陳子如 鄧志晟 吳 波 汪國洪

〔中石化廣東惠州石油分公司 廣東惠州 516008；2浙江湖州三井低溫設備有限公司 浙江湖州 313000〕

1 國內(nèi)加氣站LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵的使用現(xiàn)狀

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)清凈、安全高效的化石能源，與油品相比具有單位熱值高、排氣污染小、供應可靠、價格低等優(yōu)點，是被廣泛使用的一種替代燃料。到2016年底，我國已建成投用LNG、L-CNG、CNG加氣站多達4 000余座，投入運營3 000余座。

圖1 采用國產(chǎn)LNG、L-CNG泵加氣站

由于我國LNG、L-CNG加氣站設備的開發(fā)、生產(chǎn)相對較晚，早期建設的LNG、L-CNG加氣站的關鍵設備LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵均采用進口設備。隨著加氣站建設的快速發(fā)展，我國的研發(fā)、生產(chǎn)廠商攻克了材料、密封件等一系列難題，已生產(chǎn)了一系列LNG、L-CNG加氣站配套設備，如LNG潛油泵、L-CNG高壓柱塞泵、LNG加液機、CNG加氣機等，使LNG、L-CNG加氣站主要設備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，大大降低了建站與運維成本。現(xiàn)將近幾年以來采用國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵建設加氣站的一些經(jīng)驗介紹于下供同行借鑒與參考。

圖2 采用國產(chǎn)L-CNG高壓柱塞泵氣站

2 國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵的主要特性

LNG潛液泵作為LNG加氣站的主要動力設備，主要用于LNG液化天然氣加氣站對LNG液化天然氣的增壓，通過LNG加液機向車載LNG杜瓦瓶充裝液化天然氣。目前隨著城市環(huán)保壓力的增加、LNG公交汽車及重載卡車的成熟發(fā)展，在環(huán)保及經(jīng)濟因素的雙重影響下，LNG產(chǎn)業(yè)近幾年一直處于蓬勃發(fā)展狀態(tài)，特別在西部LNG氣源地，物流、貨運、長途汽車應用普及已經(jīng)十分成熟。

目前加氣站用LNG潛液泵通常采用二級、三級、四級/立式、離心泵結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、性能可靠的特點。機組整體放入泵池中，無動密封，密封可靠性高。潛液泵由低溫潛液電機、低溫軸承、主軸、葉輪、導葉、誘導輪、殼體等組成，電機與泵同軸，通過連接法蘭與泵池連接，整體放入泵池中，使用時整體浸入低溫介質(zhì)。電機為定制低溫恒轉(zhuǎn)矩變頻電機，恒轉(zhuǎn)矩頻率為0～100 Hz,最高轉(zhuǎn)速一般為6 000 r/min。工作時泵出口壓力可設置為定值(通常為1.2～1.4 MPa)，恒壓變頻，泵自動控制調(diào)整，主要參數(shù)見表1。泵組軸向力通過葉輪口環(huán)調(diào)整進行平衡，通過多流道平衡式導葉設計平衡水力徑向力、殘余軸向力和徑向力由低溫軸承承受。軸承為定制進口低溫軸承，通過輸送介質(zhì)潤滑，碟簧支撐、定位，可吸收機組定轉(zhuǎn)子低溫變形而帶來尺寸定位差。潛液泵所有零件的材料選擇和加工工藝都經(jīng)過精心設計，充分保證介質(zhì)的兼容性與安全性。配套泵池為真空保溫容器，為保證潛液泵的正常運行，一般設有進液管、出液管、回氣管、放空管、殘液排放管、安全閥、電纜接口、溫度傳感器、液位傳感器等接口。

表1 LNG潛液泵基本參數(shù)

由于機組整體浸入LNG液化天然氣中，軸承依靠LNG進行潤滑冷卻，潤滑條件惡劣，且機組僅在加注或卸車時使用，啟動次數(shù)非常頻繁，相對于其它長期穩(wěn)定連續(xù)運行的離心機組，軸承磨損較快，所以軸承為其主要易損零件。軸承本身質(zhì)量及安裝、運行環(huán)境的好壞直接決定了機組的使用壽命。通常在進液口及上軸承沖洗口均設有過濾裝置，以減少雜質(zhì)進入軸承內(nèi)。

LNG加氣站的LNG潛液泵結(jié)構(gòu)見圖3。加液時泵的出口壓力=泵池/儲罐壓力+泵的增壓壓力，而正常加液時，泵的出口壓力一般設置為1.2～1.4 MPa，所以在加液時，不同儲罐壓力下，泵的運行頻率有所不同，可在控制系統(tǒng)中通過出口壓力的聯(lián)鎖，設置恒壓變頻來自動實現(xiàn)。同時對于加氣量較大的LNG加氣站(加液量大于6 000 kg/d)，可以適當提高儲槽壓力至0.5 MPa以上，可以減小泵運行轉(zhuǎn)速、功率，提高機組壽命，減小因電機發(fā)熱產(chǎn)生的冷損耗。對于目前加氣站加液時單臺加注速度約為30～50 kg/min，兩臺加液機同時加注最大約100 kg/min，體積流量約14.5 m3/h。

圖3 LNG潛液泵結(jié)構(gòu)圖

L-CNG高壓泵主要用于給液化天然氣增壓、氣化后進入高壓(25 MPa)儲氣瓶組或儲氣罐,進而通過CNG加氣機實現(xiàn)給CNG汽車加氣。目前隨著進口LNG液化天然氣價格降低的帶動，在一些地方出現(xiàn)了液化氣與管道氣價格倒掛的現(xiàn)象(LNG價格便宜)，采用L-CNG高壓泵增壓方案的CNG加氣站也出現(xiàn)一定的增長趨勢。

L-CNG泵通常采用活塞式往復泵結(jié)構(gòu)，填料式往復密封，流量的大小主要通過冷端與傳動箱組合設計來實現(xiàn)。由于活塞力的存在及傳動機構(gòu)的承載能力，單一冷端(泵頭)泵的流量有限，為了增大泵的流量，可采用并列多列冷端來增加泵的流量。為減小冷量損失，通常采用雙層高真空泵頭。

泵的活塞動密封是泵的最關鍵技術之一?；钊芊馔ǔ橘N緊式密封，密封件屬于易耗品，其可靠性及壽命主要取決于密封件的結(jié)構(gòu)及材料自身的潤滑性和耐磨性，密封件的壽命決定了L-CNG高壓泵的維護周期與主要維護成本。目前某些國產(chǎn)品密封壽命一般為3 000 h以上(累積純運行時間)，其優(yōu)越表現(xiàn)超過了進口同類產(chǎn)品。當然還可對密封部位采用恒溫控制進一步提高壽命。

L-CNG高壓泵運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性也是衡量泵的技術和質(zhì)量的主要因素。穩(wěn)定性表現(xiàn)在運轉(zhuǎn)連續(xù)性和對不良管路系統(tǒng)的適應能力。優(yōu)良的泵設計和制造，可以降低泵的氣蝕余量，同時把管路和泵產(chǎn)生的BOG盡快導引出泵腔外，使泵的容積效率保持在較高水平，運行聲音清脆有力。泵運行的平穩(wěn)性一般表現(xiàn)在泵的震動與噪音上，過度的震動和噪音不僅對管路固定和焊縫安全是極大的危害，環(huán)境帶來噪音污染，而且對泵本身的使用壽命影響也極大。設計制造優(yōu)良的泵必須對偏心轉(zhuǎn)動的傳動箱及高速旋轉(zhuǎn)的皮帶輪進行合理的動平衡，同時要對泵內(nèi)進出液閥的動態(tài)特性進行深入的計算與模擬，并平衡泵的吸入性能，以合理的設計來減少泵閥的沖擊，以減少噪音和震動的產(chǎn)生。某國產(chǎn)低溫高壓泵目前能將滿載噪音控制在82dB以內(nèi)。L-CNG高壓泵的外形見圖4、參數(shù)見表2。

圖4 L-CNG高壓柱塞泵圖

表2 L-CNG高壓泵基本參數(shù)

3 國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵的選型與應用

3.1 LNG潛液泵選型

LNG潛液泵作為LNG加氣站的關鍵設備，主要用于LNG液化天然氣加氣站對LNG液化天然氣增壓，通過LNG加液機向車載LNG杜瓦瓶充裝液化天然氣。

3.1.1 LNG加液的兩種主要方案

(1)雙計量加液。LNG加液機內(nèi)有兩個流量計量表，分別對進入車載LNG杜瓦瓶的LNG液化天然氣進行計量和車載瓶通過回氣槍輸出至儲槽的BOG進行計量。加氣量=LNG計量質(zhì)量-BOG計量質(zhì)量。

(2)單計量加液。LNG加液機內(nèi)只有一個流量計量表，僅對進入車載LNG杜瓦瓶的LNG液化天然氣進行計量。

由于LNG液化天然氣與CNG氣態(tài)天然氣的價格差異，且多數(shù)加氣站沒有BOG(閃蒸氣)回收設備，對于LNG加氣站來說，加注出去的LNG液化天然氣與回收的CNG氣態(tài)天然氣中間將產(chǎn)生冷量損失，如無BOG回收系統(tǒng)，大量回收后天然氣會造成儲槽升壓，安全閥起跳排放，造成損失，且污染環(huán)境。所以目前國內(nèi)大量的LNG加氣站均采用單計量(LNG加注)加液機。泵向車載LNG杜瓦瓶輸送液體，需要克服泵出口至LNG瓶的系統(tǒng)阻力：管路(含閥門)阻力、氣瓶內(nèi)部壓力。系統(tǒng)阻力=管路阻力+氣瓶內(nèi)部壓力。

3.1.2 流量選取

根據(jù)GB 50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》要求，LNG潛液泵進口速度≯1 m/s(DN65 mm管徑,200 L/min),出口速度≯3 m/s(DN40 mm管徑,226 L/min),而LNG加液機的單機加液速度一般為150 L/min(9 m3/h),雙機為300 L/min(18 m3/h)，所以通常對于單泵單機加氣站的流量選取約為10 m3/h, 單泵雙機加氣站的流量選取約為18 m3/h即可。

3.1.3 揚程選取

LNG潛液泵屬于低溫離心泵，泵的出口壓力=泵的進口壓力+泵的揚程產(chǎn)生的增壓壓力。當泵的出口壓力≥系統(tǒng)阻力時，泵向車載杜瓦瓶輸送液體。由于加注時，泵的進口壓力基本恒定，所以其輸送速度取決于泵在該揚程下對應的流量。車載杜瓦瓶通常的最大額定壓力為1.6MPa，但對于多數(shù)車載瓶一般使用壓力≤1.4 MPa,現(xiàn)暫以1.4 MPa出口壓力分別對常壓儲槽(20 kPa)、LNG槽車(0.8 MPa)和帶壓儲槽(1.2 MPa) 進行揚程選取說明：

(1)常壓儲槽潛液泵的進口壓力幾乎可以忽略不計(一般均<0.05 MPa)，所以此時泵需增壓約1.4 MPa,泵的揚程選取為330 m(以LNG密度為425 kg/m3計算，以下均同)。

(2)LNG槽車潛液泵進口壓力一般處于0.1～0.8 MPa之間，屬于變壓力工況，泵需增壓1.3～0.6 MPa,泵的揚程為305～142 m,所以采用變頻調(diào)速方式來調(diào)節(jié)泵的揚程。選泵時需選擇壓力1.3 MPa, 泵的揚程為305 m。如果加氣站每天的加注量大，可采用增壓器輔助增壓，保持槽車壓力處于較高水平(0.5 MPa以上，此時僅需增壓0.9 MPa,揚程211 m)，這樣可適當降低泵的揚程要求。對于同一款潛液泵機組來說，可降低使用轉(zhuǎn)速，以提高泵的使用壽命及可靠性，降低泵的功率，減少電損失。

(3)帶壓儲槽潛液泵進口壓力一般處于0.3～1.2 MPa之間，屬于變壓力工況，泵需增壓1～0.2 MPa,泵的揚程為235～47 m, 所以采用變頻調(diào)速方式來調(diào)節(jié)泵的揚程。選泵時需選擇壓力1.3 MPa,泵揚程為235 m。如果加氣站每天的加注量大，可采用增壓器增壓方式，保持儲槽壓力處于較高水平(0.5 MPa以上，此時僅需增壓0.9 MPa,泵揚程211 m)，這樣可適當降低泵的揚程要求。對于同一款潛液泵機組來說，可降低使用轉(zhuǎn)速，提高泵的使用壽命及可靠性，降低泵的功率，減少電損失。

3.1.4 汽蝕余量選取

該參數(shù)為泵進口處對液體過飽和能力的要求，通常以液位高度計算,單位m，通常為1.3～1.5 m。每個轉(zhuǎn)速、流量點下的氣蝕性能是不一樣的。通常以額定點進行標記、考核。泵選取時，當然該參數(shù)值越低越好，但是相應的產(chǎn)品價格也不一樣，所以選取泵時，需結(jié)合設備現(xiàn)場的安裝、保溫等工況，選取適合的機組。

3.1.5 電機功率選取

電機功率基本是恒定的，輸出功率主要取決于泵的輸出流量、揚程、轉(zhuǎn)速等水力效率，電機熱損失、機械損失等電機效率。潛液電機整體浸入泵池低溫液體中，沒有單獨的散熱系統(tǒng)，電機散熱全部被低溫液體吸收，使LNG液化天然氣汽化形成BOG。所以選取泵時，不僅需要看水力效率，更重要的是考核整機效率。

綜上所述，在選取LNG潛液泵時，需要確定以下主要參數(shù)：①儲槽/槽車使用壓力；②LNG杜瓦瓶的殘余壓力；③潛液泵至加液機之間的管道阻力；④儲槽/槽車液位高度及其至潛液泵之間管路的壓力損失。SLP-18/200潛液泵H-Q參數(shù)表見圖5。

圖5 SLP-18/200潛液泵機組系統(tǒng)運行及調(diào)速曲線

3.2 L-CNG高壓泵選型

L-CNG高壓泵作為L-CNG加氣站的關鍵設備，主要用于L-CNG天然氣加氣站對LNG液化天然氣增壓，再通過高壓汽化器后進入儲氣瓶組或儲氣井，通過CNG加氣機向車載CNG高壓氣瓶充裝氣態(tài)天然氣。

3.2.1 流量選取

規(guī)劃加氣站建站時設計好加氣站的每天加氣量及每小時的最大加氣量標準狀態(tài)m3/h、儲氣容積(高壓氣瓶組/儲氣井)，以便選取泵的流量。正常泵的流量按L/h(/1 000 L/h=1m3/h)計算,天然氣的氣液比≈600(1 m3LNG=600 m3標準狀態(tài)CNG)，確定泵流量時，泵流量L/h=小時最大加氣量標準狀態(tài)m3/h×1.67。

3.2.2 出液壓力

泵的進口承壓能力，根據(jù)儲罐或槽車壓力等級確定；

出口一般選取泵的最大出液壓力為25 MPa。

汽蝕余量選取。該參數(shù)為泵進口處對液體過飽和能力的要求，通常以液位高度計算,單位m,通常為1.4～1.6 m左右。選取泵時，當然該參數(shù)值越低越好，但是相應的產(chǎn)品價格也不一樣，所以選取泵時，需結(jié)合設備現(xiàn)場的安裝、保溫等工況，選取適合的機組。

綜上所述，選取L-CNG高壓泵時，需要確定以下主要參數(shù)：①泵的流量L/h或m3/h；②儲槽/槽車使用壓力；③泵的最大出口壓力；④汽蝕全量(以儲槽/槽車液位高度計量)及其至潛液泵之間管路的壓力損失。

4 結(jié)語

筆者所在企業(yè)從2013年使用國產(chǎn)LNG潛液泵、L-CNG高壓柱塞泵至今，目前安裝于加氣站運營的LNG潛液泵已連續(xù)安全運營4年多，累計工作達7 000多h尚未開蓋更換配件，L-CNG高壓柱塞泵已連續(xù)運營4年，累計工作達6 800多h未更換配件(每運行約3 000 h換密封組件，每年更換潤滑油二次)。在加氣站運營180余臺潛液泵、近2 000臺L-CNG高壓柱塞泵運營良好，經(jīng)多年的實踐驗證，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)LNG潛油泵、L-CNG高壓柱塞泵運行安全可靠、性價比高、噪音低、適應性廣，完全可以取替同類進口產(chǎn)品。