LNG潜液泵入门及深入

船舶新闻 · 发表于 2016-3-11 12:01

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一、介绍：
LNG潜液泵是一种浸没式两级离心泵，整体浸入泵池中，无密封件，所有运动部件由低温液体冷却和润滑。由于与传统泵有不同的结构特点，LNG潜液泵在LNG行业中具有非常大地优点：
①泵体完全浸没在液体中，工作噪声非常小；
②不含转动轴封，泵内有封闭系统使电机和导线与液体隔绝；
③电动机不受潮湿、腐蚀的影响，其绝缘不会因为温度变化而恶化；
④消除了可燃气体与空气接触的可能，保证了安全性；
⑤将电机与叶轮设计在同一个轴上，省去了联轴器和对中的需要；
⑥平衡机构的设计使轴承的使用寿命和泵的大修周期延长；
⑦叶轮和轴承通过液体自身润滑，不需要附加的润滑系统；
⑧无需使用防爆电动机。
如果低温潜液泵在操作时没有完全预冷就开车，泵虽然能够起压，但密封接触面没有形成润滑液膜，机械密封在短时间内可能磨坏而影响泵的可靠运行，因此用户在使用潜液泵进行卸车或为LNG车辆加液时必须使泵预冷充分；介质为LNG时，潜液泵的允许最小净压头为0.8m，潜液泵工作时必须保证其进口压力不得小于最低净压头的要求。进口净压头是指液体实际压力与液体的饱和蒸汽压力的差值。因此储罐内必须保留有足够量的LNG液体，即最低液位不得低于相应的设定值。
为达到满意的运行效果和较长的使用寿命，在运行时应随时对泵进行检查，倾听有无异常噪音或振动，如有则及时停机并通知相关人员进行维护。
LNG低温泵由一台变频器控制，由变频调速电机驱动，其额定功率为11~15KW。潜液泵即可以作为LNG加液泵为LNG加气机提供LNG液体，也可以作为卸车泵为LNG槽车卸车。
潜液泵安装在泵池中，泵池的设计压力为1.6MPa，整个结构无密封组件，结构紧凑，便于安装和维护，预冷时间短，可在短时间内启动。低温泵池具有以下特点：
①
设计了泵池盖隔冷结构，泵池绝热性能显著提高；
②进出液管一体化真空管路设计，既提高了绝热性能又优化了管路布置，整体效果十分美观；
③
在泵池盖上加装了压力、温度传感器和泵池气相管的实用装置；
④
泵池有足够的保冷性能，泵体的真空外壳和上盖在运行过程中没有结霜现象，24小时内低温液体蒸发≤30％.
⑤ 泵池设计易于维修，更换低温泵易损件时间不超过8小时。
广泛使用的LNG潜液泵生产厂家有ACDCRYO公司、CRYOSTAR公司、RUHRPUMPEN、CRYOMEC公司、NIKKISO公司等。

二、LNG潜液泵结构：
大型LNG 储罐和LNG 船结构特殊，在罐体底部开孔接管将泵安装在外会对罐体造成较大影响，此外泵的密封和保冷难度较大，因此，大型LNG 储罐及LNG 船向外输送LNG 时必须采用潜液泵。潜液泵通常安装在储罐底部，每台泵设置一根竖向泵井，泵井与储罐底部之间设置底阀。当泵通过泵井上部吊装到泵井底部时，在重力作用下，泵的底座将底阀压开，储罐空间与泵井连通。需要维修时，泵在泵井内被提升的过程中将失去作用在底阀上的重力，底阀在弹簧和储罐内静压共同作用下将自动关闭，泵井被封住，LNG无法进入泵井内部。泵井在泵安装时可起到导向作用，在检修时可将泵从泵井中取出，同时泵井也是泵的排出管，与储罐顶部排液管连通。大型LNG 储罐和LNG 船用低温潜液泵的结构如图1所示，为多级离心泵，属于全浸润型，可进行变频调速。主要结构有: 导流器、扩散器、电机、主轴、轴承、叶轮、推力自平衡机构( Thrust EqualizingMechanism，简称TEM) 、振动监测器等。

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2． 1 导流器
导流器设置在LNG 低温潜液泵的进液口处，由导流腔和安装在主轴上的诱导轮组成，早期的LNG 潜液泵采用叶轮状诱导轮用于改善净吸入压头( Net Positive Suction Head Requirements，简称NPSHR) ，到20 世纪70 年代，源于火箭燃料泵送技术的高强度螺旋状诱导轮被用于LNG 低温潜液泵。螺旋状诱导轮如图2 所示。如今，通过改变诱导轮的叶片数量、叶片安装角、导程及进出口轮毂比等参数可设计出能够满足特定要求的导流器。导流器的主要作用是减少进液口处流体阻力，降低NPSHR，并能有效防止进液口处产生气蚀，提高泵的运行平稳性。

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2． 2 扩散器和TEM
LNG 低温潜液泵的叶轮轴和电机转子同轴，叶轮工作时由于流体运动和机械结构产生的不平衡造成的径向力和轴向力，直接影响电机和轴承的使用寿命及泵的维修周期，几乎所有的LNG 潜液泵都采用了某种形式的液压平衡系统来平衡径向力和轴向力，通常径向力是由扩散器来消除的，轴向力则是由TEM 来平衡。扩散器安装在叶轮的上部，用来平衡LNG 作用在叶轮上的径向力。LNG 被叶轮带动进入扩散器，沿螺旋状扩散器叶片向上流动，此过程具有良好的液压对称性，理论径向力为零［1］。扩散器如图3 所示。

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TEM 设置了一个固定的径向孔和可变的轴向孔，LNG 流经折流板与平衡块之间的可变轴向孔时，作用在平衡块上的压力会发生变化，当平衡
块下方的反作用力与平衡块上端出口的的压力相
等时，即可实现轴向力的平衡［2］。在整个流量范围内，通过平衡块的上下移动形成孔隙变化来调节轴向力的技术经过多年的实际应用被证明既灵活又可靠，近年来得到广泛采用。
2． 3 监测与保护
LNG 低温潜液泵中电机转子、叶轮、扩散器叶轮、诱导轮等部件被布置在一根主轴上，由于质量的不对称性在运转过程中会发生振动。为了解泵的振动情况，目前通常采用的方法是在泵的顶板上部安装一个压电式加速度传感器用来监测系统的振动。如果振动超过规定的标准，系统自动报警。监测LNG 低温潜液泵性能最有效的方法是采用分布式控制系统( Tributed Control System，简称DCS) 。对泵的电流、流量和压力进行监测可以了解泵的实际运行情况，如果上述参数出现明显异常，表明泵需要进行维修。为了保护泵的正常运行，电气系统中的继电器应具有低电流和过电流保护装置。通常电流强度减小表明泵的入口压力降低，电流增大说明存在机械故障或电缆异常，此时需要对泵进行检查维护。此外，DCS 系统还应具备低入口压力和低流量保护功能，当泵的入口压力低于设定值时或工作流量小于泵的最小流量时装置应能报警，目前的大多数DCS 系统都拥有良好性能，能够满足LNG 潜液泵的操作需求［3］。
2． 4 电机与低温电缆
LNG 低温潜液泵的电机浸没在LNG 中，处于
无氧环境，消除了机械密封和其潜在的泄露危险，主要优点是安全。电机能够被LNG 直接冷却，无需其他冷却方式，尺寸仅为风冷电机的一半，电机效率较高，结构紧凑。由于LNG 低温潜液泵功率较大，从电压为380 伏的5 千瓦到电压高达6600伏的近3 兆瓦，电机要求有较大的启动系统，启动电流约为泵满载工作电流的6． 5 倍。为了降低启动电流，软启动技术、自耦变压技术和变频驱动技术已被广泛应用于LNG 潜液泵中［4］。电机如图4 所示，采用3 相鼠笼式设计，为确保定子转子不受影响，铜绕组线圈采用环氧树脂绝缘漆进行保护，并进行低温处理，确保电机的绝缘性能。通过真空浸渍处理，消除了定子硅钢叠片固化过程中产生的空气间隙，防止发生局部放电和电晕对绕组造成破坏。

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LNG 低温潜液泵电缆处于低温的LNG 中，需要特殊设计并采用耐低温材料，在－ 200℃低温下能保持足够的弹性和韧性，且具有良好的绝缘性。低温电缆一般在导体表面依次涂覆半导体材料、绝缘体材料及聚四氟乙烯保护层，最外面为特氟龙与不锈钢网壳保护套，电缆在出厂前还应做－200℃的低温试验，确保其各项指标符合要求。
2． 5 轴承
轴承是任何旋转机械整体设计的重要组成部
分，LNG 低温潜液泵轴承的操作条件非常苛刻，
要承受－ 162℃的低温，且无法进行外部润滑，同时由于工作环境和检修条件限制，其应具备高转速和长寿命的特点，因而制造和组装的工艺技术要求较高。如图5 所示，用于LNG 低温潜液泵的

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轴承一般内外圈和滚珠采用低合金钢或高碳不锈钢材料，保持架为有机氟树脂材料，两片锚固成型，整体防锈，采用LNG 自润滑。近年来，氮化硅陶瓷球轴承被广泛用于LNG 低温潜液泵，该类轴承的滚珠采用硬质陶瓷球，在运行过程中不断打磨钢质滚道，形成了" 自我修复" 的效果，从而保持较高水平的表面光洁度和限制表面损伤，大大提高了耐磨性和疲劳寿命。

三、可靠性及设计要点
3． 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，要求泵具备良好的工作稳定性。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) 液体中含有碎片或污染物。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。
3． 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、跨距和轴径。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能够相互匹配［7］。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CFD 计算预期，表明LNG 潜液泵的设计目标基本实现。
叶轮和扩散器被做成一个转动组件实体模型，其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，另外采用了直径较大、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、结语：
LNG 低温潜液泵是LNG 产业链中的重要设备，应用非常广泛。目前国外LNG 潜液泵的发展已经朝着大型、高效、高压的方向发展，我国尚未掌握关键核心技术，自主研发意义重大。国家对LNG 产业的发展规划指出，今后几十年是我国天然气工业的高速发展期，大量LNG 接收站和LNG工厂的规划建设，将迎来LNG 低温潜液泵的需求高峰，了解和掌握LNG 低温潜液泵的相关技术，有助于LNG 低温潜液泵的正确使用和维护，同时也为国内的自主研发提供了技术参考，具有十分重要的意义。

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