG柱塞泵回气仅回V-102 LNG储罐。同理，GV105及GV109关，GV101及GV111开，仅给V-102 LNG储罐增压，LNG柱塞泵回气仅回V-101 LNG储罐。LNG柱塞泵回气不能同时回两储罐，不能同时给两储罐增压。

此解决方案在运行过程中阀门操作较复杂。

4 结语

建设方在选择设备时，尽量选择信誉好、质量好的厂家；设计时严格按LNG柱塞泵技术要求设计，工艺尽量简单化，LNG潜液泵进液和LNG柱塞泵进液分别接储罐出液口，尽量不接LNG储罐下进液口，LNG潜液泵回气口和LNG柱塞泵回气口分别接LNG储罐回气口，LNG柱塞泵回气尽量不与其他功能共用回气管道；施工时LNG柱塞泵固定牢靠，采用有效减振措施；加气站运行时，熟悉工艺流程，熟悉阀门操作。由此可避免LNG柱塞泵空转导致泵的损坏。