一、介紹：

LNG潛液泵是一種浸沒式兩級離心泵，整體浸入泵池中，無密封件，所有運動部件由低溫液體冷卻和潤滑。由于與傳統(tǒng)泵有不同的結(jié)構(gòu)特點，LNG潛液泵在LNG行業(yè)中具有非常大地優(yōu)點：

①泵體完全浸沒在液體中，工作噪聲非常小;

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

③電動機(jī)不受潮濕、腐蝕的影響，其絕緣不會因為溫度變化而惡化;

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)計在同一個軸上，省去了聯(lián)軸器和對中的需要;

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

⑦葉輪和軸承通過液體自身潤滑，不需要附加的潤滑系統(tǒng);

⑧無需使用防爆電動機(jī)。

如果低溫潛液泵在操作時沒有完全預(yù)冷就開車，泵雖然能夠起壓，但密封接觸面沒有形成潤滑液膜，機(jī)械密封在短時間內(nèi)可能磨壞而影響泵的可靠運行，因此用戶在使用潛液泵進(jìn)行卸車或為LNG車輛加液時必須使泵預(yù)冷充分;介質(zhì)為LNG時，潛液泵的允許小凈壓頭為0.8m，潛液泵工作時必須保證其進(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際壓力與液體的飽和蒸汽壓力的差值。因此儲罐內(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)到滿意的運行效果和較長的使用壽命，在運行時應(yīng)隨時對泵進(jìn)行檢查，傾聽有無異常噪音或振動，如有則及時停機(jī)并通知相關(guān)人員進(jìn)行維護(hù)。

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

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

① 設(shè)計了泵池蓋隔冷結(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，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行過程中沒有結(jié)霜現(xiàn)象，24小時內(nèi)低溫液體蒸發(fā)≤30%.

⑤ 泵池設(shè)計易于維修，更換低溫泵易損件時間不超過8小時。

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 儲罐和LNG 船結(jié)構(gòu)特殊，在罐體底部開孔接管將泵安裝在外會對罐體造成較大影響，此外泵的密封和保冷難度較大，因此，大型LNG 儲罐及LNG 船向外輸送LNG 時必須采用潛液泵。潛液泵通常安裝在儲罐底部，每臺泵設(shè)置一根豎向泵井，泵井與儲罐底部之間設(shè)置底閥。當(dāng)泵通過泵井上部吊裝到泵井底部時，在重力作用下，泵的底座將底閥壓開，儲罐空間與泵井連通。需要維修時，泵在泵井內(nèi)被提升的過程中將失去作用在底閥上的重力，底閥在彈簧和儲罐內(nèi)靜壓共同作用下將自動關(guān)閉，泵井被封住，LNG無法進(jìn)入泵井內(nèi)部。泵井在泵安裝時可起到導(dǎo)向作用，在檢修時可將泵從泵井中取出，同時泵井也是泵的排出管，與儲罐頂部排液管連通。大型LNG 儲罐和LNG 船用低溫潛液泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為多級離心泵，屬于全浸潤型，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，簡稱TEM) 、振動監(jiān)測器等。

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，簡稱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)計出能夠滿足特定要求的導(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，葉輪工作時由于流體運動和機(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)來平衡徑向力和軸向力，通常徑向力是由擴(kuò)散器來消除的，軸向力則是由TEM 來平衡。擴(kuò)散器安裝在葉輪的上部，用來平衡LNG 作用在葉輪上的徑向力。LNG 被葉輪帶動進(jìn)入擴(kuò)散器，沿螺旋狀擴(kuò)散器葉片向上流動，此過程具有良好的液壓對稱性，理論徑向力為零。

TEM 設(shè)置了一個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，作用在平衡塊上的壓力會發(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，即可實現(xiàn)軸向力的平衡[2]。在整個流量范圍內(nèi)，通過平衡塊的上下移動形成孔隙變化來調(diào)節(jié)軸向力的技術(shù)經(jīng)過多年的實際應(yīng)用被證明既靈活又可靠，近年來得到廣泛采用。

2. 3 監(jiān)測與保護(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)量的不對稱性在運轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生振動。為了解泵的振動情況，目前通常采用的方法是在泵的頂板上部安裝一個壓電式加速度傳感器用來監(jiān)測系統(tǒng)的振動。如果振動超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)自動報警。監(jiān)測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，簡稱DCS) 。對泵的電流、流量和壓力進(jìn)行監(jiān)測可以了解泵的實際運行情況，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)泵的正常運行，電氣系統(tǒng)中的繼電器應(yīng)具有低電流和過電流保護(hù)裝置。通常電流強(qiáng)度減小表明泵的入口壓力降低，電流增大說明存在機(jī)械故障或電纜異常，此時需要對泵進(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)定值時或工作流量小于泵的小流量時裝置應(yīng)能報警，目前的大多數(shù)DCS 系統(tǒng)都擁有良好性能，能夠滿足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)浸沒在LNG 中，處于無氧環(huán)境，消除了機(jī)械密封和其潛在的泄露危險，主要優(yōu)點是安全。電機(jī)能夠被LNG 直接冷卻，無需其他冷卻方式，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)要求有較大的啟動系統(tǒng)，啟動電流約為泵滿載工作電流的6. 5 倍。為了降低啟動電流，軟啟動技術(shù)、自耦變壓技術(shù)和變頻驅(qū)動技術(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，為確保定子轉(zhuǎn)子不受影響，銅繞組線圈采用環(huán)氧樹脂絕緣漆進(jìn)行保護(hù)，并進(jìn)行低溫處理，確保電機(jī)的絕緣性能。通過真空浸漬處理，消除了定子硅鋼疊片固化過程中產(chǎn)生的空氣間隙，防止發(fā)生局部放電和電暈對繞組造成破壞。

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，確保其各項指標(biāo)符合要求。

2. 5 軸承

軸承是任何旋轉(zhuǎn)機(jī)械整體設(shè)計的重要組成部分，LNG 低溫潛液泵軸承的操作條件非�？量蹋�要承受- 162℃的低溫，且無法進(jìn)行外部潤滑，同時由于工作環(huán)境和檢修條件限制，其應(yīng)具備高轉(zhuǎn)速和長壽命的特點，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)氟樹脂材料，兩片錨固成型，整體防銹，采用LNG 自潤滑。近年來，氮化硅陶瓷球軸承被廣泛用于LNG 低溫潛液泵，該類軸承的滾珠采用硬質(zhì)陶瓷球，在運行過程中不斷打磨鋼質(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)計要點

3. 1 可靠性分析

大型LNG 儲罐和LNG 船輸送系統(tǒng)的可靠性非常重要，一般需要安裝2 臺以上的LNG 潛液泵，每臺泵應(yīng)能實現(xiàn)24 小時不間斷持續(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，對于輸送系統(tǒng)來講，包括系統(tǒng)設(shè)計在內(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LNG 泵發(fā)生的故障，其根本原因有:

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

( 2) 泵長時間遠(yuǎn)離額定流量或處在佳效率點之外運行;

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

3. 2 設(shè)計要點

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

能和軸體剛度，通過計算來確定軸承的尺寸、跨距和軸徑。此后可進(jìn)行葉輪設(shè)計，LNG 低溫潛液泵通常采用分段輪轂將各級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]。近年來多采用CFD 方法來反復(fù)計算得出滿足水力

特性要求的各個設(shè)計參數(shù)，并采用快速成型法制作幾何模型用于水力測試，如果測試結(jié)果符合CFD 計算預(yù)期，表明LNG 潛液泵的設(shè)計目標(biāo)基本實現(xiàn)。

葉輪和擴(kuò)散器被做成一個轉(zhuǎn)動組件實體模型，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)動組件和一側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)子同時被上部軸承和位于一級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時間處于佳操作狀態(tài)之外時垂直載荷導(dǎo)致的嚴(yán)重磨損，在設(shè)計時需要重點考慮。

四、結(jié)語：

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，我國尚未掌握關(guān)鍵核心技術(shù)，自主研發(fā)意義重大。國家對LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃指出，今后幾十年是我國天然氣工業(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)，同時也為國內(nèi)的自主研發(fā)提供了技術(shù)參考，具有十分重要的意義。