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LNG低温潜液泵的国产化现状

  一、前言

  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结构、缓解过分依赖石油而带来的供应压力的重大举措。在LNG整个产业链中,由输出、转运、接收和利用等几大环节构成,每个环节都将用到低温泵,由此可见LNG低温输运泵在产业链中所扮演的角色非常重要。目前,世界上已知的只有来自美国J.C.Caner公司、Ebara公司,法国的Cryostar公司和日本的Nikkiso、Shinko公司等为数不多的几家公司能够生产LNG输送泵,而对比我国目前尚无拥有具有完全自主知识产权的相关产品。因此,目前在我国的LNG接收终端、气化站和液化天然气汽车(LNGV)加注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的大环境下,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所正在大力发展的LNG产业,主要是布局在沿海地区如广东、福建、辽宁、浙江等多地。根据国家制定的发展规划,我国天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Nikkiso、Ebara等国外产品,其生产供应也基本为美国和日本等少数发达国家所垄断,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。例如Nikkiso、Ebara等国外公司在20世纪60年代就已开始从事相关产品研究,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上取得突破。2011年,大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低温潜液泵及液力透平中关键技术的研发工作,并已完成了LNG低温潜液泵的相关系列化设计,具备了一定的LNG低温潜液泵设计生产制造能力。2013年初,又开展并完成对LNG中小型天然气液化工厂用LNG罐外装车潜液泵及液力透平的研制设计定型,在中小型天然气液化厂用罐外装车潜液泵、潜液液力透平使用中实现了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且各项性能指标满足客户要求,并且设备具有操作简单,预冷时间短、安装方便的特点。相关设备自投入运行以来,一直保持着零故障的高效运行,相关设备在现场的应用情况如图1和图2所示。图1LNG罐内潜液泵图2LNG罐内潜液泵现场应用三、LNG泵的结构及其特点LNG潜液泵主要由导流器、扩散器、电动机、主轴、轴承以及推力平衡结构等组成(见图3)。其中的泵选用离心式结构具有离心泵所具有的转速高、体积小、结构简单等特点。潜液泵中的导流器是用来减少LNG在吸入口处的阻力,这样液体可在较低的压力和液位下工作,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无氧环境中十分安全,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-200℃的保持良好的状态下工作,因此无需使用防爆电动机了。此外潜液泵中的轴承由于处在极低温的环境中且无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.主轴5.排出管6.电动机7.叶轮8.推力平衡机构与传统泵不同的结构特点,导致LNG工业中所使用的潜液式LNG泵具有许多传统泵无法相比的优势。其优点主要体现在:1)整个泵体完全浸没在液体中导致工作时整体噪声比较低。2)由于泵内设有封闭系统使电动机及导线与液体自然隔绝,因此没有设计转动轴封。3)电动机能够较好地抵抗住潮湿、腐蚀的影响,且其绝缘性能保持比较好,不会随着温度变化而变化。4)将电动机与叶轮设计安放在同一个轴上,这样省去了联轴器的安装和对中的需要。5)泵内平衡机构的设计大大延长了轴承的使用寿命和泵的大修周期。6)由于叶轮和轴承可通过液体自身润滑,因此不需要设计额外的润滑油系统。考虑到这些优点,潜液式LNG泵才能在LNG工业中得到广泛应用。目前,已知的潜液式电动泵在大型LNG船、汽车燃料加注站、LNG储罐等得到广泛成功的应用。四、LNG泵技术发展的难点经过对潜液泵结构及其特点的了解,认识到潜液泵都工作在极低温环境中,对其材料的耐低温性能要求比较高,此外对泵的转动部件的冷却以及润滑都存在较大的困难,因此针对这些潜液泵的关键技术难题需有所突破才能为日后国产潜液泵的研制提供可能。1.耐低温的材料由于泵整体浸没在111K的LNG液体中,因此它的电动机、转子与叶轮以及引线电缆也得承受低温。波兰学者Dlugiewicz等在2012年就设计出了功率为1600W工作温度为-160℃左右火箭推进燃料泵,Dlugiewicz等学者指出目前还未有关于电动机材料在低温状态下研究的相关文献,都处在探索阶段,我国目前还未有相关类似的研究,只有对低温永磁同步电动机永磁体材料在低温下的冲击特性进行了研究。而同样处在低温环境中的电缆也需要采用耐低温且还需要保持足够的弹性和韧性的材料制作,而目前的做法是一般设计采用在导体表面涂半导体材料、绝缘体材料和聚四氟乙烯,然后在其最外层为特氟龙与不锈钢外套,这样就保证了电缆能够在低温下正常工作。2.泵转动部件的冷却与润滑泵的旋转部件主要为轴承,如图4所示。同样也处在-162℃的低温环境中,而由于普通润滑油是无法在如此低温环境下工作,因此在长时间得到运转中会造成局部发热而影响轴承的正常工作,引入少量LNG冲洗轴承可以起到润滑和降温的作用。但是此法却由于LNG本身的黏度比较低,不能起到很好的润滑作用,长时间运转会导致球形滚动轴承损坏,使用寿命减短。此外转动摩擦过程中会产生热量造成周围的温度场变化,而输送过程中LNG都在饱和温度附近,很小的温度变化都会导致LNG气化,气化可能会造成“汽蚀”影响泵的输送性能。因此如何解决低温潜液泵在低温环境下转动部件的润滑与冷却这是一个需要克服和解决的难题。图4潜液泵的轴承3.潜液泵电动机技术的发展由于潜液泵的电动机工作在-162℃的环境中,极低温环境可能带来定子转子的磁性能受到影响以及其他问题,而目前国内电动机所使用的最低环境温度只在-40℃左右,因此相关深冷环境下电动机技术的发展迫在眉睫。针对这种超低温环境,国外学者已经研制出了几种可行性的低温电动机:如低温超声波电动机(ultrasonicmotor,USM)就是利用压电陶瓷的逆压电效应使定子弹性体产生微幅振动然后通过定子与转子之间的摩擦来带动转子转动从而实现,DaisukeYamaguchi等也制作出样机并成功在4k的低温环境下运转但是由于超声波电动机的特性并不适合大功率的设备,因此还需要考虑其他设计;一些学者提出了超导电动机即用低温泵带动超导电动机来实现,但是超导电动机对低温环境有着严格的限制,超过其温度范围就无法正常工作;此外还有低温开关磁阻电动机等并对其相关特性进行了一定的研究,但是由于低温潜液泵工作环境的需要要求电动机及其驱动系统结构要简单、可靠性要高、损耗低和效率高。就目前的几种低温电动机而言,还存在一些问题如电动机的材料和制作工艺原则以及低温条件下电动机的驱动特性会不会受到影响等等都需要进行系统的试验验证和研究。五、结语在20世纪60年代左右,西方发达国家便就有相关的低温潜液泵产品问世,而至今我国却仍然在相关的领域研究为空白。但随着国民经济建设的发展,沿海地区大批LNG接收站项目的上马,为了更好地切实保障我国的能源安全,应以此为契机加快实现国产化LNG潜液泵的发展。考虑到我国前期相关技术储备不足,需要在LNG潜液泵的研究上重点关注耐低温材料的研究、超低温条件下轴承的润滑以及电动机的工作特性研究上有所突破,这样才能为该技术的国产化提供可能。

  来源:《通用机械》

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