一、介紹：

LNG潛液泵是一種浸沒(méi)式兩級(jí)離心泵，整體浸入泵池中，無(wú)密封件，所有運(yùn)動(dòng)部件由低溫液體冷卻和潤(rùn)滑。由于與傳統(tǒng)泵有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，LNG潛液泵在LNG行業(yè)中具有非常大地優(yōu)點(diǎn)：

①泵體完全浸沒(méi)在液體中，工作噪聲非常小;

②不含轉(zhuǎn)動(dòng)軸封，泵內(nèi)有封閉系統(tǒng)使電機(jī)和導(dǎo)線與液體隔絕;

③電動(dòng)機(jī)不受潮濕、腐蝕的影響，其絕緣不會(huì)因?yàn)闇囟茸兓�而惡�?

④消除了可燃?xì)怏w與空氣接觸的可能，保證了安全性;

⑤將電機(jī)與葉輪設(shè)計(jì)在同一個(gè)軸上，省去了聯(lián)軸器和對(duì)中的需要;

⑥平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)使軸承的使用壽命和泵的大修周期延長(zhǎng);

⑦葉輪和軸承通過(guò)液體自身潤(rùn)滑，不需要附加的潤(rùn)滑系統(tǒng);

⑧無(wú)需使用防爆電動(dòng)機(jī)。

如果低溫潛液泵在操作時(shí)沒(méi)有完全預(yù)冷就開(kāi)車(chē)，泵雖然能夠起壓，但密封接觸面沒(méi)有形成潤(rùn)滑液膜，機(jī)械密封在短時(shí)間內(nèi)可能磨壞而影響泵的可靠運(yùn)行，因此用戶(hù)在使用潛液泵進(jìn)行卸車(chē)或?yàn)長(zhǎng)NG車(chē)輛加液時(shí)必須使泵預(yù)冷充分;介質(zhì)為L(zhǎng)NG時(shí)，潛液泵的允許小凈壓頭為0.8m，潛液泵工作時(shí)必須保證其進(jìn)口壓力不得小于低凈壓頭的要求。進(jìn)口凈壓頭是指液體實(shí)際壓力與液體的飽和蒸汽壓力的差值。因此儲(chǔ)罐內(nèi)必須保留有足夠量的LNG液體，即低液位不得低于相應(yīng)的設(shè)定值。

為達(dá)到滿(mǎn)意的運(yùn)行效果和較長(zhǎng)的使用壽命，在運(yùn)行時(shí)應(yīng)隨時(shí)對(duì)泵進(jìn)行檢查，傾聽(tīng)有無(wú)異常噪音或振動(dòng)，如有則及時(shí)停機(jī)并通知相關(guān)人員進(jìn)行維護(hù)。

LNG低溫泵由一臺(tái)變頻器控制，由變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其額定功率為11~15KW。潛液泵即可以作為L(zhǎng)NG加液泵為L(zhǎng)NG加氣機(jī)提供LNG液體，也可以作為卸車(chē)泵為L(zhǎng)NG槽車(chē)卸車(chē)。

潛液泵安裝在泵池中，泵池的設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，整個(gè)結(jié)構(gòu)無(wú)密封組件，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝和維護(hù)，預(yù)冷時(shí)間短，可在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)。低溫泵池具有以下特點(diǎn)：

① 設(shè)計(jì)了泵池蓋隔冷結(jié)構(gòu)，泵池絕熱性能顯著提高;

②進(jìn)出液管一體化真空管路設(shè)計(jì)，既提高了絕熱性能又優(yōu)化了管路布置，整體效果十分美觀;

③ 在泵池蓋上加裝了壓力、溫度傳感器和泵池氣相管的實(shí)用裝置;

④ 泵池有足夠的保冷性能，泵體的真空外殼和上蓋在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有結(jié)霜現(xiàn)象，24小時(shí)內(nèi)低溫液體蒸發(fā)≤30%.

⑤ 泵池設(shè)計(jì)易于維修，更換低溫泵易損件時(shí)間不超過(guò)8小時(shí)。

廣泛使用的LNG潛液泵生產(chǎn)廠家有ACDCRYO公司、CRYOSTAR公司、RUHRPUMPEN、CRYOMEC公司、NIKKISO公司等。

二、LNG潛液泵結(jié)構(gòu)：

大型LNG 儲(chǔ)罐和LNG 船結(jié)構(gòu)特殊，在罐體底部開(kāi)孔接管將泵安裝在外會(huì)對(duì)罐體造成較大影響，此外泵的密封和保冷難度較大，因此，大型LNG 儲(chǔ)罐及LNG 船向外輸送LNG 時(shí)必須采用潛液泵。潛液泵通常安裝在儲(chǔ)罐底部，每臺(tái)泵設(shè)置一根豎向泵井，泵井與儲(chǔ)罐底部之間設(shè)置底閥。當(dāng)泵通過(guò)泵井上部吊裝到泵井底部時(shí)，在重力作用下，泵的底座將底閥壓開(kāi)，儲(chǔ)罐空間與泵井連通。需要維修時(shí)，泵在泵井內(nèi)被提升的過(guò)程中將失去作用在底閥上的重力，底閥在彈簧和儲(chǔ)罐內(nèi)靜壓共同作用下將自動(dòng)關(guān)閉，泵井被封住，LNG無(wú)法進(jìn)入泵井內(nèi)部。泵井在泵安裝時(shí)可起到導(dǎo)向作用，在檢修時(shí)可將泵從泵井中取出，同時(shí)泵井也是泵的排出管，與儲(chǔ)罐頂部排液管連通。大型LNG 儲(chǔ)罐和LNG 船用低溫潛液泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為多級(jí)離心泵，屬于全浸潤(rùn)型，可進(jìn)行變頻調(diào)速。主要結(jié)構(gòu)有: 導(dǎo)流器、擴(kuò)散器、電機(jī)、主軸、軸承、葉輪、推力自平衡機(jī)構(gòu)( Thrust EqualizingMechanism，簡(jiǎn)稱(chēng)TEM) 、振動(dòng)監(jiān)測(cè)器等。

2. 1 導(dǎo)流器

導(dǎo)流器設(shè)置在LNG 低溫潛液泵的進(jìn)液口處，由導(dǎo)流腔和安裝在主軸上的誘導(dǎo)輪組成，早期的LNG 潛液泵采用葉輪狀誘導(dǎo)輪用于改善凈吸入壓頭( Net Positive Suction Head Requirements，簡(jiǎn)稱(chēng)NPSHR) ，到20 世紀(jì)70 年代，源于火箭燃料泵送技術(shù)的高強(qiáng)度螺旋狀誘導(dǎo)輪被用于LNG 低溫潛液泵。如今，通過(guò)改變誘導(dǎo)輪的葉片數(shù)量、葉片安裝角、導(dǎo)程及進(jìn)出口輪轂比等參數(shù)可設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足特定要求的導(dǎo)流器。導(dǎo)流器的主要作用是減少進(jìn)液口處流體阻力，降低NPSHR，并能有效防止進(jìn)液口處產(chǎn)生氣蝕，提高泵的運(yùn)行平穩(wěn)性。

2. 2 擴(kuò)散器和TEM

LNG 低溫潛液泵的葉輪軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，葉輪工作時(shí)由于流體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不平衡造成的徑向力和軸向力，直接影響電機(jī)和軸承的使用壽命及泵的維修周期，幾乎所有的LNG 潛液泵都采用了某種形式的液壓平衡系統(tǒng)來(lái)平衡徑向力和軸向力，通常徑向力是由擴(kuò)散器來(lái)消除的，軸向力則是由TEM 來(lái)平衡。擴(kuò)散器安裝在葉輪的上部，用來(lái)平衡LNG 作用在葉輪上的徑向力。LNG 被葉輪帶動(dòng)進(jìn)入擴(kuò)散器，沿螺旋狀擴(kuò)散器葉片向上流動(dòng)，此過(guò)程具有良好的液壓對(duì)稱(chēng)性，理論徑向力為零。

TEM 設(shè)置了一個(gè)固定的徑向孔和可變的軸向孔，LNG 流經(jīng)折流板與平衡塊之間的可變軸向孔時(shí)，作用在平衡塊上的壓力會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)平衡

塊下方的反作用力與平衡塊上端出口的的壓力相等時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)軸向力的平衡[2]。在整個(gè)流量范圍內(nèi)，通過(guò)平衡塊的上下移動(dòng)形成孔隙變化來(lái)調(diào)節(jié)軸向力的技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用被證明既靈活又可靠，近年來(lái)得到廣泛采用。

2. 3 監(jiān)測(cè)與保護(hù)

LNG 低溫潛液泵中電機(jī)轉(zhuǎn)子、葉輪、擴(kuò)散器葉輪、誘導(dǎo)輪等部件被布置在一根主軸上，由于質(zhì)量的不對(duì)稱(chēng)性在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)。為了解泵的振動(dòng)情況，目前通常采用的方法是在泵的頂板上部安裝一個(gè)壓電式加速度傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的振動(dòng)。如果振動(dòng)超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。監(jiān)測(cè)LNG 低溫潛液泵性能有效的方法是采用分布式控制系統(tǒng)( Tributed Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)DCS) 。對(duì)泵的電流、流量和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以了解泵的實(shí)際運(yùn)行情況，如果上述參數(shù)出現(xiàn)明顯異常，表明泵需要進(jìn)行維修。為了保護(hù)泵的正常運(yùn)行，電氣系統(tǒng)中的繼電器應(yīng)具有低電流和過(guò)電流保護(hù)裝置。通常電流強(qiáng)度減小表明泵的入口壓力降低，電流增大說(shuō)明存在機(jī)械故障或電纜異常，此時(shí)需要對(duì)泵進(jìn)行檢查維護(hù)。此外，DCS 系統(tǒng)還應(yīng)具備低入口壓力和低流量保護(hù)功能，當(dāng)泵的入口壓力低于設(shè)定值時(shí)或工作流量小于泵的小流量時(shí)裝置應(yīng)能報(bào)警，目前的大多數(shù)DCS 系統(tǒng)都擁有良好性能，能夠滿(mǎn)足LNG 潛液泵的操作需求[3]。

2. 4 電機(jī)與低溫電纜

LNG 低溫潛液泵的電機(jī)浸沒(méi)在LNG 中，處于無(wú)氧環(huán)境，消除了機(jī)械密封和其潛在的泄露危險(xiǎn)，主要優(yōu)點(diǎn)是安全。電機(jī)能夠被LNG 直接冷卻，無(wú)需其他冷卻方式，尺寸僅為風(fēng)冷電機(jī)的一半，電機(jī)效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊。由于LNG 低溫潛液泵功率較大，從電壓為380 伏的5 千瓦到電壓高達(dá)6600伏的近3 兆瓦，電機(jī)要求有較大的啟動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)電流約為泵滿(mǎn)載工作電流的6. 5 倍。為了降低啟動(dòng)電流，軟啟動(dòng)技術(shù)、自耦變壓技術(shù)和變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于LNG 潛液泵中[4]。電機(jī)如圖4 所示，采用3 相鼠籠式設(shè)計(jì)，為確保定子轉(zhuǎn)子不受影響，銅繞組線圈采用環(huán)氧樹(shù)脂絕緣漆進(jìn)行保護(hù)，并進(jìn)行低溫處理，確保電機(jī)的絕緣性能。通過(guò)真空浸漬處理，消除了定子硅鋼疊片固化過(guò)程中產(chǎn)生的空氣間隙，防止發(fā)生局部放電和電暈對(duì)繞組造成破壞。

LNG 低溫潛液泵電纜處于低溫的LNG 中，需要特殊設(shè)計(jì)并采用耐低溫材料，在- 200℃低溫下能保持足夠的彈性和韌性，且具有良好的絕緣性。低溫電纜一般在導(dǎo)體表面依次涂覆半導(dǎo)體材料、絕緣體材料及聚四氟乙烯保護(hù)層，外面為特氟龍與不銹鋼網(wǎng)殼保護(hù)套，電纜在出廠前還應(yīng)做-200℃的低溫試驗(yàn)，確保其各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。

2. 5 軸承

軸承是任何旋轉(zhuǎn)機(jī)械整體設(shè)計(jì)的重要組成部分，LNG 低溫潛液泵軸承的操作條件非常苛刻，要承受- 162℃的低溫，且無(wú)法進(jìn)行外部潤(rùn)滑，同時(shí)由于工作環(huán)境和檢修條件限制，其應(yīng)具備高轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，因而制造和組裝的工藝技術(shù)要求較高。如圖5 所示，用于LNG 低溫潛液泵的。

軸承一般內(nèi)外圈和滾珠采用低合金鋼或高碳不銹鋼材料，保持架為有機(jī)氟樹(shù)脂材料，兩片錨固成型，整體防銹，采用LNG 自潤(rùn)滑。近年來(lái)，氮化硅陶瓷球軸承被廣泛用于LNG 低溫潛液泵，該類(lèi)軸承的滾珠采用硬質(zhì)陶瓷球，在運(yùn)行過(guò)程中不斷打磨鋼質(zhì)滾道，形成了" 自我修復(fù)" 的效果，從而保持較高水平的表面光潔度和限制表面損傷，大大提高了耐磨性和疲勞壽命。

三、可靠性及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3. 1 可靠性分析

大型LNG 儲(chǔ)罐和LNG 船輸送系統(tǒng)的可靠性非常重要，一般需要安裝2 臺(tái)以上的LNG 潛液泵，每臺(tái)泵應(yīng)能實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)不間斷持續(xù)工作若干天，要求泵具備良好的工作穩(wěn)定性。LNG 的轉(zhuǎn)移通常接近其沸點(diǎn)，對(duì)于輸送系統(tǒng)來(lái)講，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)在內(nèi)的諸多因素均需考慮，確保系統(tǒng)安全可靠。

總結(jié)多年來(lái)LNG 泵發(fā)生的故障，其根本原因有:

( 1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷或操作不當(dāng)產(chǎn)生的空穴現(xiàn)象;

( 2) 泵長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)離額定流量或處在佳效率點(diǎn)之外運(yùn)行;

( 3) 液體中含有碎片或污染物。由于LNG 裝置系統(tǒng)在運(yùn)行前必須進(jìn)行吹掃置換，且工作中天然氣都進(jìn)行過(guò)凈化處理，系統(tǒng)通常是潔凈的，故( 1) 、( 2) 是產(chǎn)生故障的主要原因。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，為了確保輸送系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)人員和運(yùn)營(yíng)商必須對(duì)系統(tǒng)的工作環(huán)境進(jìn)行了解，并需要對(duì)操作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。

3. 2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在LNG 低溫潛液泵的設(shè)計(jì)中，首先要確定電機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸的佳結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)良好的電氣性

能和軸體剛度，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定軸承的尺寸、跨距和軸徑。此后可進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)，LNG 低溫潛液泵通常采用分段輪轂將各級(jí)葉輪精確地固定在整體鍛造的一根主軸上。葉輪和擴(kuò)散器在特定速度、佳輪轂直徑和高度下應(yīng)能夠相互匹配[7]。近年來(lái)多采用CFD 方法來(lái)反復(fù)計(jì)算得出滿(mǎn)足水力

特性要求的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，并采用快速成型法制作幾何模型用于水力測(cè)試，如果測(cè)試結(jié)果符合CFD 計(jì)算預(yù)期，表明LNG 潛液泵的設(shè)計(jì)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)。

葉輪和擴(kuò)散器被做成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組件實(shí)體模型，其有限單元法分析應(yīng)能保證在極限轉(zhuǎn)速下具有良好的操作性能，轉(zhuǎn)動(dòng)組件和一側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子同時(shí)被上部軸承和位于一級(jí)葉輪下的推力軸承支撐，另外采用了直徑較大、剛度和穩(wěn)定性較好的整體鍛造主軸，這些都有助于避免泵長(zhǎng)時(shí)間處于佳操作狀態(tài)之外時(shí)垂直載荷導(dǎo)致的嚴(yán)重磨損，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

四、結(jié)語(yǔ)：

LNG 低溫潛液泵是LNG 產(chǎn)業(yè)鏈中的重要設(shè)備，應(yīng)用非常廣泛。目前國(guó)外LNG 潛液泵的發(fā)展已經(jīng)朝著大型、高效、高壓的方向發(fā)展，我國(guó)尚未掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，自主研發(fā)意義重大。國(guó)家對(duì)LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃指出，今后幾十年是我國(guó)天然氣工業(yè)的高速發(fā)展期，大量LNG 接收站和LNG工廠的規(guī)劃建設(shè)，將迎來(lái)LNG 低溫潛液泵的需求高峰，了解和掌握LNG 低溫潛液泵的相關(guān)技術(shù)，有助于LNG 低溫潛液泵的正確使用和維護(hù)，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)的自主研發(fā)提供了技術(shù)參考，具有十分重要的意義。