上海液化天然氣有限責(zé)任公司 劉猛

0 引言

LNG利用是一項(xiàng)投資十分巨大、上下游各環(huán)節(jié)聯(lián)系十分緊密的鏈狀系統(tǒng)工程，由天然氣開采、天然氣液化、LNG運(yùn)輸、LNG接收與汽化、天然氣外輸管線和天然氣最終用戶等六個環(huán)節(jié)組成，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將使整個系統(tǒng)停車，而且必須對上下游環(huán)節(jié)做出巨額賠償。因此LNG利用各個環(huán)節(jié)的工藝及設(shè)備必須安全可靠。LNG接收站是其中重要環(huán)節(jié)之一，要求更為嚴(yán)格。

LNG接收站一般都坐落城市偏遠(yuǎn)的郊區(qū)。因此，LNG再汽化之前都需要經(jīng)高壓輸送泵加壓至10 MPa后，進(jìn)入汽化器汽化，以供遠(yuǎn)距離用戶使用。而高壓輸送泵在初次投用及日常維護(hù)保養(yǎng)后的預(yù)冷是接收站最復(fù)雜、最難控制的操作之一。

本文以上海LNG接收站為例闡述高壓輸送泵預(yù)冷方案、存在的問題并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 高壓輸送泵概述

高壓輸送泵是 LNG接收站外輸天然氣的動力源。高壓輸送泵將 LNG加壓后，輸送到汽化器汽化(IFV、SCV)，然后把天然氣外輸?shù)介T站。上海LNG接收站一期供配備5臺高壓輸送泵，以便對一期總的輸出流量進(jìn)行處理。通過泵的排出流量控制閥，可以對通過每臺泵的最大流速進(jìn)行限制；通過自動流量控制最小流量的旁通管，可以實(shí)現(xiàn)對低流量的保護(hù)。

高壓泵屬于立式筒袋泵，其工作溫度為：-152～-165 ℃，入口壓力為：0.80 MPa，額定流量472 m3/h，揚(yáng)程2 136 m，額定流量下的出口壓力為：10 MPa。

2 高壓輸送泵預(yù)冷方案

2.1 為什么要預(yù)冷

高壓輸送泵在正式進(jìn)入低溫液體前，要進(jìn)行充分冷卻，即預(yù)冷過程。泵的吸入口罐采用奧氏體不銹鋼材料。泵體的主要材料為鋁合金及奧氏體不銹鋼材制造。鋁和奧氏體不銹鋼材料具有優(yōu)異的低溫性能，但奧氏體不銹鋼膨脹系數(shù)較大，在極低溫度下導(dǎo)熱系數(shù)很低。為了防止在溫度變化過快、熱應(yīng)力過大而使材料或連接部位產(chǎn)生損壞等問題，所以就要求在泵進(jìn)入低溫液體前必須進(jìn)行預(yù)冷操作，并確保溫度變化率不會過大，以確保投運(yùn)安全。

2.2 預(yù)冷方案

在預(yù)冷開始前，用氮?dú)鈱Ω邏罕幂斔捅玫倪M(jìn)出口管線、泵體進(jìn)行干燥、置換，具體置換步驟和流程不是本文介紹的重點(diǎn)，但操作時必須控制氮?dú)獾牧髁坎灰诉^大，防止葉輪轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致軸承磨損，廠家推薦：0.5～5 m3/h。在置換過程中，當(dāng)高壓輸送泵及其管線滿足氧氣濃度不大于1%(體積比)、露點(diǎn)小于-40 ℃條件后就結(jié)束置換和干燥，可開始對高壓輸送泵進(jìn)行預(yù)冷。整個預(yù)冷過程按照預(yù)冷的主要部位不同可分為三個階段即：入口管線預(yù)冷、泵體預(yù)冷、出口管線預(yù)冷。導(dǎo)通相關(guān)流程確保出口管線、最小回流管線、排氣管線保證出口隔離的情況下，打通預(yù)冷時去BOG管線的流程。預(yù)冷流程見圖1所示：

圖1 高壓輸送泵預(yù)冷流程示意

入口管線預(yù)冷：緩慢打開閥門 V-01(在冷卻過程中，注意觀測低壓排放罐的液位和BOG管線溫度)，當(dāng)溫度表 TG-01溫度下降至-100℃以下時，逐漸關(guān)小并最終關(guān)閉閥門V-02。這階段主要是冷卻入口管線，并將冷氣趕入泵內(nèi)。操作過程要保證泵筒內(nèi)不出現(xiàn)LNG或LNG在進(jìn)入泵內(nèi)前，已基本汽化?？稍陂_始冷卻時先微量或間歇進(jìn)LNG，此階段共需要5 h左右。

泵體預(yù)冷：適當(dāng)控制閥門 V-01的開度，緩慢建立泵筒的液位，通過控制LNG進(jìn)液速度，來控制液位的上升速度(8～10 h上升到80%)，同時觀察泵筒液位變送器 LT-01/02和出口管線上的溫度表TG-02。當(dāng)泵筒筒液位變送器LT-01/02達(dá)到80%，關(guān)閉排氣管線和出口管線處去BOG總管的閥門，在進(jìn)行冷卻時，重點(diǎn)檢查是否有泄漏。這階段主要是冷卻泵體，控制重點(diǎn)是液位上升速度，整個過程控制在10 h。

出口管線預(yù)冷：待泵筒壓力和泵出口壓力升至約0.8 MPa和再冷凝器出口壓力接近時，慢慢打開高壓泵去再冷凝器排氣管線的出口閥。然后預(yù)冷最小回流管線，當(dāng)出口溫度表TG-02達(dá)到-100 ℃左右時，打開最小回流管線的流量控制閥并打開出口手閥。同時，調(diào)整出口管線的保冷量，打開出口總閥解除隔離。這階段主要是冷卻出口管線，考慮到壓差太大不好控制，故先將泵體升壓。本階段最好控制在5 h左右，靜置至少4 h以上，待高壓泵完全冷卻后(實(shí)際泵體浸漬LNG至少9 h)，準(zhǔn)備啟泵試運(yùn)行。

2.3 預(yù)冷方案的思考

縱觀整個預(yù)冷過程，持續(xù)時間無非是緩慢冷卻。整個過程長達(dá)24 h。如果不著急使用設(shè)備，預(yù)冷過程把握越慢越好的原則沒什么問題。

如果時間比較緊急，上面的方案就有些捉襟見肘了。究其原因主要是入口管線冷卻完畢后，在預(yù)冷泵體的時候沒有任何的監(jiān)測手段，擔(dān)心因溫降過快而引起的熱應(yīng)力過大問題。

雖然泵筒液位計(jì)可作為監(jiān)控點(diǎn)，但液位計(jì)的零點(diǎn)高于泵桶底部1 100 mm。當(dāng)有液位顯示時，泵的入口導(dǎo)輪、下軸承、1～3級葉輪已浸沒在LNG中，故泵筒在出現(xiàn)液位前，冷卻的速度只能參考泵的入口和出口溫度計(jì)。就是因?yàn)橹虚g環(huán)節(jié)沒有監(jiān)測，導(dǎo)致在過程中速度無法控制。按照廠家建議在預(yù)冷時只要保證每小時降溫在 30～50 ℃之間持續(xù)時間在8 h左右，對泵本身是沒有傷害的。但在實(shí)際操作過程中依靠進(jìn)出口溫度計(jì)監(jiān)控，根本無法把握每小時的降溫速度。要想精確的掌控預(yù)冷的速度，必須尋找中間過程有效的監(jiān)測方法，這樣才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

3 解決方法

3.1 用RTD進(jìn)行預(yù)冷監(jiān)控

為了解決在預(yù)冷過程中監(jiān)測盲點(diǎn)的問題，可以在高壓泵泵筒的上中下三個位置安裝三個 RTD (Resistance Thermal Detector)見圖2所示，通過測量泵筒的外表面溫度來監(jiān)測預(yù)冷操作。

圖2 RTD安裝布置示意

RTD監(jiān)測系統(tǒng)中所有相關(guān)的零部件必須是適合低溫環(huán)境的(溫度從-30 ～-170 ℃)。而與吸入罐表面接觸的所有材料都必須適合-170 ℃的低溫環(huán)境。

3.2 使用泵筒液位進(jìn)行監(jiān)測

另外一種方法就是改裝目前泵筒的液位計(jì)，使其零點(diǎn)在泵筒的底部，同時對泵的幾個關(guān)鍵部位點(diǎn)，進(jìn)行劃分以確定預(yù)冷過程的監(jiān)測點(diǎn)，關(guān)鍵部位點(diǎn)的劃分如圖3所示：

圖3 液位監(jiān)測預(yù)冷分段

表1 預(yù)冷分段的液位和保留時間

液位監(jiān)測器管嘴距泵筒頂部的距離大約5 m，因LNG的比重最大約為0.45，則液位監(jiān)視器的最大壓差約為0.025 MPa，因此要求液位計(jì)的精度非常高。當(dāng)吸入罐底部出現(xiàn)液位時，液位監(jiān)視器會出現(xiàn)微弱的抖動，從這個現(xiàn)象可以得知在泵筒內(nèi)已經(jīng)有液相LNG出現(xiàn)。隨后，就可以按照上述方案中描述的步驟冷卻泵。通過預(yù)冷管線進(jìn)口將LNG注入泵筒，控制液位速度在每分鐘大約23.5 mm，預(yù)冷程序完成的時間決不能少于 8 h。當(dāng)液位到達(dá)規(guī)定值就停留一段時間，使其部位充分的預(yù)冷。在預(yù)冷初始時期，一定要控制好預(yù)冷的速度，決不能將LNG通過進(jìn)口管線注入到泵筒，防止LNG噴灑在泵的一側(cè)。

4 結(jié)論

采用 RTD進(jìn)行預(yù)冷監(jiān)測時，奧氏體不銹鋼在低溫下的導(dǎo)熱系數(shù)是室溫下導(dǎo)熱系數(shù)的1/50左右，并且在常溫時奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)就很低，當(dāng)高壓泵預(yù)冷時，溫度梯度很大。也就是說當(dāng)?shù)撞縍TD的溫度接近LNG溫度時，上部的RTD的溫度還是常溫；并且當(dāng)LNG達(dá)到RTD的位置，溫度才會發(fā)生變化，短時間內(nèi)達(dá)到LNG的溫度。所以僅僅采用RTD，不能作為控制和監(jiān)測LNG預(yù)冷速度的標(biāo)準(zhǔn)，但可以作為預(yù)冷過程監(jiān)測的輔助工具。

采用改造液位監(jiān)測預(yù)冷，能夠比較準(zhǔn)確的控制LNG注入速度，從而達(dá)到預(yù)冷的效果。

個人認(rèn)為要想實(shí)現(xiàn)高壓泵預(yù)冷全過程實(shí)時、精確的控制，以液位監(jiān)測預(yù)冷為主、RTD監(jiān)測為輔的組合方式，預(yù)冷效果應(yīng)該最好。