⑥ 苈 枕 亨题 【摘要】随着全球LNG工业的快速发展,其对应的关键设备潜液泵也得到快速发展。通过综合比 较国内国 ̄)[-LNG潜液泵的发展现状,分析了潜液泵的结构特点,指出了当前潜液泵发展的技术难点,讨 论分析了当前我国潜液泵技术发展存在的问题并提供了相关思路。 【关键字】潜液泵轴承电动机超低温 LNG低温潜液泵的国产化现状 中油国际管道有限公司 (北京清华大学航天航空学院 (北京100028) 余春浩 100084) 郝鹏飞 一 前言 站均无一例外地采购来自国外的进 口产品,然而在我国当前大力发展 LNG产业和保障国家能源安全的大 基本为美国和日本等少数工业发达 国家所垄断,它们拥有比较成熟的 研发技术和先进的制造工艺,生 产的低温潜液泵性能优越且可靠稳 定。例 ̄NNikkiso、Ebara等国外公 司在20世纪60年代就已开始从事相 近些年来,我国国民经济的 飞速发展,对能源的需求也愈来 愈旺盛。根据国家发改委制定的 国家能源战略报告,液化天然气 (LNG)被作为“海气登陆”保障 国家能源安全的“第五大战略能源 通道”,同时也成为改变调整能源 环境下,国内有关学者非常有必要 开展LNG输送泵的国产化研发。 二 国产LNG泵和国外 的产业现状对比 目前我国正在大力发展的LNG 产业, 主要是布局在沿海地区如 广东、福建、辽宁和浙江等多地。 根据国家制定的发展规划,我国天 关产品研究,在该领域积累了大量 的技术,当前它们又将技术发展定 结构、缓解过分依赖石油而带来的 供应压力的萤大举措。在LNG整个 产、J 链中,由输}H、转运、接收和 乖1J用等儿大环节构成,每个环节都 将_}}j到低温泵,由此可见LNGI' ̄温 ,位在朝着大型、高效、节能的技术 方向发展。但是,目前国内相应的 研究却很少,LNG潜液泵的相关技 术储备几乎为零,只有少数的几家 企业在相关的领域如低温电缆和低 温电绝缘材料进行了前期的理论研 然气工业将在今后的20年得到一个 高速发展的黄金时期,而其核心部 件LNG泵也将在我国得到广泛的 应用。因此对LNG泵相关知识的 输运泵在产业链中所扮演的角色非 常重要。目前,世界上已知的只有 究工作。最近几年,国内的大连深 蓝泵业公司在该类型的泵的产品研 发和创新L取得突破。2011年,大 来自美国J.C.Caner公司、Ebara 公司,法国n0Cryostar公司和日本 掌握无论是对于泵的使用者还是 设计制造部门都是十分有益和必要 的。目前,我国已经建好投用和正 的Nikkiso、Shinko公司等为数不多 的儿家公司能够生产LNG输送泵, 连深蓝泵业有限公司与中海油签订 联合研发协议,开展对LNG低温潜 液泵及液力透平相关技术的研发, 现已完成了对LNG{k ̄温潜液泵及液 力透平中关键技术的研发工作,并 而对比我国目前尚无具有完全自主 知识产权的棚关产品。因此,目前 在我国的LNG接收终端、汽化站 和l液化天然气汽车(LNGV)加注 在建设的LNG接收站、液化厂装 置中,LNG罐内潜液泵、LNG高 压潜液泵全部采用进口Nikki SO、 Ebara等国外产品,其生产供应也 已完成了LNG低温潜液泵的相关系 蜘麓用栅誓 、、Ⅵ1v.ctyix O1|1 201 8 ̄第l1期 流体视械专题 列化设计,具备了一定的LNGI'L ̄,温 潜液泵设计生产制造能力。2013V- 初,又开展并完成> ̄,J-LNG中小 天 然气液化工J‘用LNG罐外装午潜液 泵及液力透平的研制设计定 ,征 中小 大然气液化厂厢罐外装乍潜 液泵、潜液液力透平使用中实现r 的国产化装机的应用,以上设备用 户在现场均一次性开车成功日.各项 性能指标满足客户要求,并日.设备 具有操作简 、预冷时间短、安装 方便的特点。相关设备自投人运行 以来,一直保持着零故障的高效运 行,相关设备在现场的应,{j情况女I1 1和图2所示。 图1 LNG罐内潜液泵 图2 LNG罐内潜液泵现场应用 三、LNG泵的结构及其 特点 LNG潜液泵{ 【j】导流器、扩 散器、电动机、 轴、轴承以及推 力、 衡结构等组成(见 3)。兵 巾的泵选刚离心式结构具仃离心泉 所具有的转速高、体积小、结构简 等特点。潜液泉 {I的导流器是用 柬减少LNG l及I人rI处的ljIl ,这 样液体可在较低的压力和液化 工 作,还可以防止产生汽蚀;潜液泵 在工作当中会产生一定的离心力, 而这部分离心力可以由泵中的扩散 器叶片来实现,由于扩散器和流体 是对称的;潜液泵中的核心部件电 动机由于浸没在LNG中,电动机能 够被直接冷却且处在厄氧环境中十 分安全,但是由于潜液泵电缆处于 低温中,需要采用特殊设计和耐低 温的材料(聚四氟乙烯)才能使电 缆在一200℃的保持良好的状态下 工作,因此无需使用防爆电动机。 此外潜液泵中的轴承由于处在极低 温的环境中且尢法得到有效的外部 润滑,因而所选用的材料比较特殊 氮化硅陶瓷球轴承,具有运行中不 断打磨自身的效果。 图3潜液式电动泵 1.扩压器2、3轴承4£轴5 fII:}“管 6电动机7叶轮8推 ’F衡机构 与传统泵 同的结构特点,导 敛L_NG工业中所使用的潜液 ̄LNGT-% 具有许多传统泵尢法相比的优势。其 优点主要体现在以下儿方面。 1)整个泵体完全浸没任液体 中导致上作时整体噪声比较低。 2)由丁泉内设有封闭系统使 电动机及导线与液体自然隔绝, 此没彳丁设计转动轴封。 3)电动机能够较好地抵抗 潮湿、腐蚀的影响,且其绝缘性能 保持比较好,不会随着温度变化I^j 变化。 4)将电动机与叶轮设汁安放 往川一个轴上,这佯省去r联车山器 的安装和对中的需要。 5)泵内平衡机构的设计人人 延长r轴承的使用寿命和泵的人修 周期。 6) F叶轮和轴承_I『通过液 体自身润滑,因此不需要发汁额外 的润滑油系统。 考虑到这些优点,潜液式LNG 泵才能住LNG工业中得到广‘泛 州。H ,已知的潜液式电动采 人掣LNG船、汽车燃料』JlI汪站、 LNG储罐等得到广泛成功的应“J。 四、LNG泵技术发展的 难点 经过埘潜液泵结构肢j 特点 的了解,认识到潜液泉荇『 5I:作 极 低温环境【} ,对典材料的耐低温 能要求比较高,此外对泉的转动 件的冷 以及润滑荇I5存 较人的 难, 此针对这些潜液泵的炎键披 术难题需彳 所突破才能为口 … 潜液泵的iJf制提供可能。 1.耐低温的材料 111 r采整体浸没任Il l K的 LNGi( ̄体中,因此它的电动机、转 r轮以肢引线电缆也得承受低 温。波兰学者Dlugiewicz等/r2o12 年就设计…了功率为1 600W I 作 温度为一l60℃左右火箭推进燃料 泉,Dlugiewicz等学者指…¨I1订 未仃父十Iu动机材料征低温状态l 研究的卡l1火文献,部处 探豢阶 兰 通用觚督 10l 8年第1 1期、、、、、、 I、 O11】 @跚旃 祝械 题 段,我…}㈨ 还未仃相关炎似的 f 究, 仃埘低温水磁同步} 动机,k 磁体 *;h'iiik ̄温 的冲击特性进行 _r讲究。Iifi1ri】样处住低温 :境中的 H土缆也 果川 低温儿还需要f 持 够的弹性l羊lJ例性的材料制作, 而l{ 的做法是 般设计采川 导 体 In 涂半 体材料、绝缘体材料 羊u聚 5I::c乙烯,然后往共最外 乃 特5};c尼 /f 锈钢外套,这样就侏 了}U缆fi&够, 低温卜正常I f1 。 2.泵转动部件的冷却与润滑 的施转部件主要为轴承, 如l划4所, 川样Ⅱ土处任一162℃的 低濉环境·}J.I }1干普通润滑汕址 尢法 女¨此低温环境下_I:if-, 此 住k I'if】的运转 {1会造成 郧发热 而影响轴承的I 常工作,01人少 LNGi,I,DL:4:III乐可以起剑润滑干l1降温 的f1:1t】。fIl址II.L法 lJm J:LNG小 身的 眨比较低,不能起:is0fE ̄f-lf9 I ̄l-if'l 川,k[JIJ.1-H]运转会 敛球肜 滚动轴承{Ij坏,使川寿命减 l 。此 外转动摩擦过程中会产,tli热 造成 …的温度场变化,而输送过 lI LNG郜 饱乖IJ温度附近,f14,hr ̄.'J温 度变化 会 敛LNG汽化,汽化· J’ 能会造成“汽蚀”影响泵的输送性 能。 此受【】fn『解决低温滞液泵 低 温 境】 转动部件的润滑 冷却这 是·个 婴屯服 解决的难题。 图4潜液泵的轴承 0X疆用棚麓 m、、、.‘,lyjx tII1l (11 8年第l1期 3.潜液泵电动机技术的发展 fII j 荇孛液泵的电动机f:作 l62C的环境巾,极低温环境ur 能带来定r.转Ffl'J磁性能受到影IjI1f] 以及 他问题,而FI前国内fU动机 所使川的最低环境温度只在一40C 左右,I  ̄I:4'LI芙深冷环境FI乜动机 技术的发 迫 眉睫。针对这种趟 低温环境, 外学者已经研制flI r 儿干叶, lJ 行一 的低温电动机:细i低温 超声波I 动饥(Ultrasonic Motor, usM)就足利用 电陶瓷的逆 电效应使定fO-性体产生徽1f】fI{振动 然后通过定 与转子之问的摩擦术 带动转r.转动从 实现,Dai SUke Yamaguchi等也制作出样机ji:成功 4KI't'J.低湍环境r运转但址Ilt}: 超声波IU动 Lfl'J特.f牛并小适合人助 牢的 箭, 此还需要考虑 他Ii} ¨; 并性fl{了趟导电动机}{j 】用低濉采惜动超导电动机来伏现, fFl是趟 电动机埘低温环境f 暂 格的限制,超过 温度范 就厄法 正常I: ;此外还仃低温 火磁 电动机 诈埘 卡u 特性进行r· 定flgtW%, 是 于低温潜液 I 作环境的需嘤 求电动机及 动 系统结构嘤简 、可靠性要高、{ i 耗低平【】效率高。就日前的几利If氐 电动机In ‘i,还仔征 些问题 电 动机的材料币lI制作工艺原则以肢f 温条件 l 动{ILfl'JO ̄动特性会小会 受到影响等部 婴进行系统的试验 验证平『】郇}究。 五、结语 (r2o ftl:fd60;f:_f匕左右, 发 达国家便眺彳 卡H炎的低温潜液求 , 问甘I:, 令我 卸仍然 十¨天 的领域 f究为卒白。但随着 K经 济建设的发腱,沿海地 大批LNG 接收站项l1的 ,为_r更好地 吠保障我 能源安 ,应以此乃 fJL加快伏 LNG潜液泵的 f : 化。考虑:i ̄]v-I 前期相关技术储箭 小足,需要([iLNG潜液泉的研究I 重点关注1『ij'ffg:fg材料的研究、趟低 温条件下轴承的润滑以及电动fJLfl9 工作特 Hqi;f究 仃听 破,这样 ‘ 能为该技术flglq产化提供可能。 参考文献 【1】李玉 ,姚 镇.输气管道 计【M J.尔营:仃油人学…版 ,2OO8. 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