LNG增压输送模块性能试验及其研究

洪德新

（中国船舶电站设备有限公司，上海 200129）

0 引言

环境保护的需要和日益严格的排放法规，要求更为环保的发动机和更加清洁的能源，由此带动了新能源发动机的快速发展。其中，以清洁能源利用（主要为相对稳定可靠的天然气）为主的是各类气体发动机，以降低石油产品依赖为主的是以天然气和柴油为燃料能源的双燃料发动机，都是现今的环保型发动机，下文简称“发动机”。

以天然气为燃料时，液化存储的液化天然气（LNG），须经增压输送模块增压并经气化器模块气化后供给发动机以作燃料。这些存储、输送、增压、气化、安全、控制等模块，构成了发动机的LNG供气系统。

LNG增压输送模块主要作用是将LNG储罐输出的 LNG液体增压后输送给气化器模块。设备的主要工作过程为：LNG从储罐输出，依靠液位差自然流进增压模块，经增压模块增压后以稳定的压力将LNG输送到气化器模块，气化后输送给发动机。工作过程中，所输送的 LNG流量需随发动机负载功率的变化而要求实时相应改变，以保证发动机的平稳变换运行。显然，LNG增压输送模块是发动机供气系统中的关键模块之一，其运行安全、性能可靠是以天然气为燃料的各种发动机其性能的重要保障。

对于LNG增压输送模块，根据使用环境和维修保养的需要，还要求设备的整体成组、结构紧凑、搬运方便。

LNG增压输送模块主要由潜液泵、泵池、阀件、管件和计量仪表等部件组成，构成进液回路、回气回路、供液回路、调节回路、安全回路和清洗回路等主要系统，并辅以配对管路和电气控制及连接线路。中国船舶电站设备有限公司研制的典型 LNG增压输送模块见图1和图2。

图1 LNG增压输送模块三维图

图2 LNG增压输送模块实样

1 LNG 增压输送模块性能试验方案

正由于增压模块在发动机供气系统中的重要作用，其安全、平稳及可靠工作，是发动机运行性能的重要保障。所研制的增压模块产品必须通过试验以验证其设计性能，最终完成产品的研制定型。

由于增压输送模块的工作介质是超低温的LNG（-196℃），这一增压模块性能试验的目的是在超低温环境下，通过模块在低温介质环境下的性能测试以验证模块核心部件之低温潜液泵的压力提升能力、随超低温介质流量变化的压力稳定能力以及整个模块的安全性能。

而LNG极具危险性：易燃、易爆、易渗漏。对于研制产品的各项试验，必须造就相对安全的相同或类似超低温环境：一是保证性能试验的安全，二是实测工作状态下的产品性能数据。

LNG增压输送模块试验分为密性试验和性能试验2部分。密性试验主要检测整个输送模块部件和管路阀件的气密性能，确保系统工作的安全可靠；性能试验主要检测输送模块的压力提升能力（要求达到2 MPa左右）、输送流量的稳定性能和流量变化后的稳压性能，以验证模块工作的稳定可靠。

整个模块试验的主要关键点一是超低温试验，试验介质温度为-196℃；二是模块输出流量的稳定调节。

1.1 试验原理

模块的性能试验就是测试潜液泵的性能，是通过在额定转速（频率）下的压差和流量曲线进行评估的。为得到性能曲线数据需要检测至少不同的 5个工作点，流量变化从最小到最大。测试数据得到的曲线和期望曲线进行比较从而得出整个增压输送模块的性能是否满足要求[1]。

压头和流量性能曲线应该适用于最小5个测量点的三阶多项式。

压头：ΔH用差压和测试液体密度计算得到。

式中：ΔH为压差，m；Δp为进口和出口的差压，MPa；ρ为液体密度，kg/dm3；g为重力加速度，g=9.81 m/s2。

假如测试过程中使用的流体为液氮，密度为0.84 kg/dm（30.1 MPa），LNG的密度为0.43 kg/dm3，为得到相同的性能（压头和流量），使用液氮作为介质的泵需要消耗两倍的电机功率。可见使用液氮测试，电机不能达到LNG为介质测试时的额定电流，泵不能在额定转速下测试。因此泵将运行在低转速工况下。可以使用“关联规则”，按式(2)和式(3)来预测额定转速的性能曲线[2-3]。

式中：Q为流量，l/min，直接从出口管路流量计测得。

1.2 试验设备及系统组成

增压输送模块的工作介质是-196℃的LNG，而天然气为易燃易爆气体，对增压输送模块进行性能试验时严禁使用可燃的危险气体作为试验介质，因此只能使用相对稳定的惰性气体，一般试验介质采用液氮。液氮用于测试流体是因为其能模拟任何低温液体却又没有发生燃爆的危险。当然，液氮渗漏或导致低温伤害，其属可控风险，常规的防渗漏措施即可安全使用液氮。无论如何，试验场地须经安监部门的认可。

试验所需的设备和仪表有：液态介质（液氮）储罐、安装在泵池内的待试潜液泵、压力表、温度表、流量调节阀、变频器及控制柜、流量计和显示仪表等。

试验的P&ID测试系统图见图3，该图完整地表示了各设备、测量仪器仪表、管路和阀门的连接方式。

图3 P&ID测试系统图

连接法兰之间均需安装石墨金属或四氟乙烯垫片，管接头采用低温四氟乙烯缠绕带，保证系统的整体气密性能。

1.3 试验的方法和步骤

在 LNG增压输送模块使用前，先以氮气对管路和泵池进行吹扫，并进行密性试验，确保整个模块管路、阀门和连接处均无泄漏。

在正式试验前潜液泵需要进行预冷，保证其部件和线圈温度以及泵池内温度已达到规定要求。

预冷流程如下：

1）打开输送模块进液阀（LV151）和回气阀（LV152至储罐阀）。低压流体开始自然循环。泵池开始充满液体，气体从回气管路流回储罐。

2）模块上其它控制阀必须全关。

3）等安装在回气管路上的PT100温度表检测达到设定温度（-130℃）。维持该温度至少15 min。

性能试验流程如下：

1）设置控制柜内变频器频率值到选定值然后启动潜液泵。

2）调节流量调节阀到选定流量。

3）当流量稳定后按显示仪指示观察流量值，并观察进出口压力表值和控制柜上电压电流值。

4）在液氮性能测试数据表格中记录数据。

操作流量调节阀改变工作点维持相同频率（转速）。

按上述的原理、系统和方法、步骤，最终确定整个试验大纲与详尽方案，全部试验均须严格按其执行。

2 LNG 增压输送模块性能试验

从试验的经济性考虑，采用槽车作为试验用LNG储罐，进行LNG增压输送模块的性能试验，根据上述制定的试验方法和步骤进行密性试验、预冷和性能试验，试验中利用变频器的恒压控制性能来考核潜液泵的变流量稳压性能，即变频器通过模块出口压力信号来实时自动调节潜液泵的转速，以保证模块输出LNG的压力稳定。

密性试验时关闭模块所有管路阀门，将氮气接入模块N2输入口，模块上压力表指示压力达到模块设计压力值时，关闭N2输入口阀门，在所有管接头，阀门连接处涂肥皂水，观测有无泄漏，静置模块24 h并观测压力表读数变化。

预冷时关闭模块出口阀门，回气阀门略开，当回气管路有液氮流出时，观测模块温度表指示，保持泵池内温度低于-130℃大约15 min，确保潜液泵泵体和电机充分冷却。

性能试验时，泵启动后逐渐打开出口流量调节阀（流量调节阀的开度曲线要平缓，以保证阀调节时流量变化的稳定性），流量调节要缓慢平稳，观测模块进出口压力、流量值和电压电流值。试验时注意电机频率，由于液氮和LNG相差约2倍，因此液氮试验时电机工作频率宜为额定频率的一半。

2.1 试验的注意事项

1）由于液氮是超低温，所以试验时候注意安全防护，防止冻伤。

2）LNG为可燃易爆气体，试验前输送模块必须进行密性试验，密性试验时试验介质采用氮气来检测整个模块的气密性。

3）LNG增压输送模块的试验液氮用量一般不大，因此使用储罐供气的经济性较差，试验时可以采取液氮槽车供气的方式。但槽车只能单向出液或进液，因此模块的回气管路和供液管路无法连接回槽车，只能直接外排，见图4和图5。

4）当选用槽车，回气和供液直接外排时（开式循环），需要注意安全防护。使用开式循环进行试验时，只有当回气口有液氮排出才能启动泵。

5）由于变频器启动时电磁干扰严重，因此泵组和周边测量仪器仪表需用屏蔽电缆和隔离模块，防止信号传输故障。

6）使用LNG介质时，模块所有电缆都采用防爆套管和防爆接头，并接好各设备接地线，防止爆炸事故。

7）流量调节阀的操作要缓慢，保证流量平稳上升或下降。

8）试验结束后，需要用氮气对系统管路进行吹扫，将残余液氮吹出，防止泵池内水分凝结。

2.2 关键问题的解决

模块试验的关键过程一是超低温试验，二是保证模块输出流量的稳定。

1）超低温试验

试验用液氮为介质模拟LNG的低温状态，模块有低温绝缘包覆，但试验管路无防护，因此试验操作时要注意人员防护。试验采用槽车作为储罐时，回气管路和出液管路均处于空放状态，此时要注意出口有液氮喷出。潜液泵启动前必须先预冷，在回气口有液氮溢出的情况下表明潜液泵已完全浸没在泵池中，此时才能启动泵。

2）稳定的流量输出

模块性能试验的主要目的是在调节流量的时候保证出口压力的恒定，除了泵自身的性能外，管路流量的稳定是一个关键。如果管路流量发生大幅波动，模块出口的压力将会随之剧烈波动，从而影响试验的进行。由于采用外部循环方式试验，当潜液泵运行时，模块进口的流量必须保证充足，避免泵瞬时吸空。此时需要采用减小回气管路阀门开度，进液管路阀门开度最大，出液管路阀门关小的措施来避免泵吸空，达到输出流量稳定的目的。

图4 LNG增压输送模块现场试验

图5 LNG增压输送模块现场应用

2.3 试验结果

严格按前述的各项试验大纲、要求和步骤成功地对我司所研制的增压输送模块进行了所设定的产品试验，将作为试验结果的差压数据通过压头计算公式得到压头数值，其性能试验数据见图6。

根据试验数据可以画出流量-压差曲线（图 7）和流量-效率曲线（图8）。

图6 LNG增压输送模块性能试验数据

图7 流量-压差曲线

图8 流量-效率曲线

其中虚线为期望值（理论值），表示模块理论计算的压差曲线和效率曲线；实线为实测值，表示根据试验结果绘制的压差曲线和效率曲线。

从流量-压差曲线图中可以看出，LNG增压输送模块的压差随着流量的增加下降斜率较平缓，在整个测试流量范围内，压力变化范围小于 4%，实测压力提升将近3 MPa，高于理论数值，超过了性能要求达到2 MPa的要求。另外，LNG增压输送模块的工作要求就是在流量改变的情况下能够保证稳定的压力输出，测试结果表明模块的压头变化在整个流量范围内均较平稳，性能指标满足设计要求，而且泵的效率曲线也能达到理论要求。

3 结论

根据LNG增压输送模块的试验方法进行的试验及其最终所获数据表明了中国船舶电站设备有限公司研制产品的这一试验方法是可行的，能充分反应模块和泵在超低温环境下的的性能参数，达到试验的预期要求结果。试验的方法简便可靠，对场地和设备的要求相对较低，试验的成本得到了可靠的控制，试验效果也完全能满足要求。

在清洁能源日益普及的今天，LNG的需求量越来越大，LNG增压输送模块的用途从向发动机提供燃料同时向管道输送、城市供气等领域拓展。如何安全、经济并可靠地对模块进行试验测试，正是本文所述内容。该性能试验方法或可给模块生产厂家提供新的试验方法，它的经济性、灵活性和便捷程度应能带来巨大的实际效益和发展空间。