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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