LNG离心泵故障原因分析及其解决方案

白宇恒 邓东风 张啟超 马少峰 刘主宸

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中国石油工程建设有限公司, 北京 100120;3. 中国石油西南油气田公司输气管理处, 重庆 102649;4. 中国石油天然气股份有限公司规划总院, 北京 100083

0 前言

LNG离心泵是LNG行业应用十分广泛的设备,根据其安装位置的不同分为潜液式离心泵和外置式离心泵。潜液式离心泵无需预冷,运行稳定但造价较高[1];外置式离心泵安装于LNG储罐外,启动前需要预冷,安装方便,造价较低,在小型储罐、加注站等工程中应用较多,但需注意其工艺流程设计、设备管道布置和工艺计算,否则设备运行稳定性较差。

离心泵运行过程中最普遍的问题是汽蚀,其中关于非饱和流体离心泵汽蚀问题的研究较多,总体上可分以下几类:分析离心泵初生汽蚀和临界汽蚀的状态,提出不同情况下离心泵汽蚀的判断方法并与试验结果进行印证[2-4];利用理论分析、数值模拟、试验等方法优化离心泵内部结构,降低离心泵的必需汽蚀余量[5-8];研究离心泵的汽蚀机理及其危害,研究汽蚀余量的计算方法,研究有效汽蚀余量和必需汽蚀余量的相互关系,从提高有效汽蚀余量的角度给出建议措施[9-14];研究工作介质温度对泵汽蚀余量的影响[15]。

目前对于低温饱和流体离心泵汽蚀的研究较少:李清河[16]对低温屏蔽泵运行故障进行了分析,通过核算表明有效汽蚀余量不足,但是忽略了介质温升对汽蚀余量造成的影响;王文廷等人[17]介绍了低温屏蔽泵在输送LNG时,汽蚀是泵稳定运行的关键之一,并提出屏蔽泵进口加置诱导轮是提高屏蔽泵抗汽蚀性能的主要方法之一;张震[18]和张鹏超[19]对深冷低温液体泵的设计、安装、调试过程及注意事项进行了介绍,其中部分问题是针对离心泵汽蚀的,但未深入分析其原理;唐飞等人[20]用数值模拟的方法研究了火箭推进系统中燃料输送泵诱导轮的汽蚀过程,从热力学角度研究了液体温度对汽蚀的影响,结果表明液体温度不会影响旋转汽蚀的气穴在叶片间的迁移频率;姜磊[21]对LNG低温离心泵汽蚀原因进行了分析,注意到介质温度变化对汽蚀余量的影响,但未给出计算方法,仅对温升影响进行了推测。

某LNG工厂自2018年投运以来,常出现LNG离心泵预冷启动困难、运行异常的故障,导致LNG装车外运作业无法顺利进行,严重时储罐内LNG无法输出,影响生产。为此,通过现场观察、数据采集、理论分析,寻找出故障原因,制定整改方案并实施,彻底消除LNG离心泵运行故障。

1 LNG离心泵现状

1.1 设计参数

某LNG工厂建设有1座10 000 m3单包容LNG储罐,配置3台LNG离心泵,设备参数见表1。该LNG储罐出液管位于侧壁,LNG离心泵位于储罐防火堤内,工艺流程见图1,设备现场安装见图2。

表1 LNG离心泵主要参数表

图1 LNG离心泵工艺流程图Fig.1 Process flowchart of LNG centrifugal pump

图2 现场安装照片(左为A泵,中为B泵,右为C泵)Fig.2 Field installation photo(A pump on the left,B pump in the middle, C pump on the right)

1.2 存在的运行故障

1.2.1 预冷困难

根据LNG离心泵操作手册要求,LNG离心泵预冷时温降速度≤30 ℃/min,预冷时间不低于30 min。实际操作时,以LNG离心泵A为例(图1),NB1、SDV1投入联锁后处于全开状态,打开阀V1、V2,导通泵入口管路。开启泵前管路预冷阀V4、V5约10 min后,关闭阀V5,开启泵预冷阀V3,温度计TE1温降缓慢,约2 ℃/min,预冷时间长达2 h。

1.2.2 启动困难

根据设计文件,LNG离心泵启动液位为1.2 m,实际运行时,LNG离心泵启动液位需达到7 m以上,即使在此情况下,亦需经过预冷—启动—预冷反复多次操作后方可成功启动。LNG离心泵成功启动后可连续运行直到罐内液位约1 m时主动停车。

1)将LNG离心泵后管道就地排气阀与预冷BOG回气主管相连,使预冷流程避开LNG离心泵出口止回阀,降低LNG离心泵预冷流程管道阻力降。

LNG离心泵启动后,输出流量约40 m3/h,电机电流27.6 A,出口压力0.37 MPa,频率70 Hz。泵运行流量、压力小于额定值。

2 故障原因分析

2.1 汽蚀余量核算

为了分析现场存在的问题,以最远端LNG离心泵A为例进行汽蚀余量的计算,以核算是否存在设备选型及管道布置方面的问题。LNG离心泵启动时,罐内压力控制在109 kPa,当地大气压89 kPa,启泵设计液位为1.2 m,则出液管道入口压力为114.4 kPa，其他核算输入条件见表2。

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LNG离心泵发生汽蚀时,除了对泵体造成机械损坏外,泵流量也会剧烈下降,电机电流亦会随之降低,甚至出现空载的现象,与1.2.3节的描述相吻合。

表2 汽蚀余量核算输入条件表

LNG离心泵是否会发生汽蚀的判别见式(1),通常认为系统有效汽蚀余量比LNG离心泵必需汽蚀余量大0.6 m以上,可避免LNG离心泵入口发生汽蚀。

该厂LNG离心泵利用LNG离心泵入口管道将LNG引至泵前,在泵出口止回阀后设置预冷线,现场操作预冷缓慢,是因为预冷管道阻力大,LNG流动缓慢。查阅设计资料,泵后止回阀为轴流式止回阀,打开压力为10 kPa,相当于2.3 m LNG液柱。该厂设计启泵液位为1.2 m,则泵入口处液柱高度为3.96 m,减去止回阀打开压力后只有1.66 m压差,LNG流动驱动力小,导致泵预冷缓慢。

(1)

式中:Na为系统有效汽蚀余量,m;Nr为LNG离心泵必需汽蚀余量,m;p0为管路入口处液体压力,Pa;pb为泵入口处液体的饱和蒸气压,Pa;ρ为液体密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2,取值9.807;Hg为管路入口断面/中心线至泵叶轮入口的高度,m;∇H为管路入口断面/中心线至泵叶轮入口的管路系统流动损失折合量,m。

汽蚀发生的本质是LNG离心泵叶轮进口处介质压力小于其入口处温度对应的饱和蒸气压导致的。对常温液体,在储罐中,气相与液相达到气液平衡,储罐中的气相压力即为液体的饱和蒸气压,通过泵入口管路,液体温度不会发生变化,则饱和蒸气压亦不发生变化,即通常认为p0=pb。但是对于低温介质,尤其是LNG温度较低,在管道内流动吸收热量,温度升高,汽蚀余量的计算，需考虑水力学计算和传热计算两方面因素。

进泵物流M6操作温度对应的饱和蒸气压为109.5 kPa,泵入口操作压力为117.93 kPa,则LNG离心泵入口汽蚀余量为8.43 kPa,折算高度为1.88 m,虽然大于LNG离心泵必需汽蚀余量1.71 m,但是按照习惯设计做法,通常LNG离心泵入口至少应预留0.6 m裕量。

2)将图1中出液主管根部阀与阀SDV1间的膨胀安全阀用管道代替,原膨胀安全阀前后阀门调整至50%开度后锁开,既可避免V1、SDV1关断后出液主管超压的风险,又可起到排气的作用。

图3 管道阻力降及热损失计算模型图Fig.3 Calculation model of pipe resistance drop and heat loss

表3 管道阻力降及热损失计算结果表

根据表3,LNG在管道内流动,管道外采取了保冷措施,但是仍然有热量传入,使LNG温度升高。尤其是管道与储罐连接段,为避免管道及储罐因温度变化产生的应力造成罐壁变形,该连接段采用波纹管,且外罐壁无法承受低温,若对波纹管进行保冷,会造成波纹管周围罐壁处于低温环境,故波纹管管段是冷量损失最大的点。

CMV感染是艾滋病患者最常见的疱疹病毒感染，可分为CMV血症和器官受累的CMV病。CMV可侵犯患者多个器官系统，包括眼睛、肺、消化系统、中枢神经系统等，其中CMV视网膜脉络膜炎是艾滋病患者最常见的CMV感染。

2.2 预冷流程阻力大

开业第一件事，我们就给公司树立了一个貌似很有档次的定位——做一家有温度、有情怀、有归属感、有幸福感的新型创业公司。

2.3 泵前管路存在气阻

根据工艺流程,LNG储罐内出液主管为Φ219.1×6.35,储罐外出液主管为Φ273.0×6.35,中间采用同心异径接头连接,必然导致出液主管上部无法存满液体。

另观察现场LNG离心泵前支管有10 m的水平管道,管道上有两个支架,直接固定于地面上,无独立基础,离心泵固定于独立基础上。由于地面沉降,导致泵前管道形成了“ʌ”字型,气体在管道高点集聚,形成了气阻,见图4。

图4 泵前管道现状照片Fig.4 Current status of the pipeline before the pump

2.4 泵存在汽蚀情况

基于匹配追踪法的信号分解方法中，匹配追踪(matching pursuit)属于贪婪算法，并不是最优化算法[13,14]，它不像凸优化算法那样有一个目标函数并使之最小，而是通过一次次的迭代找到待重建k稀疏信号x的非零元素的位置及幅度，从而实现对x的恢复[15]。其具体分解过程如下：

通过分析,LNG离心泵发生汽蚀的主要原因是泵前管道存在气阻,导致LNG无法快速流到泵入口,泵入口压力降低至LNG饱和蒸气压以下,形成了汽蚀。

（2）考核内容。一是服务量考核。主要分为考核门诊诊疗人次、收治病人人数，出院人次、手术台次、床位使用率，医技科室按照计件服务数量考核。二是服务效率考核。主要考核药占比、次均费用、次均药费、医保按类别（省、市医保、城镇居民、异地医保、新农合）总费用控比、医保拒付比率。三是服务质量考核。包括医疗文书合格率，病案甲级率、科主任查房率、临床路径使用率、病种收费率，医疗安全事故率，感染发生率，基础护理合格率。四是服务行为考核。医院规章制度的遵守、药比、医疗核心制度执行、医疗收费与药品价格物价政策的执行、廉洁行医和病人满意度。

3 整改方案

针对现场存在的问题及其原因分析结果,在确保安全运行的前提下遵循动火少、用料少、方便实施的原则制定了整改方案。

3.1 完善流程

通过优化工艺流程,解决LNG离心泵预冷时间长及出液主管存在气阻的问题,主要整改点有如下几点。

1～9月，石油和化工行业增加值增长4.9%；主营业务收入9.59万亿元，增长14.8%，利润总额7121.0亿元，增幅45.2%；全国油气总产量2.46亿吨（油当量），增长1.4%；主要化学品总产量增长约2.2%。

1.2.3 无法达到额定运行工况

本文采用HYSYS工艺系统模拟软件对LNG离心泵前管道的阻力降及热损失进行计算,输入条件见表2,计算模型见图3,计算结果见表3。

机械制造过程的自动化一直是每个机械制造从业者追求的目标，现代机械制造工艺已经实现了部分的自动化，但是相信经过我们不断地创新与实践可以实现机械制造过程更加全面的自动化。

3)根据2.1节计算结果,原设计LNG离心泵启泵液位为1.2 m,汽蚀余量不足,泵入口至少应预留0.6 m裕量,故将LNG离心泵启泵液位调整至1.63 m。

优化后LNG离心泵工艺流程见图5。

图5 优化后LNG离心泵工艺流程图Fig.5 Process flowchart of LNG centrifugal pump after optimization

3.2 调整管道布置

原LNG离心泵前管道支架固定于地面,地面沉降后导致管道标高降低,针对该问题,为管道支架制作独立基础,将管道调整至水平,可适当高于离心泵入口,使LNG离心泵前管道形成一定的坡度,坡向泵吸入口。

4 整改结果

1)通过上述整改,LNG离心泵预冷时间大大缩短,按照设备操作手册控制TE温降速率为6 ℃/min,预冷时间为30 min。

式中x=(x1,x2,…xI)T∈RI是一个I维的变量，由表征优化对象的参数所构成。j=1,2…J是优化对象所能取值的区间，fj(x)是关于x的函数，表示在优化对象在j点取值时计算性能与设计指标的差异，其具体的表达式如下式所示：

2)LNG离心泵在1.63 m液位以上可顺利启动,以LNG离心泵A为例,该管路FT流量显示为32 984 kg/h,折算为体积流量约78 m3/h,转速为3 159 r/min,电机电流为39.1 A,频率为51.8 Hz,基本上接近设计能力,满足现场运行需求。

5 结论

通过对某LNG工厂LNG离心泵运行过程中存在故障的理论分析,提出了整改措施,整改后设备运行状况得到明显改善。

高血压较易发生的合并症为左心室肥厚伴左心衰竭，诱因与心脏左心房变大和心脏血流动力学改变存在相关性，与此同时，增加循环阻力后会致使左心室形成代偿性向心性肥厚，从而提升左心衰竭发生率。据有关统计表明，在高血压疾病中左心室肥厚伴左心衰竭的比例可达0.4%，同时该疾病的病情相对危重，若不能实施治疗会对其生命安全构成危及[4]。由此可见，尽早诊断和尽早治疗对生存质量的提升具有重要意义。

1)LNG离心泵预冷流程设计时,应尽量减小预冷系统的管道阻力降,泵预冷管路系统入口为LNG储罐,排气端亦接入LNG储罐,仅靠LNG液柱高度产生的压力差驱动,驱动力小,太大的管道阻力降将使LNG流动缓慢。

2)在计算LNG离心泵汽蚀余量时,应考虑管路系统吸收热量后,泵入口处LNG的饱和蒸气压高于储罐内LNG饱和蒸气压,如果简单地认为两者相同,有可能导致有效汽蚀余量考虑不足。

DC/AC控制器结构如图6所示，核心器件为TMS320F240，主要由电压和电流检测电路等组成，电压和电流检测电路主要通过比较器电路，将正弦波信号转换成TMS320F240可以识别的TTL电平信号，从而实现与电网电压信号同相.电流测量主要是使用CSM300LT电流传感器，使其在电隔离情况下测量电流，将电流信号转换成电压信号，经信号调理电路处理后送入到TMS320F240芯片.

3)LNG离心泵配管时应注意泵前管道不能形成“气袋”,若无法避免时,必须设置排气措施,确保泵前管道可充满液体。