變頻LNG高壓泵及外輸系統研究

中圖分類號 TQ051.3 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）03-0498-0：

目前，我國約有30余座在運行的LNG接收站，22座在建和規劃中的LNG接收站[1]。LNG接收站外輸天然氣已經成為天然氣管網調峰的主要手段之一[1，2]。國內常用定頻LNG高壓泵及系統外輸，為了保證高操作壓力外輸，通常配套了高揚程LNG高壓泵及大功率電機（單臺功率 1000～ 2300kW， ）。由于接收站外輸工況隨天然氣管網需求（流量、壓力）變化[35，高壓天然氣管網操作壓力6.3～10MPa（G） ，且接收站設計階段LNG來源不確定，密度差別大，引起泵額定揚程裕量大，實際外輸時泵及外輸系統運行電耗高[2]。為節約電能、降低運營費用，有必要對目前的LNG高壓泵及外輸系統進行研究。

1LNG密度對泵額定揚程的影響

國內LNG接收站接卸組分、密度有較大差異的LNG，LNG高壓泵設計選型時，為保證輕組分在高操作壓力下順利外輸，通常以輕組分對應的高揚程作為泵的額定揚程，造成泵揚程設計裕量大。

如某項目中，LNG密度范圍為 403～475kg/m³ 泵進出口最大壓差為9 。揚程依下式計算：

H=Δp/（ρg）

式中 Δp -泵進出口壓差；ρ -LNG密度。

經計算，密度-揚程對應表見表1。

按照輕組分（最低密度）確定的泵額定揚程 為 2280m ，比最大密度對應的揚程高 350m ，比中 密度揚程高 150m 。

2LNG高壓泵及外輸系統

2.1 LNG高壓泵

LNG高壓泵為立式潛液多級離心泵，泵與潛液電機安裝于泵筒內，通過進出口法蘭與外部管道連接。泵由吸入罐、潛液電機、葉輪、進口導葉、軸、推力平衡機構及排出口等組成。

2.2 定頻LNG高壓泵及外輸系統

定頻LNG高壓泵及外輸系統主要由LNG高壓泵、回流閥、調節閥組、氣化器、計量系統組成（圖1），采用泵出口回流閥調節流量、氣化器入口調節閥調節外輸壓力。在外輸壓力變化范圍大時，需在氣化器人口設兩臺并聯的調節閥A/B（A、B閥的壓降一高一低）。系統操作靈活、穩定性強，是目前主要的調節方法。但是該系統需安裝成本高的壓力調節閥，且能耗高、噪音大。

2.3變頻LNG高壓泵及外輸系統

變頻LNG高壓泵及外輸系統主要由變頻LNG高壓泵、變頻器及控制系統、回流閥、調節閥、氣化器、計量系統組成（圖2）。根據外輸天然氣管網壓力需求，利用變頻器改變泵的轉速，以控制泵的流量和揚程。

其理論根據[5為當泵葉輪直徑不變時，改變轉速（轉速變化不宜超出 20%^[6] 額定轉速），其性能按下式換算：

式中 Q₁，Q₂ 轉速為 時的流量；H₁，H₂ 轉速為 n₁，n₂ 時的揚程。

3 工程例證分析

以某LNG接收站的變頻LNG高壓泵方案為例來說明。該項目外輸壓力范圍為 6.3～10MPa（G） ，泵進出口最大壓差 9MPa （設計壓差），LNG密度為 430～475kg/m³ 。

3.1 泵參數

該項目中泵的性能參數為：額定流量 （20 460m³/h 額定揚程 2130m 額定轉速 3000r/min 泵組的性能曲線如圖3所示，高壓外輸對應A（額定）點；低壓外輸對應 B 點（流量、揚程分別為460m³/h，1600m） ；中壓外輸對應 C 點（流量、揚程分別為 460m³/h，1900m ）。

3.2 能耗分析

3.2.1 外輸負荷變化對LNG高壓泵（單臺）能耗 的影響

定頻泵實際流量一般不會超過額定流量，揚程也在額定揚程以上（如圖3的額定轉速曲線），因此泵出口壓力常處于 10MPa （G）以上，也高于管網的實際操作壓力 6.3～10MPa（G） 。定頻系統需要通過調節閥組來減壓外輸，電能浪費巨大。

按照下式計算得出各外輸情況下泵的軸功率 P ，并列于表2。

P=pgQH/m

式中 g^? （204號 重力加速度；H? 揚程；Q -體積流量；η 泵的效率；ρ 液體密度。

如 460m³/h 中壓外輸，定頻泵工作在圖3的A點（定頻 460m³/h，2130m） ，變頻系統泵工作在 C 點 （460m³/h，1900m） C 點比A點軸功率低 163kW 即節電 163kW?h 。

如 400m³/h 中壓外輸，定頻泵工作點 F （400m³/h，2200m） ，變頻泵工作點 E（400m³/h ，1900m ）， E 點比 F 點軸功率低 203kW ，即節電203kW?h 。

實際運行過程中， 6.3，10MPa （G）極限運行的工況出現時間很短。因此，能耗采用中壓外輸工況來計算最合適。

由表2中的數據可知，采用變頻LNG高壓泵及外輸系統時，低壓外輸工況、中壓外輸工況下電耗為 1134，1347kW?h （以軸功率計），比采用定頻LNG高壓泵及外輸系統（ 1509kW 并考慮變頻器損耗約 35k W時，可節省 340kW 和 127kW 。

由表3可知，泵額定流量下，累計使用 8000～ 16000h 即可收回增加的成本。如果額定流量以內運行，變頻泵系統節能效果將會更佳。電價按照每度 （kW?h）0.6 元計。

3.2.2LNG密度變化對能耗的影響

在泵額定流量 460m³/h 時，以LNG最小密度403kg/m³ 對應的泵揚程（ 2280m 為額定揚程，泵效率為 76% 。在輸送密度為 475kg/m³ 的LNG時，僅需 1930m 揚程即可滿足 ）MPa 的壓差，但實際泵揚程是 2280m ，定頻泵會浪費 220kW?h 電能；在輸送密度為 430kg/m³ 的LNG時，定頻泵多消耗100kW?h 電能。若采用變頻LNG高壓泵便可通過變頻調節，即在圖3等流量線 AB （揚程范圍 1600～ 2130m ）上調節運行，這樣不會有電能浪費，節能效果明顯。

通過以上分析可知，變頻調節可匹配天然氣管網實際需求，隨著累計時間的增加，節能效果明顯。當然，對于外輸壓力波動不大的接收站，還需要核算變頻器成本、變頻器 1%～2% 的電損耗，再視情況決定是否采用變頻泵及外輸系統。

4定頻、變頻LNG高壓泵及系統技術和成本分析

通過與國內外主要泵制造商技術交流，對LNG高壓泵的變頻與定頻方案及系統進行技術分析，對比結果列于表4。

由表中內容可知，變頻泵組的電機定、轉子槽需要加強，其他結構基本與定頻泵組無差異。需要增加變頻器，可減少1臺壓力調節閥。因此，定頻變頻泵組及系統成本基本相當，但是變頻泵及系統隨著使用時間的累計，節能效果會越來越明顯。

LNG高壓泵是接收站最大的用電設備之一，接收站LNG高壓泵總用電量約占LNG項目用電總負荷的約 50% 。變頻泵組采用變頻啟動，對裝置電力系統沖擊小，還有利于優化變壓器的選型，可控制成本。電機啟動電流見表5。

5 LNG高壓泵變頻調轉速與LNG接收站各外輸模式的匹配

目前LNG接收站可以采用定壓力、定流量、階梯流量等外輸模式。

定壓力外輸即泵定揚程運行，如采用中壓外輸，泵通過調轉速在等揚程線CD（圖3）上變流量外輸，流量范圍最小連續流量 120～600m³/h ；定流量外輸即泵按照穩定的流量外輸，如以額定流量460m³/h 外輸，即等流量線 _AB （圖3）上外輸，揚程范圍 1 600～2 130m ，覆蓋對應外輸壓力范圍；階梯外輸即分時間階段以不同的流量和壓力外輸，變頻LNG高壓泵及外輸系統也容易實現。

但是頻繁改變LNG高壓泵的轉速，會縮短轉動部件的使用壽命，影響泵組平穩運行。結合目前LNG接收站采用外輸模式，可根據各LNG接收站長期實際運行參數，吃透管網需求，找到幾種外輸模式下泵組及系統的最佳工作點，固定下來。做到既節能又保障泵的長期穩定運行。

6結束語

國內LNG接收站高壓泵目前采用定頻模式，中低壓變頻技術及設備成熟，變頻LNG高壓泵及外輸系統能完全適用于LNG接收站定壓力、定流量、階梯流量的外輸模式，且具有性能穩定、能耗低的特點。雖然目前國內鮮有應用，但其節能優勢明顯，對已建LNG接收站，可根據自身外輸情況，進行技術分析和改造；新建LNG接收站可直接新上部分變頻泵組及系統。該方案能有效解決目前國內LNG接收站LNG高壓泵及外輸系統電耗高的問題。

全國LNG接收站及類似負荷變化較大的烷烴類罐區外輸系統也采用此系統，將會大幅降低外輸電耗，具有很大的社會經濟效益。

參考文獻

[1］劉筠竹.LNG接收站的發展趨勢［J].煤氣與熱力，

2021，40（9）：11-15；45.

[2] 趙文亮.山東天然氣管網運行特性分析[D].青島：中國石油大學（華東）：2018.

[3] 郭潔瓊，仇晶，杜學平.華北華東地區天然氣季節調峰對比分析探討［J].石油與天然氣化工，2012，41（5）：488-490;539.

[4]張金冬，譚羽非，于克成，等.天然氣市場發展消費特點及調峰方式分析[J].煤氣與熱力，2019，39（10）：1-6;44.

[5] 全國化工設備設計技術中心站機泵技術委員會.工業泵選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

[6] 朱貞濤.制冷空調系統中離心泵變頻調速的性能分析與試驗[J].流體機械，2001，29（11）：58-60；28.

[7]艾程柳，黃元峰，王海峰，等.潛液式液化天然氣泵用變頻低溫異步電機的關鍵參數設計[J].中國電機工程學報，2015，35（20）：5317-5326.

[8]艾程柳，黃元峰，王海峰，等.潛液式LNG泵用變頻低溫異步電機的運行性能研究［J].電工技術學報，2015，30（14）：138-145.（收稿日期：2024-06-25，修回日期：2025-05-20）

Research on Variable Frequency LNG High Pressure Pump and Output System

XIAO Xing-jun， ZHU Chun-zao （China Chengda Engineering Co.，Ltd.）

AbstractWhen LNG receiving stations adopts fixed-frequency LNG high-pressure pumps and output system，the rated head of the LNG high-pressure pump is adopted based on a light component to ensure smooth output of the natural gas under high operating pressre in the pipeline network.A large design margin for the head results in high power consumption during pump operation. To avoid the occurrence of this situation，an LNG high-pressure pump driven bya variable-frequency submersible motor was adopted. Based on the similarity theory of centrifugal pumps，an optimal scheme was proposed to satisfy the natural gaspipeline network through variable-frequency regulation and the external transportation system and its actual cases were to show that，the variable frequency LNG high-pressre pump and output system have controllable investment，stable reliability and energy conservation.

Key Words LNG High-pressure pump，LNG output system， variable frequency drive and control system. cost，energy conservation