浅析LNG低温潜液泵结构及设计研究

【摘要】由于电动机浸没在LNG中，被其所输送的低温流体直接冷却，因此冷却效果好，电动机效率高，也没有潮湿和腐蚀的影响，其绝缘不会因温度升高而恶化。潜液式LNG泵的电动机转矩与普通泵的电动机有所不同，在低温状态下，其转矩会有较大降低。同样功率的电动机从起动到加速至全速运转，由于电阻和磁力特性的变化使得低温下电动机的电力特性发生改变，因而在低温环境下转矩有较大的降低。

【关键词】LNG低温 潜液泵 结构 设计

一、前言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）以每年15%以上的需求增长率已经成为我国能源领域一门迅猛发展的新兴产业。大量的LNG接收站、LNG工厂和LNG储备站在各地纷纷建立，成为优秀能源结构、缓解能源供应压力、实现社会和环境可持续协调发展的重要举措。在LNG的生产、运输、接受及利用过程中，LNG的转移都需要用到LNG低温潜液泵。近年来低温材料、密封技术、控制技术及加工工艺的不断提高，使LNG低温潜液泵的性能大大提升，应用也更加广泛。目前，日本的Nikkiso、Shinko公司，美国的J.G.Garter、Ebara、ACDCRYO公司，法国的Gryo-star公司等是世界上LNG低温潜液泵的主要供应商。

由于国内目前尚无自主研发的大型LNG储罐及LNG船用低温潜液泵，已建LNG项目均使用了国外进口产品。在我国LNG产业迅猛发展的大背景下，了解并逐步研发具有自主知识产权的国产化LNG低温潜液泵，对我国LNG产业的健康发展尤为重要。

二、潜液式LNG泵的结构及特点

典型的潜液式LNG泵的结构如图1所示，一般包括电动机、主轴、轴承、叶轮、导流器等，部分产品还装有推力自平衡机构。

1.电动机与电缆

潜液式LNG泵与传统泵不同，其动力电缆需要特殊设计并采用可靠的材料，使其耐低温，不易老化变形，柔韧性好，且还要求具有良好的绝缘性，在-200℃条件下仍保持弹性。电缆采用聚酯带与聚乙烯复合纸作为绝缘层，其结构如图2所示。

由于电动机浸没在LNG中，被其所输送的低温流体直接冷却，因此冷却效果好，电动机效率高，也没有潮湿和腐蚀的影响，其绝缘不会因温度升高而恶化。潜液式LNG泵的电动机转矩与普通泵的电动机有所不同，在低温状态下，其转矩会有较大降低。同样功率的电动机从起动到加速至全速运转，由于电阻和磁力特性的变化使得低温下电动机的电力特性发生改变，因而在低温环境下转矩有较大的降低。若电压降低，起动转矩也会随之大幅降低。

2.电气连接处的密封

电气连接处的密封装置是影响潜液式LNG泵安全性的关键之一。使用陶瓷体密封端子（图3）和双头密封结构可以使电气连接端耐高压和低温，保证其可靠性。泵的所有密封装置采用特殊焊接技术；气体密封两端接线柱采用串联方式，串联部分中间空腔内充有氮气，两边密封，气体无法通过。密封空腔内的氮气压力低于泵内压力，高于环境压力，这样，任何一侧泄露都可以探测到。

3.潜液式LNG泵的平衡

潜液式LNG泵的平衡非常重要，直接影响轴承的使用寿命和泵的大修周期。泵的平衡主要受到径向载荷和轴向载荷的影响。

（1）径向力平衡

径向力的不平衡会缩短轴承的寿命，因此，在设计潜液式LNG泵时要考虑流体和机械方面由于力的不平衡所产生的负面影响，尽可能地消除非平衡力。低温下的LNG从叶轮中流出后进入轴向的扩散器，扩散器在其流量范围下具有良好的水力对称性。传统泵依靠一个涡形扩散器，不同流量下其径向载荷是变化的。相对于传统涡轮泵，潜液式LNG泵作用于叶轮上的径向力理论上为零。

（2）轴向推力自平衡

为使轴向力达到平衡，减少轴向推力载荷，部分潜液式LNG泵（如日本Nikkiso泵）设计了一套推力自平衡机构，使轴向推力为零。Nikkiso低温泵的推力自平衡机构（图4）可以自动调节压力，从而使推力为零。这是通过一个可变的轴向节流装置来实现的，改变可变节流间隙的开度可以调节平衡鼓上的压力。当出口压力增大至平衡鼓下方的反作用力相等时，达到平衡状态。

4.导流器

潜液式LNG泵的入口处通常设有导流管，允许液体可以在较低的压力和液位下运转，并可以消除“死穴”，减少吸入口的流体阻力，保持其运转的稳定性。同时也可以改善水利特性，降低泵对净吸入压头的要求，防止在泵的吸入口产生气蚀。螺旋状导流器的结构如图5所示。

三、可靠性及设计要点

1.可靠性分析

大型LNG储罐和LNG船输送系统的可靠性非常重要，一般需要安装2台以上的LNG潜液泵，每台泵应能实现24小时不间断持续工作若干天，要求泵具有良好的工作稳定性。LNG的转移通常接近其沸点，对于输送系统来讲，包括系统设计在内的诸多因素均需要考虑，确保系统安全可靠。总结多年来LNG泵发生的故障，其根本原因有：

（1）系统设计缺陷或操作不当产生的空穴现象；

（2）泵长时间远离额定流量或处在最佳效率点之外运行；

（3）液体中还有碎片或污染物。

由于LNG装置系统在运行前必须进行吹扫置换，且工作中天然气都进行过净化处理，系统通常是洁净的，故（1）、（2）是产生故障的主要原因。在实际运行过程中，为了确保输送系统的可靠性，设计人员和运营商必须对系统的工作环境进行了解，并需要对操作人员进行技术培训。

2.设计要点

在LNG低温潜液泵的设计中，首先要确定电机转子和主轴的最佳结构，以实现良好的电气性能和轴体刚度，通过计算来确定轴承的尺寸、跨距和轴颈。此后可进行叶轮设计，LNG低温潜液泵通常采用分段轮毂将各级叶轮精确地固定在整体锻造的一根主轴上。叶轮和扩散器在特定速度、最佳轮毂直径和高度下应该能够相互匹配。近年来多采用CFD方法来反复计算得出满足水力特性要求的各个设计参数，并采用快速成型法制作几何模型用于水力测试，如果测试结果符合CDF计算预期，表明LNG潜液泵的设计目标基本实现。

叶轮和扩散器做成一个转动组件实体模型，有限单元法分析应能保证在极限转速下具有良好的操作性能，转动组件和一侧的电机转子同时被上部轴承和位于一级叶轮下的推力轴承支撑，另外采用了直径、刚度和稳定性较好的整体锻造主轴，这些都有助于避免泵长时间处于最佳操作状态之外时垂直载荷导致的严重磨损，在设计时需要重点考虑。

四、LNG泵低温电机的管件技术研究

1. LNG泵低温电机的选型及其技术问题

根据以上选用原则，低温超声波电机由于其特有的驱动特性，不适合用于潜液式LNG泵；超导电机的临界运行温度低于LNG温度，不能用于潜液式LNG泵；低温开关磁阻电机的驱动需要耐低温的位置传感器，比较复杂，不适合用于潜液式LNG泵。因此，低温异步电机和低温永磁同步电机可以作为LNG泵的备选电机。针对LNG泵的应用环境，备选电机尚未形成统一的材料选择和加工工艺原则。

（2）LNG泵低温电机的驱动特性与常温电机存在差异。由于低温环境对电机电磁特性的影响，电机的机械特性在低温下会发生改变，需要对低温电机的机械特性进行相应的研究，掌握其在不同工况下的起动、运行等驱动特性，从而设计出适用于潜液式LNG泵的低温电机。此外，关于LNG泵电动机的控制目标仅限于软启动，针对低温电机驱动特性的相关控制技术还缺乏研究。

（3）电机浸泡在LNG中，其冷却由LNG来承担，但由于被输送的LNG都处于其饱和温度附近，很小的温升或很小的压降均可能造成LNG气化。在电机设计过程中应采取相应的设计优化措施，以尽量减少这种气化现象的发生。

（4）相关研究人员已对潜液式LNG泵低温电机的热-电磁耦合场、电磁参数的变化等重要问题进行了初步研究，但还未形成一套完整的低温电机分析设计理论。

针对以上存在的问题，下文叙述LNG泵低温电机涉及的管件技术研究问题。

2. LNG泵低温电机的选材和特殊工艺技术

目前，一些学者已经对低温电机的材料选择和加工工艺进行了初步研究，如美国研究人员已经研制出用于压缩机驱动的小功率低温永磁同步电机；法兰学者Dlugiewicz对低温永磁电动机材料的低温冲击特性进行了相关研究，而且其在LNG泵低温异步电机的研制方面取得了一些重要进展，但尚未形成关于LNG泵低温电机的材料选择和加工工艺原则。针对LNG泵低温电机的定转子硅钢片的耐低温处理工艺、硅钢片的低温磁化特性和铁耗特性及选用原则、各种永磁材料的稳态低温特性、定转子及电枢绕组的耐低温绝缘处理工艺以及材料的热供应力问题缺乏系统的实验研究及相关结论，而LNG泵低温电机设计、制造和使用需要依据这些重要结论。

3. LNG泵低温电机运行在-161℃低温环境下，由于低温对电机材料电磁特性的影响，电机的机械特性与常规电机存在差异，为了保证电机能够满足LNG泵的驱动要求，需要结合应用环境和低温驱动特性对电机进行特殊设计，设计思路如图6所示。在初步设计阶段，需要根据LNG泵低温电机的特点对常温电机的设计公式进行相应的修改核算，初步确定电机的设计公式进行相应的修改核算，初步确定电机的材料及基本尺寸。值得注意的是，由于LNG泵低温电机浸泡在LNG中运行，受到电磁场、热场和流体场的相互作用，设计时需要综合考虑这些耦合场的作用，各耦合场相互作用的关系如图7所示。传统电机的设计一般只对电机进行电磁场仿真，对于LNG泵低温电机而言，需要进行电磁场-热场耦合仿真；另外也需要考虑LNG流体场的作用；而且若低温电机的材料选择不合理，低温环境可能会使电机各部分的收缩程度不同而产生抱死裂纹现象，因此需要考虑对电机进行电磁场-流体场-热场-应力场的耦合仿真，根据耦合仿真结果对LNG泵低温电机进行更为精确的优化设计，使得所设计的LNG泵低温电机具备良好的驱动性能。虽然国外的相关机构已经研制出LNG泵低温电机，但目前还没有关于LNG泵低温电机的完整分析设计方法，需要通过样机试制研究形成准确的LNG泵低温电机的分析方法。

4.LNG泵低温电机控制技术

由于变阀调节操作简单易行，传统LNG泵的流量调节均采用变阀调节，也称为节流调节。此时，泵内电动机恒速运行，通过改变出液管路阀门的开启度，改变管路的性能，从而达到调节工况的目的，这种调节方式增加了系统的额外损耗，运行效率低。另一种调节LNG泵工作点的方式为变速调节，即通过调节泵内电动机的转速实现对泵工作点的调节，这种调节方式可以保证泵始终高效运行。是一种十分节能高效的调节方式。

从以上两种调节方式可知，为了保证泵系统的高效节能运行，对LNG泵采用变速调节是十分必要的，即需要对LNG泵低温电机进行相应的调速控制，目前还缺乏关于这方面的研究。由于LNG泵低温电机运行在-161℃的低温环境，电机导电材料的电阻率变小，电阻参数变小，电机运行时电阻参数发生小的波动会对电机的运行性能产生较大的影响，因此需要通过控制消除这种参数变化对电机运行性能的影响。另外，低温异步电机运行时的转差率很小（一般不超过1%），这就要求对电机进行精确的控制，保证电机稳定运行。而且，由于LNG泵要求电机的损耗尽可能小，以减少LNG的气化和保证泵的高效运行，因此可以考虑对低温电机进行效率最佳控制，综上所述，有必要针对LNG泵低温电机开展参数自适应和效率最佳控制研究。

参考文献

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[3]罗资琴 LNG低温潜液泵结构及设计分析[J] 低温与超导 2012（40）