LNG低溫潛液泵的國產(chǎn)化現(xiàn)狀
中油國際管道有限公司 （北京 100028） 余春浩
清華大學(xué)航天航空學(xué)院 （北京 100084） 郝鵬飛
隨著全球LNG工業(yè)的快速發(fā)展，其對應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備潛液泵也得到快速發(fā)展。通過綜合比較國內(nèi)國外LNG潛液泵的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了潛液泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指出了當(dāng)前潛液泵發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)，討論分析了當(dāng)前我國潛液泵技術(shù)發(fā)展存在的問題并提供了相關(guān)思路。
一、前言
近些年來，我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對能源的需求也愈來愈旺盛。根據(jù)國家發(fā)改委制定的國家能源戰(zhàn)略報(bào)告，液化天然氣（LNG）被作為“海氣登陸”保障國家能源安全的“第五大戰(zhàn)略能源通道”，同時(shí)也成為改變調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解過分依賴石油而帶來的供應(yīng)壓力的重大舉措。在LNG整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，由輸出、轉(zhuǎn)運(yùn)、接收和利用等幾大環(huán)節(jié)構(gòu)成，每個(gè)環(huán)節(jié)都將用到低溫泵，由此可見LNG低溫輸運(yùn)泵在產(chǎn)業(yè)鏈中所扮演的角色非常重要。
目前，世界上已知的只有來自美國J．C．Caner公司、Ebara公司，法國的Cryostar公司和日本的Nikkiso、Shinko公司等為數(shù)不多的幾家公司能夠生產(chǎn)LNG輸送泵，而對比我國目前尚無擁有具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)產(chǎn)品。因此，目前在我國的LNG接收終端、氣化站和液化天然氣汽車（LNGV）加注站均無一例外地采購來自國外的進(jìn)口產(chǎn)品，然而在我國當(dāng)前大力發(fā)展LNG產(chǎn)業(yè)和保障國家能源安全的的大環(huán)境下，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者非常有必要開展LNG輸送泵的國產(chǎn)化研發(fā)。
二、國產(chǎn)LNG泵和國外的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對比
目前我國所正在大力發(fā)展的LNG產(chǎn)業(yè)，主要是布局在沿海地區(qū)如廣東、福建、遼寧、浙江等多地。根據(jù)國家制定的發(fā)展規(guī)劃，我國天然氣工業(yè)將在今后的20年得到一個(gè)高速發(fā)展的黃金時(shí)期，而其核心部件LNG泵也將在我國得到廣泛的應(yīng)用。因此對LNG泵相關(guān)知識的掌握無論是對于泵的使用者還是設(shè)計(jì)制造部門都是十分有益和必要的。
目前，我國已經(jīng)建好投用和正在建設(shè)的LNG接收站、液化廠裝置中，LNG罐內(nèi)潛液泵、LNG高壓潛液泵全部采用進(jìn)口Nikkiso、Ebara等國外產(chǎn)品，其生產(chǎn)供應(yīng)也基本為美國和日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家所壟斷，它們擁有比較成熟的研發(fā)技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，生產(chǎn)的低溫潛液泵性能優(yōu)越且可靠穩(wěn)定。例如Nikkiso、Ebara等國外公司在20世紀(jì)60年代就已開始從事相關(guān)產(chǎn)品研究，在該領(lǐng)域積累了大量的技術(shù)，當(dāng)前它們又將技術(shù)發(fā)展定位在朝著大型、高效、節(jié)能的技術(shù)方向發(fā)展。
但是，目前國內(nèi)相應(yīng)的研究卻很少，LNG潛液泵的相關(guān)技術(shù)儲備幾乎為零，只有少數(shù)的幾家企業(yè)在相關(guān)的領(lǐng)域如低溫電纜和低溫電絕緣材料進(jìn)行了前期的理論研究工作。最近幾年，國內(nèi)的大連深藍(lán)泵業(yè)公司在該類型的泵的產(chǎn)品研發(fā)和創(chuàng)新上取得突破。2011年，大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司與中海油簽訂聯(lián)合研發(fā)協(xié)議，開展對LNG低溫潛液泵及液力透平相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，現(xiàn)已完成了對LNG低溫潛液泵及液力透平中關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作，并已完成了LNG低溫潛液泵的相關(guān)系列化設(shè)計(jì)，具備了一定的LNG低溫潛液泵設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造能力。
2013年初，又開展并完成對LNG中小型天然氣液化工廠用LNG罐外裝車潛液泵及液力透平的研制設(shè)計(jì)定型，在中小型天然氣液化廠用罐外裝車潛液泵、潛液液力透平使用中實(shí)現(xiàn)了的國產(chǎn)化裝機(jī)的應(yīng)用，以上設(shè)備用戶在現(xiàn)場均一次性開車成功且各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足客戶要求，并且設(shè)備具有操作簡單，預(yù)冷時(shí)間短、安裝方便的特點(diǎn)。相關(guān)設(shè)備自投入運(yùn)行以來，一直保持著零故障的高效運(yùn)行。
三、LNG泵的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)
LNG潛液泵主要由導(dǎo)流器、擴(kuò)散器、電動(dòng)機(jī)、主軸、軸承以及推力平衡結(jié)構(gòu)等組成。其中的泵選用離心式結(jié)構(gòu)具有離心泵所具有的轉(zhuǎn)速高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。
潛液泵中的導(dǎo)流器是用來減少LNG在吸入口處的阻力，這樣液體可在較低的壓力和液位下工作，還可以防止產(chǎn)生汽蝕；潛液泵在工作當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生一定的離心力而這部分離心力可以由泵中的擴(kuò)散器葉片來實(shí)現(xiàn)，由于擴(kuò)散器和流體是對稱的；潛液泵中的核心部件電動(dòng)機(jī)由于浸沒在LNG中，電動(dòng)機(jī)能夠被直接冷卻且處在無氧環(huán)境中十分安全，但是由于潛液泵電纜處于低溫中，需要采用特殊設(shè)計(jì)和耐低溫的材料（聚四氟乙烯）才能使電纜在－200℃的保持良好的狀態(tài)下工作，因此無需使用防爆電動(dòng)機(jī)了。
此外潛液泵中的軸承由于處在極低溫的環(huán)境中且無法得到有效的外部潤滑，因而所選用的材料比較特殊氮化硅陶瓷球軸承，具有運(yùn)行中不斷打磨自身的效果。
1.擴(kuò)壓器 2、3.軸承 4.主軸 5.排出管 6.電動(dòng)機(jī) 7.葉輪 8.推力平衡機(jī)構(gòu)
與傳統(tǒng)泵不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致LNG工業(yè)中所使用的潛液式LNG泵具有許多傳統(tǒng)泵無法相比的優(yōu)勢。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
1）整個(gè)泵體完全浸沒在液體中導(dǎo)致工作時(shí)整體噪聲比較低。
2）由于泵內(nèi)設(shè)有封閉系統(tǒng)使電動(dòng)機(jī)及導(dǎo)線與液體自然隔絕，因此沒有設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸封。
3）電動(dòng)機(jī)能夠較好地抵抗住潮濕、腐蝕的影響，且其絕緣性能保持比較好，不會(huì)隨著溫度變化而變化。
4）將電動(dòng)機(jī)與葉輪設(shè)計(jì)安放在同一個(gè)軸上，這樣省去了聯(lián)軸器的安裝和對中的需要。
5）泵內(nèi)平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大延長了軸承的使用壽命和泵的大修周期。
6）由于葉輪和軸承可通過液體自身潤滑，因此不需要設(shè)計(jì)額外的潤滑油系統(tǒng)。
考慮到這些優(yōu)點(diǎn)，潛液式LNG泵才能在LNG工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前，已知的潛液式電動(dòng)泵在大型 LNG船、汽車燃料加注站、LNG儲罐等得到廣泛成功的應(yīng)用。
四、LNG泵技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)
經(jīng)過對潛液泵結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)的了解，認(rèn)識到潛液泵都工作在極低溫環(huán)境中，對其材料的耐低溫性能要求比較高，此外對泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件的冷卻以及潤滑都存在較大的困難，因此針對這些潛液泵的關(guān)鍵技術(shù)難題需有所突破才能為日后國產(chǎn)潛液泵的研制提供可能。
1.耐低溫的材料
由于泵整體浸沒在111K的LNG液體中，因此它的電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子與葉輪以及引線電纜也得承受低溫。波蘭學(xué)者Dlugiewicz等在2012年就設(shè)計(jì)出了功率為1600W工作溫度為－160℃左右火箭推進(jìn)燃料泵， Dlugiewicz等學(xué)者指出目前還未有關(guān)于電動(dòng)機(jī)材料在低溫狀態(tài)下研究的相關(guān)文獻(xiàn)，都處在探索階段，我國目前還未有相關(guān)類似的研究，只有對低溫永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁體材料在低溫下的沖擊特性進(jìn)行了研究。
而同樣處在低溫環(huán)境中的電纜也需要采用耐低溫且還需要保持足夠的彈性和韌性的材料制作，而目前的做法是一般設(shè)計(jì)采用在導(dǎo)體表面涂半導(dǎo)體材料、絕緣體材料和聚四氟乙烯，然后在其最外層為特氟龍與不銹鋼外套，這樣就保證了電纜能夠在低溫下正常工作。
2.泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的冷卻與潤滑
泵的旋轉(zhuǎn)部件主要為軸承。同樣也處在－162℃的低溫環(huán)境中，而由于普通潤滑油是無法在如此低溫環(huán)境下工作，因此在長時(shí)間得到運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)造成局部發(fā)熱而影響軸承的正常工作，引入少量LNG沖洗軸承可以起到潤滑和降溫的作用。但是此法卻由于LNG本身的黏度比較低，不能起到很好的潤滑作用，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致球形滾動(dòng)軸承損壞，使用壽命減短。
此外轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦過程中會(huì)產(chǎn)生熱量造成周圍的溫度場變化，而輸送過程中LNG都在飽和溫度附近，很小的溫度變化都會(huì)導(dǎo)致LNG氣化，氣化可能會(huì)造成“汽蝕”影響泵的輸送性能。因此如何解決低溫潛液泵在低溫環(huán)境下轉(zhuǎn)動(dòng)部件的潤滑與冷卻這是一個(gè)需要克服和解決的難題。
3.潛液泵電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展
由于潛液泵的電動(dòng)機(jī)工作在－162℃的環(huán)境中，極低溫環(huán)境可能帶來定子轉(zhuǎn)子的磁性能受到影響以及其他問題，而目前國內(nèi)電動(dòng)機(jī)所使用的最低環(huán)境溫度只在－40℃左右，因此相關(guān)深冷環(huán)境下電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。
針對這種超低溫環(huán)境，國外學(xué)者已經(jīng)研制出了幾種可行性的低溫電動(dòng)機(jī)：如低溫超聲波電動(dòng)機(jī)（ultrasonicmotor，USM）就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使定子彈性體產(chǎn)生微幅振動(dòng)然后通過定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦來帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)，DaisukeYamaguchi等也制作出樣機(jī)并成功在4k的低溫環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)但是由于超聲波電動(dòng)機(jī)的特性并不適合大功率的設(shè)備，因此還需要考慮其他設(shè)計(jì)；
一些學(xué)者提出了超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)即用低溫泵帶動(dòng)超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，但是超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)對低溫環(huán)境有著嚴(yán)格的限制，超過其溫度范圍就無法正常工作；此外還有低溫開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等并對其相關(guān)特性進(jìn)行了一定的研究，但是由于低溫潛液泵工作環(huán)境的需要要求電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要簡單、可靠性要高、損耗低和效率高。
就目前的幾種低溫電動(dòng)機(jī)而言，還存在一些問題如電動(dòng)機(jī)的材料和制作工藝原則以及低溫條件下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性會(huì)不會(huì)受到影響等等都需要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和研究。
五、結(jié)語
在20世紀(jì)60年代左右，西方發(fā)達(dá)國家便就有相關(guān)的低溫潛液泵產(chǎn)品問世，而至今我國卻仍然在相關(guān)的領(lǐng)域研究為空白。但隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，沿海地區(qū)大批LNG接收站項(xiàng)目的上馬，為了更好地切實(shí)保障我國的能源安全，應(yīng)以此為契機(jī)加快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化LNG潛液泵的發(fā)展。考慮到我國前期相關(guān)技術(shù)儲備不足，需要在LNG潛液泵的研究上重點(diǎn)關(guān)注耐低溫材料的研究、超低溫條件下軸承的潤滑以及電動(dòng)機(jī)的工作特性研究上有所突破，這樣才能為該技術(shù)的國產(chǎn)化提供可能。
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