石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (2): 51-53, 59
新型LNG装车潜液泵设备研制及性能测试
邰晓亮 1, 陈杰 1, 肖海涛 2, 陈琪 2, 花亦怀 1, 盖小刚 1     
1. 中海石油气电集团技术研发中心;
2. 大连深蓝泵业有限公司
收稿日期：2014-07-25
作者简介：邰晓亮(1983-)，男，工程师，硕士，主要从事天然气液化工艺设计和设备研发工作。E-mail：taixl@cnooc.com.cn.
摘要：国内中小型天然气液化工厂的LNG装车泵基本上都采用进口的低温卧式离心泵，价格昂贵，并且在实际应用中存在容易泄漏、LNG损失大、安装拆卸过程复杂等问题。本文将潜液泵的概念引入LNG装车泵领域，完成了技术攻关和设备研制，并且依托实际生产项目完成了设备性能测试，实现LNG装车泵设备的国产化和工程化。
关键词：LNG    装车泵    潜液泵    
Development and performance testing of the new LNG loading immersed pump
Tai Xiaoliang1 , Chen Jie1 , Xiao Haitao2 , Chen Qi2 , Hua Yihuai1 , Gai Xiaogang1     
1. Research & Development Department of CNOOC Gas & Power Group, Beijing 100027, China;
2. Dalian Deep Blue Pump Co. Ltd., Dalian 116031, China
Abstract: The imported cryogenic horizontal centrifugal pump is widely used for LNG loading pump in domestic small and medium natural gas liquefaction plant. The pumps have some disadvantages, such as expensive price, easy leaking, large LNG loss, and complex installation and removal. The immersed pump was considered to be used for LNG loading pump, and the technical research and equipment development have been completed. Relying on actual LNG plant, the equipment performance testing was also finished to realize the localization and engineering of LNG loading pump.
Key Words: LNG    loading pump    immersed pump    

液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)是解决天然气储存和运输的有效手段之一，也广泛应用于天然气调峰[1-3]。20世纪90年代末，依托东海天然气早期开发利用，在上海建造了一座处理能力为10×104 m3/d的液化天然气事故调峰站[4]，自此拉开了天然气液化工厂在国内的发展序幕。据统计，到2014年底，国内投产的中小型天然气液化工厂将达到94座[5]。

天然气液化工厂的LNG产品通常都储存在常压低温储罐中，LNG装车泵是充装运输槽车的必需设备。目前，液化工厂LNG装车泵采用常规低温卧式离心泵，为轴封式结构，工作时电机与泵完全暴露在空气中，外部包裹保冷材料。采用这种型式的装车泵存在以下几个方面的问题：①由于低温轴封目前还达不到零泄漏水平，LNG属于易燃易爆介质，在空气中达到燃烧的比例范围(体积分数)在5%~15%之间，危险性比较大；②受保冷效果的限制，每次设备启动之前都要经过预冷，增加了操作复杂性和LNG的浪费；③受保冷形式的影响，设备拆装和维修比较复杂繁琐[6]。

鉴于上述应用缺陷，并且现有LNG装车泵完全依赖国外进口，中海石油气电集团技术研发中心联合大连深蓝泵业有限公司开展了新型潜液式LNG装车泵的研制工作，经过实际生产项目的性能测试并取得了成功。

1 LNG装车潜液泵的设备结构与样机研制

LNG装车潜液泵主要包括泵池、潜液电机、主轴、轴承、叶轮、诱导轮和平衡鼓。泵体持续浸泡在LNG介质中，装车前无需预冷，可实现随时起泵，LNG损失小；泵池采用包覆纤维铝箔形式进行保冷，摈弃了常规进口设备填充保冷材料的方式，绝热效果更好，并且便于安装拆卸；泵池设有进液口、出液口、溢流口和排液管；电机采用经过低温处理的浸没式电机，利用泵内LNG介质冷却，冷却效果好，且没有防爆要求；采用滚动轴承，由泵内LNG介质自身润滑；在泵池顶部设有压力、温度检测仪表，并配有相应的安全阀；属于无密封式离心泵，其密封问题仅存在于外部动力电缆与泵池内动力电缆连接处的密封。叶轮采用铝合金材质，轴采用沉淀硬化不锈钢材质，泵池采用不锈钢材质。主要结构如图 1所示。

图 1     LNG装车潜液泵结构图 Figure 1     Structure of immersed pump for LNG loading

LNG装车潜液泵的技术难点主要有以下几点：

(1) 潜液电机及低温电缆。目前，中国国内的电机使用环境最低温度在-40 ℃左右，而LNG装车潜液泵的设计温度为-196 ℃。深冷环境中定子和转子的磁性能是否受到影响以及电缆能不能绝缘是十分关键的问题[7]。由于电机浸入低温液体中，就需要保证电机在低温液体中不能被击穿，首先是定子和转子之间不能被击穿，然后就是匝间线之间不能被击穿。通过对电机的矽钢片间隙做绝缘处理，电缆线圈采用树脂绝缘漆的漆包线，并通过液氮对树脂绝缘漆的漆包线进行低温处理，确保电机绝缘性能，在电机定子空间作低温胶发泡处理，防止发生局部放电和电晕对绕组造成破坏。

(2) 电缆密封部件。LNG装车潜液泵的密封问题即是外部动力电缆与泵池内动力电缆连接处的密封，电气连接处的密封装置是影响装车泵安全性的关键之一。采用双密封端头进行电缆的密封以保证其可靠性，所有电气元件均有防爆要求。

(3) 电机、轴承的润滑和冷却。由于电机浸在LNG中，被低温的LNG冷却，且被输送的LNG都在饱和温度附近，很小的温升或降压即可造成LNG气化，因此，应该研究电机内部的温度场分布，预测LNG的气化情况。此外，LNG潜液泵内的轴承及相关运动部件都由LNG润滑。由于LNG的黏度较低，使用的球形滚珠轴承很容易损坏，使用寿命和润滑的好坏密切相关，因此，研究轴承受力和LNG润滑液膜的形成非常重要。通过装车泵内部流场和温度场分布研究，合理设计泵体内部LNG冷却循环和控制LNG通过电机定、转子间隙和轴承的流速，可以保证润滑和冷却过程不发生气化。LNG冷却循环回路示意图见图 2。

图 2     泵体内LNG冷却循环回路 Figure 2     LNG cooling circulation loop inside the pump

(4) 抗汽蚀性能。为了防止在泵的吸入口产生气蚀，叶轮水力选用经过多次试验的成熟水力模型。为了进一步减少流体在吸入口的阻力，在吸入口设置了诱导轮，使得LNG装车潜液泵能够达到应有的净吸入压头，有利于改善水力特性，降低泵对净吸入压头的要求，防止在泵的吸入口产生汽蚀。

在上述研究的基础上，研制LNG装车潜液泵样机一台，设计参数见表 1，样机实物图见图 3。

表 1    LNG装车潜液泵样机设计参数 Table 1    Design parameters of immersed pump prototype for LNG loading

图 3     LNG装车潜液泵样机实物图 Figure 3     Immersed pump prototype for LNG loading

2 设备性能测试

为考核LNG装车潜液泵在实际工程应用情况下的运行性能，对所研制样机依托中海油天然气液化工厂进行了超过24 h的连续性能测试。该液化工厂同时采用了常规的进口离心式装车泵与新型LNG装车潜液泵，其安装对比见图 4。

图 4     常规进口装车泵与新型LNG装车潜液泵安装对比图 Figure 4     Installation comparison of regular imported loading pump and new LNG loading immersed pump

2.1 LNG装车潜液泵回流工况

首先测试了LNG装车潜液泵在回流工况下的性能参数，通过调整回流阀的开度和电机频率来测试装车泵的扬程参数，测试数据见图 5。从图中可以看出，当电机频率为54.08 Hz时，对应的转速为泵的额定转速，从20%到50%逐渐调整回流阀的开度，泵的出口压力(G，下同)基本稳定在0.78 MPa左右，对应的扬程约为170 m，达到了设计参数；当电机频率降至38.68 Hz时，泵的出口压力稳定在0.4 MPa左右；当电机频率升至64.16 Hz时，泵的出口压力稳定在1.1 MPa左右，证明样机的变频调节性能良好。

图 5     不同频率下泵出口压力随回流阀开度的变化曲线 Figure 5     Change of pump outlet pressure with reflux valve opening at different frequency

2.2 LNG装车潜液泵外输装车工况

此外，在实际装车应用过程中对泵的调节性能进行了测试。在仅充装一台LNG槽车时，维持泵的转速恒定，频率为38.7 Hz，通过装车阀门来控制LNG槽车的充装速度，在装车泵无回流的情况下，流量控制在768 ~1 128 m3/d，充装一台槽车的对应时间为1~1.5 h，完全满足操作需求。在该测试工况下，流量随泵出口压力的变化见图 6。

图 6     单台槽车充装时不同装车速率下流量随泵出口压力的变化曲线 Figure 6     Change of flow with pump outlet pressure at different loading rate for a single trailer filling

在同时仅充装两台LNG槽车时，保持装车阀门全开，通过调整泵的转速来控制LNG槽车的充装速度，在频率从38.7 Hz逐渐增大到60.28 Hz时，两台槽车的总充装流量从1 147.2 m3/d增加到1 372.8 m3/d，两台槽车同时充装时对应的充装时间为1.7~2.1 h，满足工程操作需求。在该测试工况下，流量和泵出口压力随电机频率的的变化见图 7。

图 7     两台槽车同时充装时总流量和泵出口压力随电机频率的变化曲线 Figure 7     Change of total flow and pump outlet pressure with the motor frequency for two trailers filling simultaneously

3 结语

本文介绍了一种新型的潜液式LNG装车泵的结构特点和技术难点，并依托实际工程项目完成了设备样机的性能测试。新型LNG装车泵运行过程稳定可靠，操作方便，启动之前无需经过长期的预冷过程，保冷效果良好，减少了LNG的损耗，安装拆卸方便。实际LNG槽车充装过程中，流量、压力和变频调节稳定，槽车充装速度符合操作需求，性能完全达到了设计要求，实现了中小型天然气液化工厂LNG装车泵的国产化和工程化。

参考文献
[1]
李士富, 呼延念超, 李亚萍. 调峰型天然气液化HYSYS软件模型[J]. 石油与天然气化工, 2010, 39(1): 1-2.
[2]
李士富, 刘慧芳, 雷巧英. CⅡ法天然气液化HYSYS软件模拟计算[J]. 石油与天然气化工, 2011, 40(4): 329-331.
[3]
马晓茜, 廖艳芬. 液化天然气储运与利用中的几个关键问题[J]. 石油与天然气化工, 2005, 34(5): 363-367.
[4]
丁春香, 郭宗善. 我国LNG产业的现状与发展趋势[J]. 石油化工技术与经济, 2008, 24(5): 7-9.
[5]
顾安忠. 中国LNG行业2013年度统计手册[M]. 中国液化天然气协会, 2014, 3-4.
[6]
孙晓玲, 刘忠明, 张燕. 液化天然气潜液泵的研制[J]. 低温工程, 2010, 174(2): 20-23.
[7]
祝勇仁, 张炜, 王循明. LNG汽车加气站用潜液泵研制[J]. 机械科学与技术, 2012, 31(1): 163-167.
X