彭 超

中石油京唐液化天然氣有限公司

0 引言

在國內(nèi)天然氣需求量快速增長的大環(huán)境下[1-2]，各大能源公司資本快速布局，積極推動國內(nèi)LNG接收站建設(shè)，而已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的大型LNG接收站，擴(kuò)建以提高產(chǎn)能也成為必然的趨勢[3-4]。位于渤海灣北部、毗鄰京津冀城市群的唐山LNG接收站，自2011年3月投產(chǎn)運(yùn)行以來，一直擔(dān)負(fù)著為京津冀地區(qū)，尤其是首都北京保供天然氣的重任。2014年12月，LNG接收站二期工程投產(chǎn)運(yùn)行，在原有4臺高壓泵的基礎(chǔ)上增設(shè)了5臺高壓泵，同時增設(shè)了氣化設(shè)施[5]。LNG接收站最大氣化外輸能力由2 200×104m3/d提升至4 200×104m3/d，成為目前國內(nèi)氣化能力最強(qiáng)的LNG接收站。與國內(nèi)外其他大型LNG接收站[6-10]類似，新增設(shè)高壓泵在運(yùn)行過程中也出現(xiàn)了LNG管線流量分配不均的問題，嚴(yán)重制約了LNG接收站冬季外輸?shù)姆€(wěn)定性[11-12]。通過總結(jié)唐山LNG接收站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和實際參數(shù)，找出影響多臺高壓泵之間流量分配的主要因素，進(jìn)而對操作方式和工藝流程提出改進(jìn)措施，以期更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 多臺高壓泵流量分配問題分析

1.1 唐山LNG接收站高壓外輸工藝流程概述

唐山LNG接收站在冬季采用閃蒸氣（Boil off Gas，BOG）再冷凝工藝流程[13-17]，再冷凝后的LNG溫度介于-156.4～-145.7 ℃[18]，冷凝后的LNG進(jìn)入LNG高壓泵加壓至9.5 MPa，輸送至下游的浸沒燃燒式氣化器[19]、開架式海水氣化器[20]及冷能利用裝置[21]等氣化設(shè)備[22]進(jìn)行換熱氣化，氣化后的高壓天然氣外輸至下游天然氣總管網(wǎng)。

1.2 唐山LNG接收站高壓泵的設(shè)計

唐山LNG接收站高壓泵使用的是日本日機(jī)裝（NIKKISO）公司生產(chǎn)的低溫離心泵，設(shè)計溫度為-170～65 ℃，設(shè)計壓力為13.9 MPa，額定處理能力為460 m3/h，有效氣蝕余量為3.1 m，泵氣蝕余量為0.2 m，主要部件有球軸承、低溫潛液式電機(jī)、平衡轂、擴(kuò)散器、葉輪、誘導(dǎo)輪和底閥等（圖1）。

圖1 高壓泵結(jié)構(gòu)示意圖

此設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、軸承損耗低、便于裝拆、不易氣蝕[23]等。對于泵本身的保護(hù)，聯(lián)鎖保護(hù)邏輯（圖2）涉及的參數(shù)有飽和蒸氣壓、泵出口流量、軸承振動、泵罐液位和電纜穿線管壓力。

圖2 高壓泵聯(lián)鎖保護(hù)邏輯圖

1.3 多臺高壓泵并聯(lián)運(yùn)行風(fēng)險分析

唐山LNG接收站高壓泵多臺并聯(lián)運(yùn)行時，最大的風(fēng)險就是在啟動、停止上下游相關(guān)設(shè)備或調(diào)節(jié)單臺高壓泵的流量時，另外某臺高壓泵可能會突然出現(xiàn)出口流量驟降的現(xiàn)象，從而引起出口流量低低聯(lián)鎖停車，造成高壓輸出總管壓力波動，甚至?xí)μ嚫邏罕玫臋C(jī)械結(jié)構(gòu)造成損傷[24]，例如2014年某次跳車后，1號泵因誘導(dǎo)輪出現(xiàn)破裂返廠維修。根據(jù)實際運(yùn)行參數(shù)分析這一現(xiàn)象的原因，主要有以下幾點(diǎn)。

1.3.1 入出口總管π形彎結(jié)構(gòu)因素

根據(jù)泵結(jié)構(gòu)安全間距、LNG入出口管線布置（圖3）、安全閥及附屬結(jié)構(gòu)所需空間綜合考慮，唐山LNG接收站高壓泵設(shè)計間距介于7～9 m，那么9臺高壓泵所匹配的管廊直線距離至少為56 m。

基于LNG介質(zhì)的低溫屬性，管線冷縮[25]產(chǎn)生的應(yīng)力會帶來管線位移的風(fēng)險，根據(jù)《石油化工企業(yè)管道柔性設(shè)計規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)[26]，管線冷縮量的具體計算公式如下：

式中Δt表示冷縮位移，mm；L表示管段長度，mm；α表示管線鋼的熱膨脹系數(shù)，mm/(mm?℃)；ΔT表示管段溫降，℃；

根據(jù)唐山LNG接收站低壓輸出管線最低工作溫度（-160 ℃）計算，管段溫降達(dá)到180 ℃，那么：

因此，為了避免設(shè)備投用后最大設(shè)計的132 mm冷縮位移量產(chǎn)生，設(shè)計時不得不在二期高壓泵出入口總管上游加入π形彎結(jié)構(gòu)以補(bǔ)償冷縮應(yīng)力。

但是，π形彎結(jié)構(gòu)同樣有負(fù)面作用，較之于直線管線，其管道壓力損失更大，尤其是在高壓泵流速突然變化時，處于π形彎下游的泵更容易出現(xiàn)抽液和排液困難的問題。

1.3.2 出口閥開度控制因素

根據(jù)可考察的設(shè)備問題記錄跟蹤分析，高壓泵出口閥開度與流量低低聯(lián)鎖跳車或故障現(xiàn)象呈相關(guān)趨勢（圖4）。

每次高壓泵流量分配問題出現(xiàn)之前，運(yùn)轉(zhuǎn)高壓泵的出口閥開度往往集中在15%～30%之間，當(dāng)高壓泵出口閥開度低于15%時，高壓泵往往處于單臺運(yùn)轉(zhuǎn)或雙臺運(yùn)轉(zhuǎn)模式，不涉及搶流量問題；而在高壓泵出口閥開度超過35%時，各高壓泵的流量普遍超過390 m3/h，接近滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)且流速充足，也不易引發(fā)流量分配問題。

圖3 LNG入出口管線布置圖

圖4 高壓泵流量問題分布圖

以2016年某次5號高壓泵故障現(xiàn)象及測試結(jié)果為例，各高壓泵原本在320 m3/h負(fù)荷下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但在調(diào)節(jié)匹配各高壓泵流量時5號高壓泵突然出現(xiàn)出口流量及壓力降低的情況，直至跳車。后重新啟動測試發(fā)現(xiàn)：在出口閥開度超過15%時，高壓泵出口壓力就會持續(xù)降低，但是保持出口閥開度45%以上測試運(yùn)轉(zhuǎn)，則再未出現(xiàn)類似現(xiàn)象。至2019年初，5號泵未經(jīng)過任何維修且運(yùn)轉(zhuǎn)正常，這也說明了出口閥開度是影響流量分配驟然變化的重要因素，尤其是π形彎附近的泵影響更加明顯。

1.3.3 最小回流管線與止回閥位置因素

高壓泵在LNG接收站處于樞紐工藝位置，上游連接核心設(shè)備再冷凝器，下游輸送至各氣化外輸設(shè)備。因此，為防止啟動瞬間對上下游工藝安全造成影響，以及保障高壓泵在非欠載狀態(tài)下運(yùn)行，各LNG接收站普遍設(shè)計最小回流管線，唐山LNG接收站高壓泵出口管線的設(shè)計如圖5所示。

圖5 高壓泵出口管線圖

為了防止泵電機(jī)在最小回流管線倒流的LNG作用下引起停止?fàn)顟B(tài)的高壓泵葉輪反轉(zhuǎn)，高壓泵在泵出口位置——最小回流管線上游設(shè)置了雙止回閥。但是在多臺高壓泵并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)且新啟動的某高壓泵PUMP-X的入口LNG壓力不足的工況下，這一設(shè)計就會帶來問題：在高壓泵PUMP-X出口閥打開后，由于止回閥不能夠阻止其他高壓泵輸出的LNG倒流通過高壓泵PUMP-X的出口管線，PUMP-X的回流管線流量就會被其他高壓泵瞬間搶占（圖6）。

這樣一來，在倒流LNG的影響下，PUMP-X輸出的LNG壓力不足以頂開雙止回閥，就會處于危險的欠載工作狀態(tài)。以2015年某次8號泵的同類故障現(xiàn)象為例，當(dāng)時其出口流量監(jiān)測示數(shù)降為0 m3/h，且現(xiàn)場泵體和止回閥位置也伴隨出現(xiàn)規(guī)律性巨烈振動和巨大響聲。

1.3.4 高壓泵氣相放空工藝流程因素

為了避免高壓泵泵井內(nèi)吸熱產(chǎn)生的BOG不斷在泵井堆積導(dǎo)致高壓泵氣蝕風(fēng)險，國內(nèi)各LNG接收站均設(shè)計在泵井頂部設(shè)置泵井放空管線，一般選擇將產(chǎn)生的BOG放空至再冷凝器氣相[27]或通過排凈總管返回儲罐。唐山LNG接收站同時設(shè)有上述工藝管線，可以在此2種工藝流程間互相切換，在2017年之前，一般在外輸?shù)就队门艃魞蘖鞒?，在大外輸期間投用放空至再冷凝器流程（圖7）。

但是在多臺高壓泵運(yùn)行時投用放空至再冷凝器流程，就相當(dāng)于將高壓泵系統(tǒng)與再冷凝器氣相進(jìn)行了聯(lián)通，由于再冷凝器的背壓較高，多臺高壓泵泵井內(nèi)的BOG就很難完全排凈，通常會在泵井頂部10%部分堆積。這樣一來，一旦新的高壓泵啟動或者下游高壓總管壓力突然下降，再冷凝器的氣相BOG就會瞬間返回高壓泵泵井[28]，甚至有進(jìn)入高壓泵葉輪吸入口的風(fēng)險，與再冷凝器臨近的泵也會出現(xiàn)抽液困難的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其LNG流量降低，只有重新調(diào)節(jié)各高壓泵出口閥開度進(jìn)行再平衡才能重新穩(wěn)定流量分配。

圖6 高壓泵流量被搶占LNG走向圖

圖7 高壓泵放空至再冷凝器流程圖

2 改進(jìn)建議

通過對各個因素的分析，可以得出影響高壓泵流量分配穩(wěn)定性的主要因素（表1）。根據(jù)具體的影響因素提出以下改進(jìn)建議。

表1 高壓泵流量影響因素分析表

2.1 π形彎結(jié)構(gòu)的改進(jìn)建議

由于高壓泵實際所占用空間的必然性，π形彎結(jié)構(gòu)的低壓輸出總管和高壓輸出總管在大型的LNG接收站不可避免，那么就只能在運(yùn)行管理方面進(jìn)行改進(jìn)，以削減不利影響。唐山LNG接收站實際運(yùn)行經(jīng)驗表明，啟動處于在運(yùn)泵下游的高壓泵，就易出現(xiàn)在運(yùn)高壓泵的流量、入口壓力及泵井液位波動情況，而啟動在運(yùn)泵上游的高壓泵過程中，則幾乎不會出現(xiàn)流量及泵井液位波動現(xiàn)象。因此，在大外輸環(huán)境下，唐山LNG接收站規(guī)定了9號高壓泵至1號高壓泵的優(yōu)先啟動順序，這樣就可以最大限度地減小π形彎管結(jié)構(gòu)對高壓泵的不利影響。

但這一措施也具有一定的負(fù)面效應(yīng)，那就是LNG接收站長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，越是上游的高壓泵所運(yùn)轉(zhuǎn)的時間就越短，在各泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時數(shù)差距增大后，其維護(hù)檢修周期就會不一致，給后期維護(hù)保養(yǎng)工作帶來麻煩而且增加成本[29]，對于進(jìn)口設(shè)備高壓泵而言，這是一個不容忽視的問題。針對這一問題，可以通過在外輸?shù)景才攀褂蒙嫌胃邏罕玫拇胧┻M(jìn)行控制。

2.2 出口閥開度的改進(jìn)建議

在多臺高壓泵投用的大外輸環(huán)境下，各高壓泵往往處于大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，那么，增大各高壓泵出口閥的開度就十分必要[30]，否則，在出口閥小開度節(jié)流降壓的作用下，各高壓泵之間的流量分配問題就會被放大。

值得注意的是，在高壓泵出口閥開度較大時，其本身的流量調(diào)節(jié)作用就會被削弱，高壓泵出口流量的大小就會取決于下游氣化裝置的入口閥開度。因此，在調(diào)節(jié)下游氣化裝置負(fù)荷時就要注意調(diào)節(jié)速度，防止流量驟然變化引起的高壓泵超載風(fēng)險。

2.3 止回閥位置改進(jìn)建議

無論是LNG接收站還是LNG調(diào)峰站，高壓泵出口止回閥的設(shè)計往往是統(tǒng)一的。由于雙止回閥對高壓泵的重要作用，在日常巡檢及拆解檢修中，必須要重視止回閥的工作狀態(tài)，在高壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)時檢查止回閥附近是否具有周期性的響聲，高壓泵停機(jī)拆解后檢查止回閥是否能完全關(guān)閉、有無異物阻塞都是十分必要的。

對于即將增設(shè)二期高壓泵設(shè)備的LNG接收站，欲從根源上避免高壓泵在開啟出口閥后出現(xiàn)的欠載問題，可以考慮在最小回流支線引出點(diǎn)下游、高壓輸出匯管上游增設(shè)一個止回閥，就可以有效防止其他泵出口的LNG倒流回高壓泵出口管線，確保最小回流管線能夠正常工作。

2.4 高壓泵放空流程的改進(jìn)建議

大外輸環(huán)境下，雖然高壓泵的工作溫度很低，每臺高壓泵入口產(chǎn)生的BOG很少，但在高壓泵啟動瞬間，泵井放空至再冷凝器氣相的工藝流程仍具有導(dǎo)致泵井液位迅速降低的風(fēng)險。因此，對于大型LNG接收站而言，最安全的工藝方法還是將高壓泵泵井與低壓排凈總管聯(lián)通，利用儲罐的低背壓來保證高壓泵泵井始終充滿LNG。

但是，這一工藝方法同樣具有一定的不利影響，那就是會導(dǎo)致少量再冷凝后的熱LNG返回儲罐，增加儲罐的BOG蒸發(fā)量，降低LNG接收站工藝系統(tǒng)內(nèi)BOG的處理效率。針對這一問題，各LNG接收站都進(jìn)行過相關(guān)分析論證，發(fā)現(xiàn)LNG接收站的最大BOG蒸發(fā)量往往取決于卸船期間的BOG閃蒸量，非卸船期間的BOG產(chǎn)生量對罐壓控制來說屬于次要因素，在接收站規(guī)模擴(kuò)大過程中可以通過增設(shè)BOG壓縮機(jī)的方式來保證罐壓穩(wěn)定。

3 結(jié)論

在唐山LNG接收站二期高壓泵投運(yùn)4年以來，管理人員從設(shè)計角度分析了行業(yè)內(nèi)普遍存在的LNG泵流量分配問題，并通過實際運(yùn)行積累的經(jīng)驗，對高壓泵的運(yùn)行管理進(jìn)行了以下優(yōu)化改進(jìn)建議：

1）合理制訂高壓泵啟動順序，大外輸環(huán)境下優(yōu)先啟動高壓輸出總管遠(yuǎn)端的高壓泵。

2）投用合理數(shù)量的高壓泵，將出口閥開度控制在較高水平。

3）始終投用泵井放空至儲罐工藝流程，規(guī)避BOG堆積泵井影響泵罐液位穩(wěn)定的風(fēng)險。

4）時刻關(guān)注高壓泵出口止回閥工作狀態(tài)，定期檢查。

對于LNG接收站增設(shè)遠(yuǎn)期高壓泵或新建LNG接收站的設(shè)計，提出以下設(shè)計優(yōu)化建議：

1）管線π形彎結(jié)構(gòu)參數(shù)計算需精確，嚴(yán)格控制π形彎的尺寸，以求盡量減少對高壓泵壓力穩(wěn)定的影響。

2）高壓泵泵井放空至儲罐的流程十分必要，即使出于節(jié)能角度考慮設(shè)置放空至再冷凝器的流程，也同樣需要設(shè)置放空儲罐流程，以供必要時進(jìn)行流程切換。

3）在高壓泵最小回流支線連接點(diǎn)下游的合適位置增設(shè)止回閥，保證高壓泵在惡劣工藝條件或機(jī)械結(jié)構(gòu)突發(fā)性故障時，能夠在非欠載工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，避免葉輪反轉(zhuǎn)、損壞風(fēng)險。