LNG接收站海水循环泵的关键技术与国产化研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海东方泵业(集团)有限公司 作者:杨 勇

  海水循环泵是LNG接收站中的一个重要设备之一,主要功能是输送海水作为LNG汽化的热源。在已建的LNG项目中,海水循环泵主要由国外公司所垄断。2013年,首台国产海水循环泵在唐山LNG项目中进行调试运行,开创了海水泵的国产化实践之路。国内一些泵业公司开始重视LNG项目中海水循环泵产品的研发和国产化研究,取得了较好的效果。概述了海水循环泵的结构形式、执行标准、关键技术以及CAE优化设计。海水循环泵的国产化对于LNG项目的关键设备投资和维护具有重要的意义。

一、前言

  LNG(Liquefied Natural Gas),即液化天然气的英文缩写。天然气是在气田中开采出来的可燃气体,其主要成分是甲烷。LNG是将常压下气态的天然气深冷到-162℃,使之凝结成液体,便于储存和运输。2006~2014年,我国三大石油公司及其子公司在沿海地区建设投入运行管理的LNG接收站已有12个(见下表),年接收能力3 500万t;预计到2020年,全国将建成25个LNG接收站。作为接收站关键设备之一的海水循环泵,其安全可靠运行直接关系到LNG工艺系统的稳定性,由此可见,可靠性和耐腐蚀是该泵的关键技术指标。该产品的国产化研究应从可靠性指标入手,根据项目的属性特征开展关键技术的攻关与实践。

我国已建成的陆地LNG接收站

我国已建成的陆地LNG接收站

二、海水循环泵的结构形式

  海水循环泵在LNG接收站的工艺流程作用是输送海水至汽化器,利用海水中的热量将液态天然气汽化为常温状态,供下游客户使用。海水泵房通常布置在近海区域;泵的进口设计为低于最低海水水位3~4m。综合多种因素考虑,海水循环泵的结构形式为立式长轴泵,属于API610标准中VS1基本泵型,叶轮级数为单级或多级。泵的进口滤网位置通常低于正常海平面5m左右,泵的总长度为10~12m。单泵设计流量为2 500~5 000m3/h,扬程为28~56m;泵的具体参数取决于天然气下游客户正常使用量和汽化器的进口压力要求。

三、海水循环泵的关键技术

  海水循环泵在LNG系统中承担重要的功能,其安全可靠性是首要考虑因素。首先参考执行标准是第一影响因素,目前油气领域的离心泵产品普遍遵循的设计、生产制造标准为美国石油学会API610及其衍生的各个国家/行业标准。在我国石化离心泵产品中,企业能够参考的标准有GB/T 3215、SH/T 3139、SH/T 3140、GB/T 16907、GB/T 5656和GB/T 3216等标准。对于LNG项目的海水循环泵,我国应选择GB/T 3215作为执行标准,精心组织产品设计、质量管理体系以及生产制造、检测试验等系统性工作;同时可以参考国外产品的技术资料或产品进行逆向工程分析,消化吸收先进的技术。海水循环泵的另一项关键技术为材质选择,除了电动机架结构为碳素结构钢外,其他部件的金属材料均采用双相不锈钢或超级双相不锈钢。滤网、进水口、叶轮、导叶体、泵轴以及扬水管等大型部件的材质化学成分虽相同,但由于制造工艺差异,各部件所对应的双相不锈钢材质类别也不相同,如双相不锈钢2205即 CD4MCu;对应于美国材料试验协会的牌号有ASTMA240、A276、A283、A479和A890等。海水循环泵的滤网可采用线材A240焊接而成,泵轴采用棒材A479制成,扬水管采用板材A276焊接而成,叶轮、导叶体等采用A890铸造而成。对于小部件,如螺栓、螺母和垫片也都采用双相不锈钢材质。

  克服材料的因素外,海水循环泵的工艺也是关键技术之一。例如叶轮的工艺环节包括化学成分分析、热处理、力学测试、射线检测、着色渗透以及动平衡等,每个环节要保留详细的技术资料。对于滤网、扬水管和出水弯管等部件,主要考虑焊接工艺,如预热温度控制、焊缝处理、焊后热应力消退以及加工过程中消除残余应力等。

四、先进技术在海水循环泵的应用

  当前先进的计算机辅助设计工具对海水循环泵的优化设计发挥巨大的作用。泵的设计由两大部分组成即水力模型和结构设计。水力模型决定泵的性能和设计参数;结构设计决定泵的可靠耐久性。对于某LNG接收站的海水循环泵,设计流量6 440m3/h,扬程34m,转速744r/min,电动机功率810kW。该泵的效率要求不低于88%,净正吸入扬程(NPSH )小于8m。

  首先根据设计参数,确定比转速选择优秀的水力模型并进行优化设计(见图1~图4),将优秀的水力模型转化为产品的设计;同时进行结构的有限元计算分析,如振动、应力分布等。

LNG接收站海水循环泵的关键技术与国产化研究

五、结语

  通过对多个LNG接收站海水循环泵的资料调研及产品逆向工程分析,该产品的关键技术及其生产工艺流程已经被国内几个企业所掌握,所生产制造的海水循环泵完全能够替代进口产品。海水循环泵的国产化能够促进海洋高端装备制造业在沿海油气开发、海水淡化等领域的市场份额,具有较高的经济价值。

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