论柱塞泵在L-CNG行业中的运用

概述柱塞泵在L-CNG加气站的运用
史海峰
（张家港中集圣达因低温装备有限公司，张家港市金港镇南沙港西中路，215632）
摘要：随着全球能源结构多元化，传统石油能源日益枯竭，国际原油价格高举不下，天然气作为一种新兴清洁能源，近10年在国内得到迅速发展。

往复式低温柱塞泵是一种体积泵，主要用于流量小，压力高（20Mpa）的液体的输送，通过空温式汽化器将低温高压的LNG转化成常温高压的CNG，经过高压储气瓶组的存储，供CNG汽车车载气瓶使用。

本文通过对柱塞泵原理的分析，讲述柱塞泵在L-CNG加气站工程中的布局及使用。

关键字：柱塞泵，L-CNG，加气站，运用。

前言：L-CNG加气站一般由低温储罐（储液区）、往复式低温柱塞泵（动力设备）、高压空温式汽化器、充气顺序控制盘、水浴加热器（往往运用于冬季气温较低的地区）、高压储气瓶组及CNG加气机组成（图1）。

储罐内低温低压的液体（LNG）经柱塞泵做往复式运动加压成20Mpa左右的低温高压的液体，通过空温式汽化器转换成常温高压的气体，经充气顺序控制盘供高压储气瓶组存储，变成高压常温的压缩气体（CNG），最后通过CNG加气机对车载气瓶进行充装。

本文通过对低温柱塞泵结构和原理的分析，使柱塞泵在L-CNG加气站中得到合理有效的布局，从而避免柱塞泵在运行过程的空车现象，达到效益最大化。

图1：L-CNG加气站的工艺流程图，其中GV1至GV8 是紧急切断阀，可见L-CNG加气站由柱
塞泵进液、回气、出液三段管路，辅以紧急切断阀、低温截止阀、安全阀、高压卡套球阀组成。

一、柱塞泵的结构及原理：
往复式低温柱塞泵主要由三部分组成：一、三相异步电机（变频电机），是柱塞泵
的动力驱动设备；二、传动箱，产用油浸式的凸轮轴（偏心轮）及轴承结构，将电机输出的机械能传递给泵头做往复运动进行液体的压缩；三、低温真空泵头，由缸体、缸套、活塞组件、各类密封器、进出液单向阀等组成[1]（图2）。

往复式低温柱塞泵是一种正变量的体积泵，主要运用流量小，输出液体压力较高
（20Mpa ）的不受污染的场合[2]，往复式低温柱塞泵与其他泵相比，故障率较高，稳定性较差，其故障主要表现为，泵后压力上不去和效率不高（压力上升很慢）。

工作原理：三项异步电机带动偏心轮做往复式运动时，当活塞杆往后拉时，活塞压
缩行程变长，工作腔内的空间变大压力变小，当工作腔内压力低于进液腔的压力时，工作腔的单向阀打开，液体由进液腔进入工作腔，由于低温的液体是不能被压缩的，活塞杆往前运动时，进行加压液体，所以活塞杆在做往复运动时，使机械能转化为液体的压力能，液体的压力越压越高，当压力高于出口压力时，出口处单向阀打开，液体排出去，柱塞泵如此往复的输送液体，实现低温低压的液体加压成低温高压的液体（图3）。

所以往复式低温柱塞泵前半个周期是吸入液体，后半个周期是排出液体，排液是间
断式的，并非是连续的。

图2：国产某公司的往复式低温柱塞泵，从左往右依次为三相异步电动机、传动箱、
低温泵头。

图3：往复式低温柱塞泵工作原理简图，图片来源于互联网。

二、L-CNG 加气站工艺管路布局：
1、储罐：
对于L-CNG 加气站而言，储罐尽量使用立式低温储罐，使LNG 液体的净正压头（NPSH ）足够大，储罐至少有2个口，底部的液体排放口和顶部的气体排放口。

对于在特殊的无法使用立式低温储罐情况下，使用卧式储罐时，卧式储罐的底部支撑高度尽量在2米以上，以提高净正压头（NPSH ）。

2、柱塞泵的进液管路：
储罐液体的排放口到柱塞泵的进液口的管路布局尽量简洁其间的距离尽可能的短（一般距离控制在5米以内），管路上尽量减少不必要的阀门，液体每经过一个阀门就会产生一个压损，故一般配一个低温截止阀和一个紧急切断阀即可。

管路沿储罐液体排放口至泵进液口应有向下倾斜的坡度，避免产生龙门虹吸管路，以造成管路的进液不畅。

同时管路要进行严格的保冷处理，可以产用PPI 发泡保冷，配以马蹄子和铝皮进行防水防腐处理[3]。

有条件的该段管路产用真空管路，泵的进液管路的保冷效果直接影响到柱塞泵的使用效率，设计和布局时应该审慎考虑和认真施工。

柱塞泵输送的液体在大多数情况下是出于饱和状态的，在储罐向泵输送液体过程中，由
于压损而使部分液体气化，形成气腔，慢慢形成气蚀，直接影响到泵的工作效率和泵的使用寿命，因此泵的进液管路的正确安装就显得十分重要了
[1]。

3、柱塞泵的回气管路：
柱塞泵的回气管到储罐的气体排放口的管路布局同样需要布局简洁且距离尽可能短，泵回气口至储罐气相口管路有一个向上倾斜的坡度，避免产生龙门虹吸管路，从而造成回气不畅，管路同样需要做保冷处理。

储罐在向泵输送液体过程中由管路的黏性侵蚀、温差及阀门处的压损，势必造成低温的液体气化形成气腔堆积在泵头进液腔内，合理的回气管路的布局能使液体在输送过程中形成的气腔顺利回到储罐内，从而避免泵头内的气腔形成气蚀，造成对泵的伤害，可见柱塞泵回气管路的布局也至关重要。

4、柱塞泵出液管路：
柱塞泵的出液管路应有两路，一路是通往汽化器，该段管路不建议进行保冷处理，设计布局时尽量避免大的爬坡，从而造成压损。

另一路配以紧急切断阀作为旁通卸压管路，维护时通过该段管路将泵后压力卸掉以保证操作安全，另外在泵由于气蚀造成空车现象，通过该段管路卸压将泵头工作腔内的气腔排出泵。

泵的出液管内的压力较高（20Mpa ），管路上必须配置相应的安全阀和压力变送器，与电机进行连锁，保证系统的安全运行。

三、往复式低温柱塞泵的电气控制：
带动柱塞泵运行的三相异步电动机功率一般是22KW 至40KW 的电机，对于大功率的电机启动方式一般有三种方式，一、全压启动（直接启动），这种方法的起动电流很大，可达到额定电流的4～7倍。

配置时需要选择大容量的空开，该种控制方式成本低，柱塞泵控制的逻辑简单，但是大的启动电流对电机的损伤较大，一般不推荐。

二、降压启动，利用起动设备将电压降低后，再加到电动机上，当电动机转速升到一定值时，再转接到额定电压下运行。

这种方法虽可减小起动电流，但电动机的转矩与电压的平方成正比，电动机的起动转矩也因此而减小。

常见的有星三角降压启动，软启动器降压启动（自耦变压器降压起动）。

成本较低，较全压启动更加安全。

三、变频启动，通过变频器带动电机，既降低了启动时的电流，又弥补了降压启动时的转矩不足，而带来的动力不足，但是变频器参数设置的是否能当直接影响到工作的稳定性，同样增加了调试的难度，成本是最高的，从长远来看还是应该选择变频器启动。

柱塞泵是一种正变量的体积泵，在泵的出口和气瓶组侧一定要加装压力变送器，同时安装现场操作柱与泵进行连锁，已达到保护泵和紧急切断泵。

L-CNG 加气站柱塞泵运行至少应满足如下两种功能：一：柱塞泵现场操作柱手动启动，达到压力自动停止；二：柱塞泵远程自动启动，当高压气瓶压力低于人为设定起泵压力、回气管温度降至-100°后柱塞泵能延时启动，达到压力时延时自动停止。

四、柱塞泵实际使用效果：
至上世纪80年代用于氧、氮、氩的国产低温往复式柱塞泵问世以来，柱塞泵在实际使用过程中的空车现象就一直存在，虽经多方改进，空车现象略微好转，但是并未从根本上解决空车现象，我公司近几年做的L-CNG 加气站，柱塞泵在实际使用过程中还是或多或少的出现空车现象，下面从柱塞泵的结构和原理来分析柱塞泵出现空车和排压不畅现象的原因[4]。

柱塞泵出现空车现象的根本原因是柱塞泵工作腔内出现了大量的饱和蒸汽，在活塞压缩过程中工作腔内的饱和蒸汽排不出去，结果饱和蒸汽越积越多，从进液腔内进来的液体越来越少，如此往复下去，便出现了空车现象，俗称气蚀现象，气蚀不仅直接影响了泵的正常运行，对的泵的损伤更是甚大。

那么泵工作腔内的大量饱和蒸汽是如何来的呢，正常情况下泵工作腔内的少量的不饱和蒸汽，在活塞压缩过程中会随着液体一起排出去的。

饱和蒸汽一方面是从进液腔内带进来的，另一方面是活塞在压缩过程中工作腔内的液体二次气化形成的；液体在从储罐进入泵头内，由于管路的黏性侵蚀和阀门的压损势必形成大量的不饱和蒸汽，在正常情况下这些不饱和蒸汽在柱塞泵高位平衡器和虹吸现象的作用下通过回气管路能回到储罐内，所以说如果工作腔内的饱和蒸汽是从进液腔内带来的，那么可以肯定泵的进液和回气管路的工艺布局肯定存在问题，所以对于使用国产的柱塞泵管路的工程布局一定要精打细算。

活塞在做往复运动时和气缸间的摩擦势必才生大量的热，气缸的冷却是用进液腔内的液体来直接冷却的，泵的真空度低了，活塞杆的活塞环磨损严重及工作腔内壁起毛势必造成泵内的液体二次气化。

柱塞泵出现排压不畅的原因，第一泵工作腔内的液在压缩过程中液体漏回进液腔内，此时需要更换相应的密封圈，第二泵的出液单向阀有固体杂质堵住了，泵的进液单向阀内漏，此时需要检查和更换单向进液阀和出液单向阀。

对于使用国产的柱塞泵和进口的柱塞泵相比而言，在泵的进液口少了一个气液过滤器，
这就决定了柱塞泵的进液和回气管路在设计和施工时一定要进行有效的计算。

实际柱塞泵在运行过程中达不到理想效果甚至出现空车现象，基本上是和工程布局不合理有关系。

五、结束语：
往复式低温柱塞泵要想从根本上解决空车现象和排压不畅的故障，除了合理的工程布局，还需要国内泵的厂家加大研发力度，对泵的设计进行更加合理的优化，随着国内新的保冷技术的发展和运用，柱塞泵在新兴的L-CNG加气站行业中必将得到广泛的发展和运用，必将优化国内的能源产业结构。

六、参考文献：
1、DBP 1500-250新亚高压柱塞泵用户手册，杭州新亚低温工业设备有限公司。

2、陈连善、李松青，往复式低温柱塞泵设计制造之我见。

3、薄达，低温液体输送管的技术探讨，深冷技术。

4、彭晓顺，低温液体泵气蚀现象的分析与处理。