LNG离心泵故障原因与对策研究

2023-09-11李延春

石化技术 2023年8期

关键词：预冷离心泵储罐

李延春

陕西延长石油（集团）有限责任公司天然气股份有限公司陕西延安 716000

离心泵故障按照成因可以进一步划分成泵、管道以及机械故障等问题形成的故障，使泵在实际运行中产生异常噪音和振动等问题，为此需要密切结合具体工程案例，针对离心泵故障开展系统分析，形成合理应对策略，保障整个离心泵系统的稳定持续运行。

1 离心泵分析

1.1 组成结构

离心泵主要包括泵壳、叶轮、轴、轴承以及轴封装置等部分构成，泵壳作为整个离心泵中的核心元件，泵壳内部主要是一种螺旋液道形式，第一种功能是可以对叶轮内甩出液体实施全面收集，进一步成为液体流通通道，第二种是逐步扩大蜗壳通道，充当基础能量转换设备。泵主要是利用叶轮针对液体做功，叶轮主要包括开式、闭式、半开式三类形式。其中闭式叶轮适用于传输各种干净液体，具有较高传输效率。半闭形式叶轮能够支持传输具有固体悬浮物液体以及浆料，整体传输效率较低。开式叶轮适用于传输包含固体颗粒液体悬浮物，整体传输效相对较低。轴与轴承方面，泵轴一端主要用于对叶轮进行固定，一侧装设联轴器。联系整个泵大小，可以选择滑动轴承和滚动轴承。轴承装置在使用中可以预防泵壳中的高压液体顺着轴四周泄漏，同时还可以预防空气渗入泵壳[1]。

1.2 运行原理

离心泵正式运行前，需要将液体灌满泵体，原动机牵引下进一步引导叶轮和泵轴转动，在叶轮转动中会带携带液体运动，液体通过叶轮得到动能和压力能。在泵壳中流入液体后，因为蜗形泵壳内流道持续扩大，进一步降低整体流速，其中某些动能转化成静压能，为此基于较大压力下压出液体。叶轮中心变成真空状态，贮槽液面上层压强超出叶轮中心，吸入管部位液体处于压差影响下流入泵中，对液体排出部位进行有效填补，持续吸入液体，同时按照相应压力排出，在叶轮持续转动中，液体进行持续压出或吸入[2]。

1.3 常见故障和解决对策

离心泵常见问题主要包括无法正常启动、异常振动、停止排液、功耗扩大、轴承发热、排液后中断以及流量不足等问题，为此需要针对上述问题进行有效处理，对于泵无法正常启动的现象，需要对原动机和电源进行检测，判断泵是否产生卡滞，必要条件下可以实施解体检测。如果是平衡管不畅，可以对整个平衡管进行全面疏通，对于排除阀关闭问题需要进行重新启动。对于泵不排液的现象，通常是灌泵不足导致的，为此可以进行重新管泵，检车泵转向和转速，疏通滤网，减少杂物。对于泵排液后中断问题，如果是吸入管漏气，需要对吸入一端的管道连接节点进行细致检测，判断填料函密封性，管泵中未能彻底排放吸入侧气体，为此需要进行重新灌泵。对于管道内部流量不足的问题，需要对系统压力以及液体高度进行细致检查，扩大阻力损失。对止逆阀以及管路等障碍进行仔细检测，有效控制叶轮、壳体磨损，为此可以对叶轮以及耐磨环进行及时修理更换。对于轴承发热现象，需要对各个模块连接精度进行细致检测，及时涂抹润滑油[3]。

2 LNG 离心泵故障案例分析

2.1 故障分析

LNG离心泵属于LNG行业中应用较为频繁的设备之一，联系设备安装位置差异可以进一步分成外置离心泵和潜液离心泵，其中潜液离心泵在实际运行中不需要实施预冷处理，系统保持稳定运行但需要投入较高成本。LNG储罐外部主要以外置离心泵为主，在正式启动运行前需要针对系统设备实施预冷处理，整个设备安装便利，成本造价相对较低，广泛应用于加注站、小型储罐等设备当中，需要重点关注相关工艺计算、管道布置以及工艺流程设计，不然便会影响系统设备的稳定运行。

某LNG企业从投运后经常会遇到LNG离心泵无法正常启动，系统异常等问题，影响了LNG装车运输的正常操作，在设备故障较为严重情况下会无法正常运输储罐中储藏的LNG，阻碍生产。针对该种问题需要进一步强化现场监测，加强数据采集，深入调查研究，明确故障成因，联系故障问题设计有效的整改方案，帮助LNG离心泵顺利消除各种故障问题。

某个LNG企业中设置了一个10000m3单包容LNG储罐，额外设置三个LNG离心泵，LNG储罐对应出液管主要分布在侧壁部位，LNG离心泵主要分布在储罐防火堤中，结合现场系统运行工况分析，发现主要存在无法顺利预冷、启动反常以及达不到额定运行工况等问题。结合LNG离心泵相关标准文件手册分析，LNG离心泵处于预冷操作中，整体降温速度应该小于30℃/min，预冷时间大于30min。但在设备运行中，SDV1以及NB1在联锁后，设备呈现出全开形态，开启V1、V2两个阀门，导通泵入口管路。对泵前的管路预冷阀门进行全面启动，等待10min后将V5阀关闭，开启V3预冷阀，TE1温度缓慢提升，按照2℃/min进行了长达2个小时的预冷操作。启动方面结合标准文件分析，LNG离心泵对应液位是1.2m，但在运行实践中，LNG离心泵相关启动液位超出7m，即便处于该种条件下，依然需要进行预冷、启动、预冷等多次反复操作后才能顺利启动。在正式启动LNG离心泵后便可以实现持续稳定运行，到管内液位达到1m及时停车。运行工况方面，在开启LNG离心泵后，对应输出流量是每小时40m3，电机电流达到27.6A，频率是70HZ，出口压力是0.37MPa，泵相关运行压力以及流量均未达到额定值（见图1）。

图1 LNG离心泵工艺流程

解析出现上述故障成因，对LNG离心泵进行汽蚀分析，判断设备选型以及管道设置方面产生问题。在启动LNG离心泵中，将罐内部压力限制于109kPa，对应大气压是89kPa，启泵设计液位是1.2m，对应出液管道的接口压力达到114.4kPa。LNG离心泵产生汽蚀问题主要是叶轮进口对应介质压力低于入口温度相关饱和蒸汽压形成的。储罐内对于常温液体，液相和气相达到某种气液平衡，储罐内气相压力是液体饱和蒸气压，流经泵管路中液体不会产生任何温度变化，相关饱和蒸气压也不会产生变化。从低温介质层面分析，特别是LNG温度相对较低，管道内部流通中随着吸收各种热量出现升温现象。此次案例中，LNG于管道中流通，并在管道外部应用保冷技术，但依然存在热量传入，促进LNG升温。特别是储罐和管道连接部位，为预防储罐和管道因为温度变化应力导致管壁变形，通过波纹管充当连接段，同时外管壁不能有效承受低温，如果对波纹管实施保冷处理，容易使波纹管对应管壁置于低温环境内，为此波纹管管段也成为最高冷量损失节点。

预冷流程存在较高阻力，此企业LNG离心泵主要通过LNG离心泵相关入口管道引导LNG传输至泵前，同时在泵出口止回阀后安装预冷线，在现场运行操作中预冷速度相对较慢，由于预冷管道存在较高阻力，进一步降低了LNG流动速度。结合相关设计资料，泵后止回阀属于轴流止回阀，启动压力是10kPa，等同于2.3mLNG液柱。该企业相关设计启泵液位是1.2m，泵入口拥有3.96m的液柱高度，抛除止回阀开启压力后仅存在1.66m压差，LNG相关流动驱动力较小，延缓泵预冷过程。

泵前管路产生气阻现象，结合相关工艺流程分析，LNG储罐中设置有φ273×8mm的出液主管，中部通过心异径接头实施全面连接，使得出液主管上层无法正常灌满液体。除此之外，对现场的LNG离心泵实际分布状况进行观察可以发现前支管存在10m长水平管道，并在管道中设置有两个支架，在地面中进行直接固定，没有独立基础，独立基础中设置离心泵。因为地面沉降，使泵前管道工程A字型，气体全面汇集于管道高点，产生气阻，见图2。

图2 泵前管道

泵前汽蚀问题，LNG离心泵在产生汽蚀后，除了会使泵体产生机械损伤之外，还会导致泵流量大幅度下降，电机电流也会相继降低，导致产生空载问题。结合研究分析发现，LNG离心泵通常是泵前管道气阻导致汽蚀问题，影响LNG流速，无法迅速传输至泵入口，导致泵入口压力下降，低于LNG饱和蒸汽压，产生汽蚀现象。

2.2 解决措施

结合现场实际运行问题和问题成因分析，在保障系统设备安全运行基础上按照方便实施、少用料以及低动火的基础原则合理设计整改措施。进一步优化健全各项工艺流程，对LNG离心泵中的出液主管气阻以及长时间预冷问题进行有效处理，第一是对LNG离心泵相关后管道排气阀、预冷BOG回气主管进行全面连接，促进预冷流程和LNG离心泵相关出口止回阀有效隔离开来，进一步降低LNG离心泵预冷流程中的管道阻力。通过管道取代出液主管根部各个阀间设置的膨胀安全阀，原本的膨胀安全阀需要对前后阀门开度进行合理调整，变成50%开度后进一步锁开，可以预防阀门关断后相关出液主管产生超压问题，发挥出良好的排气功能。LNG离心泵相关设计泵业位是1.2米，存在汽蚀余量不足的问题，最少应该在泵入口预留0.6m裕量，为此可以针对LNG离心泵相关启泵液位实施合理调节，提升到1.63m。管道布置调节中，最初只是在地面设置LNG离心泵的管道支架，随着地面沉降，进一步降低管道标高，对于该类问题，可以针对管道支架创建独立基础，对管道水平进行合理调节，可以适当超出离心泵入口，在LNG离心泵相关前管道设计中形成一定坡度，坡向泵吸入口。结合有效的整改调节，进一步减少了LNG离心泵的预冷操作时间，结合设备操作手册对TE温降速率进行合理调控，将其限制在每分钟6度以下，维持30分钟的预冷处理。LNG离心泵基于1.63米液位之上能够支持正常启动，比如此次中的LNG离心泵，相关管路流量FT是每小时32984kg，换算成体积流量是每小时78m3，具体转速是每分钟3159转，电机电流是39.1A，运行频率是51.8赫兹，和设计能力较为接近，符合现场系统运行现实需求[4]。