LNG泵干氣密封的故障分析及改造
介紹了LNG泵運行中干氣密封出現(xiàn)的一些故障和改造處理措施，為LNG站的運行提供了可借鑒的經(jīng)驗。
南天電力5#燃氣輪機為alstom公司的GT13E2型燃氣輪機，由于該機型主要設計燃用天然氣，而最初建機組時未有大量天然氣供應且油價很低，故采用了燃燒0#輕柴油并注水的運行方案。后來因為油價不斷上漲，機組運行處于虧損狀態(tài)，油改氣勢在必行。該廠自建了一個中型LNG氣化站，從新疆和海南通過專用槽車運送LNG到站，氣化后用于機組發(fā)電。自建LNG氣化站工程保證了機組用氣的連續(xù)性，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為對公司的發(fā)展具有重要意義。
1、LNG氣化站系統(tǒng)介紹
LNG氣化站系統(tǒng)如圖1，主要工藝流程如下：槽車內(nèi)的LNG通過輔調(diào)或儲罐增壓器氣相增壓，液體利用卸車烴泵輸入LNG儲罐，罐內(nèi)LNG經(jīng)過輸液烴泵增壓到3.2～4.2MPa進入水浴式主氣化器(另有一路最小流量進入LNG儲罐，在起泵初期使用，流量正常時關閉)，在主氣化器內(nèi)受熱氣化為NG，進入容積50m3的緩沖管(減緩壓力波動，輸液烴泵故障時維持天然氣壓力不急劇下降，方便輸液烴泵聯(lián)動切換，確保機組安全運行)，NG 經(jīng)過主調(diào)壓站減壓到2.7MPa，經(jīng)過濾網(wǎng)與計量模塊，供給GT13E2機組發(fā)電。其中最主要的設備有卸車烴泵4臺，LNG儲罐8臺(每臺容積150m3)，輸液烴泵2臺，水浴式主氣化器2臺，壓縮機1臺，儲罐增壓器2臺，BOG加熱器2臺，主調(diào)壓器2路，輔調(diào)1路，緩沖管和集氣管各1個。氣化站8臺LNG儲罐的容量可供GT13E2機組滿負荷200MW運行一天，設計流量48 000 m3/h(標準立方)。在機組停運期間，儲罐內(nèi)的LNG受熱蒸發(fā)，儲罐內(nèi)壓力會越來越高，達到一定壓力后，儲罐內(nèi)上部的氣體經(jīng)過BOG加熱器進入集氣管，然后經(jīng)壓縮機增壓輸入高壓緩沖管，緩沖管內(nèi)的氣體經(jīng)輔調(diào)可供LNG槽車卸車時增壓用。如果LNG儲罐太高，壓縮機抽不及，可以通過儲罐的EAG排放管并經(jīng)過EAG加熱器，進入放散塔直接排入大氣。LNG的主要成分都易燃易爆，并且液體溫度可低達-160℃，危險性比較大，平時要做好防火防爆、防低溫灼傷工作。
2、LNG泵故障及改造
LNG氣化站中輸液烴泵非常重要，直接關系到機組的安全運行。由于輸送液體的特殊性，輸液烴泵不同于一般水泵，在防爆、耐低溫方面要求的很嚴格，而且由于LNG 很容易氣化，采用了干氣密封。干氣密封是一種無液體潤滑的氣體密封，它和普通機械密封的區(qū)別在于其動環(huán)上刻有螺旋槽(見圖2)，當動環(huán)旋轉時，氣體由外邊沿槽向內(nèi)徑方向流動，最后被密封壩阻擋，提高了氣體壓力，這一流體動壓作用在動靜環(huán)之間，把兩者分開，形成一定厚度的氣膜，實現(xiàn)非接觸式密封;在動環(huán)靜止的時候，密封壩與靜環(huán)端面緊密接觸，同樣可以起到很好的密封作用。我廠采用美國RUHRPUMPEN 生產(chǎn)的多級離心式輸液烴泵，2臺并列，互為備用。從運行情況看，主要有下面一些問題。
圖1 LNG 氣化站系統(tǒng)流程示意圖
圖2 干氣密封動環(huán)端面上的螺旋槽
2.1、廠家安裝質量不過關
機組運行一段時間后，其中一臺輸液烴泵卡死不能轉動。開始以為是由于預冷過快使主軸彎曲，解體檢查才發(fā)現(xiàn)是其中一個葉輪安裝有問題，運行中變形移位，與泵殼摩擦卡住。由于該級葉輪已經(jīng)不能使用，又沒有備件，只好在缺一級葉輪的情況重新安裝，作為備用，備件到位后才恢復正常。
2.2、泵體密封存在缺陷
干氣密封是20世紀60年代末期從氣體動壓軸承的基礎上發(fā)展起來的一種新型非接觸式密封，技術上是比較成熟的。但是我廠2臺輸液烴泵都多次出現(xiàn)干氣密封磨損的情況，由于進口干氣密封非常昂貴，改用成都一通科技有限公司生產(chǎn)的國產(chǎn)干氣密封，并且對輸液烴泵在結構上做了重要的改進，最終解決了干氣密封磨損問題，提高了機組的安全運行性。圖3為輸液烴泵密封結構示意圖，在設計上存在2個缺點：
(1)氣室和低壓液室之間的隔板與軸的間隙過大。由于隔板和軸之間的間隙過大，烴泵入口低壓液室與上面氣室直接連通，特別是起泵時入口壓力有0.05MPa左右的波動，入口低壓液室的冷液體就會因波動濺入氣室。鑒于此，可以在隔板孔處的軸上增加3個卡環(huán)，形成齒形密封，從而減小壓力波動對氣室的影響，避免冷液體濺入氣室�？ōh(huán)的尺寸和位置以形成比較好的密封作用而在運行中又不碰磨為原則。
圖3 輸液烴泵密封結構
(2)擋液卡環(huán)尺寸過小。運行中由于高壓密封軸套的磨損，由高壓液室進入低壓液室的液體壓力變大，流量變大，而擋液卡環(huán)尺寸過小，不能完全擋住高壓密封軸套泄漏的較高壓力的液體，同時隔板與軸的間隙又過大，部分高壓低溫液體直接噴進氣室，使氣室外壁嚴重結霜，干氣密封受冷變形，密封端面磨損，O形輔助密封圈受冷失去彈性，密封性能變差。針對此種情況，可以加大擋液環(huán)尺寸。
在上述兩個缺陷中，尤其擋液卡環(huán)尺寸過小，高壓低溫液體直接噴進氣室，造成的危害最大，所以加大了擋液環(huán)尺寸，外徑由原來的46.8mm增大到60mm。由于增加3個卡環(huán)形成齒形密封的工作量比較大，卡環(huán)質量要求高，同時由于熱脹冷縮，合適的卡環(huán)位置也不能一次性確定，暫未進行該項改造。另外，在氣室外側還裝置了環(huán)形噴淋管，起泵初期用水沖淋，減輕結霜情況。改造后，輸液烴泵干氣密封處結霜現(xiàn)象消失，NG氣室結霜大為減輕，一般只是在啟動初期，氣室下部有輕微結霜，并且通過沖水可以得到控制。
2.3、海南LNG 壓力高影響干氣密封的壽命
對于干氣密封，氣膜剛度非常重要，剛度越大，抗干擾能力越強，也即自平衡能力越好，密封運行越穩(wěn)定。氣膜剛度主要由氣體黏度和氣膜厚度來決定：氣體黏度越大，氣膜剛度越大;氣膜厚度越小，氣膜剛度越大。對于N2，其動力黏度主要決定于溫度，隨溫度升高而變大，和壓力基本沒有關系，在溫度變化不大的情況下可以看成常數(shù)，影響氣膜剛度的主要是氣膜厚度，但也并不是氣膜厚度越小越好，一般推薦的最佳氣膜厚度為2～3μm。
我廠的干氣密封是雙端面密封，結構示意圖如圖4。NG側動靜環(huán)摩擦副閉合力中的有效介質壓力為N2和NG之間的壓力差，即p2-p1(p2和p1均為表壓)，而大氣側動靜環(huán)摩擦副閉合力中的有效介質壓力為N2和大氣之間的壓力差，即p2。兩側動環(huán)共用一個彈簧，閉合力中的彈簧力相等，所以兩側閉合力的差值就是有效介質壓力的差值，也就是泵入口壓力p1：p1越大，兩側氣膜厚度差別也越大。在正常運行時，要求密封N2壓力比NG氣室壓力大0.138MPa左右，并基本保持不變，即p2-p1=0.138MPa 左右(就地表計顯示約20PSI)，所以NG側氣膜厚度基本不變，摩擦熱基本不變，N2泄漏量基本不變，其對NG側摩擦副的冷卻作用也不變，工況比較穩(wěn)定。但在保持p2-p1=0.138MPa 基本不變的情況下，如果泵入口壓力p1變大，則N2壓力p2也要相應變大，這樣大氣側氣膜厚度就會變小，對N2濾網(wǎng)精度的要求會更高。另外，大氣側氣膜厚度變小，N2泄漏量會減少，不過N2壓力變大，泄漏量增大，兩者抵消，可以認為N2泄漏量也基本不變，其對大氣側摩擦副的冷卻作用也不變;但是氣膜厚度變小，摩擦熱也增大了，密封溫度會升高。特別是泵的啟動有個過渡狀態(tài)，在未形成穩(wěn)定的氣膜前，摩擦副之間是直接接觸摩擦，泵入口壓力p1越大，直接接觸摩擦越大，對干氣密封危害越大。
圖4 烴泵干氣密封結構示意圖
我廠烴泵干氣密封在使用新疆LNG時很少出現(xiàn)問題，問題出現(xiàn)比較頻繁是在用海南LNG之后。這是因為與新疆LNG相比，海南LNG溫度高，對應壓力高，導致泵入口壓力p1高，大氣側氣膜厚度變小了，對N2的過濾精度就會要求的更高。在使用新疆LNG時由于氣膜厚度大，原來的N2濾網(wǎng)精度符合要求，能保證進如干氣密封的顆粒小于氣密厚度，危害較小，但在用海南LNG時，氣膜厚度變小，原來的N2濾網(wǎng)不能保證進入干氣密封的顆粒小于氣密厚度，危害性變大。實際檢查結果也表明，干氣密封的兩個摩擦副中，主要是大氣側有摩擦損傷(見圖5)。針對此種情況需要提高N2濾網(wǎng)精度，采用了成都一通科技有限公司的精度1μm的過濾器，從而使輸液烴泵運行情況得到大大改善。
圖5 烴泵干氣密封摩擦副損傷照片
3、結語
天然氣是清潔能源，燃燒天然氣有利于機組效率的提高，有利于機組使用壽命的延長，有利于節(jié)省運行維護成本，是燃氣輪機電廠的發(fā)展趨勢。隨著天然氣使用量的增加，LNG氣化站作為其中一個重要環(huán)節(jié)，將會越來越受到應有的重視。南天電力LNG氣化站在全國最先使用大功率輸液烴泵，運行中出現(xiàn)的一些故障和處理措施，為其他LNG站的運行提供了可借鑒的經(jīng)驗。
