深冷大流量LNG高壓外輸泵的自主研發

畢曉星 陳海平 黃 宇 萬學麗

1.中海石油氣電集團有限責任公司 2.大連深藍泵業有限公司

0 引言

我國天然氣進口的方式主要為管道氣和LNG。截至2019年4月，我國沿海共有LNG接收站21座，總接收能力為8 862×104t/a，未來規劃能力超過2×108t/a[1-3]。因此，LNG接收和再氣化裝置關鍵設備的國產化就顯得重要而迫切。

大型LNG高壓外輸泵是LNG接收站的核心設備之一，其作用是將從儲罐出來的低壓LNG進行增壓，送入氣化器，從而實現LNG的氣化外輸[4]。目前，國際上高壓泵技術被EBARA和NIKKISO公司壟斷。我國大型LNG高壓外輸泵長期依賴進口，存在著交貨期長、價格昂貴、維修成本高、售后服務不及時等問題，嚴重制約了我國LNG產業的發展[5]。因此，大型LNG高壓外輸泵的國產化研制，對于打破國外技術壟斷、降低運營成本、實現我國LNG接收站建設的自主化都具有重要的意義。

1 LNG高壓外輸泵國產化研制

LNG高壓外輸泵通常安裝于LNG接收站工藝區，分為半地坑式與地面式兩種類型。泵的結構形式為立式多級，泵與電機共軸，一同安裝在吸入筒體內[6]。泵組密封采用貫穿接頭，將電機導線與外部動力電纜、測振探頭與外部監測系統進行連接并密封，保證電力及信號傳輸的同時，實現了泵內LNG介質的密封，提高了運行的安全性[7]。

2019年以前，國內在大型LNG接收站用LNG高壓泵的研制方面尚屬空白，已經建成或在建的LNG接收站高壓泵均為進口[8]。中海石油氣電集團有限責任公司（以下簡稱“氣電集團”）以LNG罐內低壓泵研究成果為基礎[9]，聯合中海浙江寧波液化天然氣有限公司（以下簡稱“浙江LNG”）、大連深藍泵業有限公司（以下簡稱“大連深藍”）開展LNG高壓泵自主化研制與新技術開發，提高氣電集團在LNG產業鏈上的核心設備國產化程度，增強業務開拓與設備采購中的自主性，夯實其在國內LNG行業的領軍地位。

1.1 設計參數

結合進口LNG泵的運行特點[10]，開展全新水力模型設計，對部分結構的穩定性、可靠性進行優化。開展大型鋁合金件鍛造工藝和熱處理工藝研究，以及大流量、高揚程、大功率泵的全速全流量測試技術研究，主要設計參數如表1所示。

表1 LNG高壓外輸泵及其電機設計參數表

1.2 總體結構設計

結合EBARA、NIKKISO、CARTER等公司已投用設備的運行情況[11]，LNG高壓外輸泵采用泵與電機共軸的結構，電動機直接浸沒在LNG介質中，利用LNG進行冷卻，使電動機一直處于冷態，且不需要防爆，增加了運行的安全性。轉子采用多點軸承支撐結合的方式，軸承利用輸送的LNG進行潤滑和冷卻，葉輪采用分瓣卡環、鎖緊螺母定位，提高了運行的穩定性且便于用戶運行操作[12]。裝置的軸向力平衡采用自平衡推力盤結構，減小了軸承運轉時的推力負荷。國產樣機與進口設備對比如表2所示。

表2 國產樣機與進口設備對比表

1.3 關鍵技術研究

1.3.1 轉子動力學分析

LNG高壓外輸泵的工作溫度為低溫（－162 ℃），其轉子部件在低溫作用下會發生收縮變形，導致泵卡死不能正常運行[13]。為了保證泵組在低溫下的正常運行，需要對泵組結構進行轉子動力學分析，模擬過程如圖1、2所示。轉子臨界轉速計算需要考慮軸、葉輪、誘導輪、電機、阻尼、平衡盤等質量分布與轉動慣量，以及不同轉速下低溫介質支撐液膜剛度。通過開展水力模擬分析，從理論方面驗證水力模型的準確性[14]，模擬結果表明該高壓泵外輸泵設計滿足項目運行要求，具備下一步加工制造的條件。

1.3.2 軸向力平衡

泵和電機共用一根軸，泵的軸向力平衡與否是影響泵的部件使用壽命的主要因素[15]。LNG高壓外輸泵的工作溫度低，工作環境苛刻。為確保LNG高壓外輸泵在低溫條件下工作的穩定性與可靠性，可以采用軸向力平衡裝置，延長軸和軸承等關鍵零部件的使用壽命[16]。該泵采用能夠連續調節平衡軸向力的平衡裝置，以及自主研發的小半徑推力盤平衡機構，通過對轉子扭轉狀態進行模擬分析，確保了全流量范圍內軸向力的自動調節平衡和軸承的零推力負荷運轉，延長了泵體和軸承的使用壽命。

1.3.3 安全運行監測

為了對設備的健康狀態進行有效的評估，需對設備進行安全運行監測[17]。目前，LNG高壓外輸泵的安全運行監測主要分為振動監測、液位監測、壓力監測和溫度監測等[18]。

1.3.3.1 振動監測

在靠近中間軸承位置的殼體上，設置有振動加速度計，監測機組振動，保證安全可靠運行。

1.3.3.2 液位監測

在泵吸入筒體上，分別設置導波雷達液位計與差壓液位計，時刻監測筒體內液位，保證泵吸入液體充足，防止泵的抽空造成嚴重的損壞。

1.3.3.3 壓力監測

在貫穿接頭壓力保護腔處，分別設置有壓力變送器，時刻監測泵內或大氣側是否有泄漏，保證泵組的安全運行。

1.3.3.4 溫度監測

在吸入筒體上，在不同高度位置分別設置有溫度傳感器，在泵預冷時，用以判斷冷卻狀態，在運行過程中，輔助監測筒體內的液位。

1.3.4 變頻技術應用

隨著國內多座LNG接收站投產運行，在生產運營和節能降耗方面積累了豐富經驗[19]。本項目在LNG高壓泵上增加高壓變頻裝置，避免了設備啟動時大電流對電機的沖擊，在非滿負荷運行條件下自動調速，有效降低設備能耗，是實現接收站綠色發展的重要方式之一。

2 性能測試

2.1 水力性能測試

為了檢驗不同流量下的泵性能是否滿足設計要求，全新設計制造了電機外掛式的試驗工裝，對其在泵轉速為2 960 r/m下的水力、汽蝕、泵停及機械性能進行了測試，得到了水力性能測試數據（表3）。其結果表明，LNG高壓外輸泵滿足設計要求（表1）。

表3 水力性能測試數據表

2.2 液氮（LN2）低溫性能測試

LNG高壓外輸泵對安全性的要求極高，泵和電機在低溫條件下運行，因此需對泵進行低溫條件下的性能測試，通過測試檢驗LNG高壓外輸泵在低溫條件下運行時的各項性能是否滿足設計要求。LNG潛液泵輸送的介質為低溫液化天然氣，考慮到成本和安全問題，試驗介質采用低溫LN2。在常壓下，LN2溫度為－196 ℃，密度（ρ）為808.3 kg/m3，動力黏度（μ）為1.8×10－4Pa·s，其動力黏度與LNG的動力黏度相近，密度約為LNG的兩倍。工廠內開展液氮介質測試如圖3所示，測試數據如表4所示。

表4 LN2性能測試數據表

2.3 工業化測試

為了準確試驗泵的各項性能，判斷是否能夠滿足現場的運行要求，國產首臺LNG高壓外輸泵在浙江LNG完成安裝調試（圖4），開展了工業實流性能測試。

結果表明：泵整體運轉情況良好，無異常聲響。振動值在流量設計工況點409 m3/h時振動最小，基本與廠內測試時0.6～0.8 mm/s的振動值相當，且均不高于1.0 mm/s，滿足設計要求。流量在157～305 m3/h的小流量區域，振動值相對較大；流量在157 m3/h時，振動數值約為1 mm/s；流量在305～433 m3/h區域，振動值變小，介于0.7～0.8 mm/s。

泵的揚程、軸功率及效率計算公式如下[20]。根據現場實測的壓力、液位、功率等實驗數據，可計算得到泵的揚程、泵的軸功率及泵的效率。

式中H表示泵的實測揚程，m；p1、p2分別表示泵的入口壓力和出口壓力，MPa；ρ表示介質密度，取429 kg/m3；Pz、Ps分別表示泵的軸功率和實測功率，kW；φ表示電機的功率因素，取0.876；ηd表示電機效率，取93.6%；η表示泵的實測效率；Q表示實測流量，m3/h；g表示重力加速度，m/s2。

將LNG高壓外輸泵現場實際運行數據（表5）、LN2性能測試數據（表4）與水力性能測試數據（表3）進行對比，結果如圖5所示。

表5 LNG高壓外輸泵實際運行數據表

由圖5可知，LNG高壓外輸泵在2 960 r/m轉速下實際運行時，實測數據的各流量點包含在工廠測試流量范圍內。實測數據在各流量下的揚程與工廠測試得到的流量—揚程曲線基本吻合，僅在流量較小時，揚程有一定的偏差，隨著流量的增大，偏差逐漸減小。以LNG為介質的實測數據在各流量下的軸功率與工廠測試得到的流量—軸功率曲線基本吻合，偏差隨著流量的增大略有增大。以LNG和LN2為介質時泵的效率高于同轉速下以水為介質時泵的效率，主要原因是以水為介質的性能測試采用電機外掛的方式進行，此時的機械效率低于完全處于LNG和LN2低溫介質下測試的效率。

圖6為現場LNG測試值與規格書要求值的對比圖，由圖可知，現場測試的流量—揚程曲線，除小流量區域外，其余流量下基本能夠在規格書中要求的流量揚程允許偏差的0～2%范圍內。

2.4 國內外設備運行參數對比

國產設備各項性能滿足規格書的要求，其主要指標達到同類產品先進水平，其中效率指標達到進口泵同等水平，振動指標優于進口泵（表6）。

表6 國內外設備運行參數對比表

3 結論

國產首臺LNG高壓外輸泵完成了水力性能分析、LN2低溫測試和現場工業化測試，實際測試數據與結果表明，該泵整體運轉情況良好，無異常聲響，滿足浙江LNG項目設計要求。針對超低溫工況，攻克了低溫泵設計、制造、試驗測試關鍵技術，形成了一套低溫高壓多級泵結構設計及可靠性分析方法。本成果通過中國機械工業聯合會與中國通用機械工業協會組織的科技成果鑒定，其主要的技術指標與國際同類產品相比，已達到了國際先進水平，打破了國外對于低溫高壓多級泵結構設計的壟斷，填補了國內LNG高壓外輸泵技術的空白。

國內石油公司、高校、制造廠家通過加強產學研合作，歷經十年技術攻關，擺脫受制于人的被動局面，積極推動LNG接收站核心設備國產化。LNG高壓外輸泵實現國產化后，較進口設備投資節省30%以上，供貨周期縮短6個月，經濟和社會效益顯著，為我國LNG項目的建設及運營提供了后備力量，保證了我國重大裝置關鍵設備的自主化，具有重要的推廣應用價值。