潜液式LNG泵的结构特点及其应用优势_梁骞.pdf

作者简介:梁骞,1984 年生,硕士研究生;主要研究方向为液化天然气的能量综合利用与冷能回收。地址:(710049)陕西省西安市。电话:[phone]。E-mail:lq-xjtu 潜液式 LNG 泵的结构特点及其应用优势梁 骞 厉彦忠 谭宏博 李 欢(西安交通大学制冷与低温工程研究所)梁骞等.潜液式 LNG 泵的结构特点及其应用优势.天然气工业,2008,28(2):123-125.摘 要 随着全球 LNG 工业的迅速发展,LNG 接收终端及气化系统的需求量日益增加,安装在密封容器内的潜液式 LNG 泵得到越来越多的应用。通过详细介绍潜液式 LNG 泵独特的结构特点,指出其具有普通泵无可替代的应用优势;对潜液式 LNG 泵广阔的应用范围作了介绍,分析了国产潜液式 LNG 泵研制中需要解决的关键问题,并对其可行性进行了预测。主题词 LNG 输送 潜液泵 结构 特性 应用 20 世纪 60 年代潜液式电动泵首次出现在液化天然气(LNG)领域 1。从那时起,潜液式 LNG 泵便开始用于 LNG 工业中。随着材料科学、密封技术、控制和保护技术的发展以及冷、热加工工艺水平的提高,潜液式 LNG 泵得到了越来越广泛的应用。目前,国外的很多企业和公司都致力于潜液式 LNG 泵的研发和制造,美国 J.C.Carter 公司,法国 Cryostar公司、日本的 Ebara、NikkisoShinko 等公司都相继推出自己的产品,使得潜液式 LNG 泵的形式更加多样化,大大开拓了其应用领域。一、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。图 1 典型潜液式 LNG 泵的结构图 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 e 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 2,其结构如图 2 所示。图 2 低温电缆内部结构图 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。使用陶瓷气体密封端子(图 3)和双头密封结构可以使电气连接端耐高压和电压,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#123#第 28 卷第 2期 天 然 气 工 业 储运与集输工程空腔内的氮气压力低于泵内压力,高于环境压力,这样,任何一侧泄漏都可以探测到 3,4。图 3 陶瓷气体密封端子图 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 2,4。(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。当出口压力增大至与平衡鼓下方的反作用力相等时,达到平衡状态 3,4。图 4 推力自平衡机构图 4.导流器 潜液式 LNG 泵的入口处通常设有导流器,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0,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 3,5。螺旋状导流器的结构如图 5 所示。图 5 螺旋状导流器图二、潜液式 LNG 泵的特点及其在LNG 工业中的应用 1.潜液式 LNG 泵的特点 由于具有与传统泵不同的结构特点,潜液式LNG 泵应用于 LNG 工业中具有许多传统泵无法相比的优势。其优点主要体现在 1,6,7:泵体完全浸没在液体中,工作噪音非常小;不含转动轴封,泵内有封闭系统使电机和导线与液体隔绝;电动机不受潮湿、腐蚀的影响,其绝缘不会因为温度变化而恶化;消除了可燃气体与空气接触的可能,保证了安全性;将电机与叶轮设计在同一个轴上,省去了联轴器和对中的需要;平衡机构的设计使轴承的使用寿命和泵的大修周期延长;叶轮和轴承通过液体自身润滑,不需要附加的润滑油系统;无需使用防爆电动机。2.潜液式 LNG 泵的应用领域 正是由于有着诸多优点,潜液式 LNG 泵在LNG 工业中得到了广泛应用。目前,在大型 LNG船、汽车燃料加注站、LNG 储罐等,几乎均采用潜液式电动泵输送液态天然气 3,5。(1)大型 LNG 储罐的罐内泵 目前大型 LNG 储罐一般是部分或全部埋入地下。采用潜液式 LNG 泵不需要使用低于液位以下的连接管路,这样避免了罐内液体泄漏的可能,不会引起大量的 LNG 外溢。泵被安装在一个称为/泵井0的圆柱形容器内,泵井既作为泵的支座,也作为泵与储罐顶部的出液管。泵井与储罐连接处有一个进口阀门,它由一个双压力敏感密封件组成,通过法兰安装在泵井下端。泵在安装时依靠重力作用将阀#124#储运与集输工程 天 然 气 工 业 2008 年 2 月门打开;取出泵时阀门失去了泵的重力作用,在弹簧弹力与罐内压力作用下使阀门关闭。(2)船用泵 这种泵通常安装在 LNG 船的罐舱内,直接与液货管路系统连接,用于输送液体、卸货、冲洗、喷洒以及一些紧急服务。可以为单级设计,也可以使用多级。它装有推力自平衡机构,使用寿命更长。其流量范围为 20 2500 m3/h,单级扬程可达 200 m。(3)汽车燃料加注泵 汽车燃料加注所使用的 LNG 泵也是潜液式LNG 泵。它结构紧凑,特别适用于汽车燃料加注和低温罐车转运 LNG。泵与电机都浸没在低温液体中,因而不需要转动轴封。整个泵被安装在一个不锈钢容器内,不锈钢容器作为进口处气体、液体分离器。泵内装有导流器。三、研制国产潜液式 LNG 泵需解决的关键问题 由于潜液式 LNG 泵特殊的结构特点及应用领域,在其研制过程中,各部件的低温性能要求较高,电机冷却、汽蚀特性研究及整机测试技术中都存在着诸多难点,这些成为了潜液式 LNG 泵研制过程中的关键技术。就我国目前的研究现状,应主要解决以下关键问题。(1)设计研制转子、叶轮及同轴部件。潜液泵机电一体浸在 LNG 中,电机、转子与叶轮同轴,无联接件,设计过程要考虑同轴部件动平衡。要研究转动部件振动测量方案,分析引起振动的原因,并提出抑制和消除振动的改进措施。(2)电绝缘材料及电缆的低温性能研究。主要对电机转子线圈、定子线圈及引线在 111 K 以下的低温性能进行实验研究,选择合适的绝缘材料和电线材料和结构。(3)电动机的工作特性及冷却技术的研究。由于电机浸在 LNG 中,因此电机的冷却由 LNG 来承担,但由于被输送的 LNG 都在其饱和温度附近,很小的温升或很小的压降即可能造成 LNG 气化。研究这种/过热蒸发0和/降压闪蒸0现象形成条件,并在设计过程中采取相应措施避免之。(4)轴承的润滑及电气连接密封装置的研究。(5)泵体吸液管和导流器设计研究及其汽蚀特性研究。泵体吸液管及诱导器的设计直接影响到潜液泵的性能,并且关系到汽蚀余量(NPSH)的大小。(6)叶轮、导流器内流场的计算与受力分析。(7)泵井、自动开关阀门结构设计。四、结束语 20 世纪 60 年代,美国、日本等国就有低温潜液泵产品问世,其研发技术成熟、制造工艺先进,相关产品性能优越、可靠稳定,目前正朝着大型、高效、节能的方向发展。国内相应的研究却很少,潜液式LNG 泵研制技术尚属空白。但是,国内目前具有常温流体潜液泵研制的成功经验可供借鉴,一些单位已开展了低温电缆及低温电绝缘材料、液体的闪蒸和汽蚀现象及低温液体物性的研究工作,这些都为该技术国产化提供了有力的技术支持。深圳、福建、上海、青岛等地 LNG 接收站的相继建成为该技术的国产化提供了广阔的市场空间。随着 LNG 在我国能源结构中所占比例的逐步上升,我国应该尽早开展潜液式 LNG 泵的研究和试制工作。参 考 文 献 1 STEVE RUSH.Submerged motor LNG pumps in send-out system service J.Pumps and Systems,May 2004:32-37.2 日本 tokyo-gas 公司 EB/OL.http:Mwww.tokyo-gas.co.jp/techno/stp/97a3_e.html.3 顾安忠.液化天然气技术 M.北京:机械工业出版社,2004.4 湖南力普吉实业有限公司产品资料 EB/OL.http:M 湖南力普吉实业有限公司产品资料 EB/OL.http:M DAVID ACOYLE,VINODPATEL.Processes andpump sevices in the LNG industry C.proceedings of thetwenty-secondinternationalpumpuserssymposium,2005.7 ANDREASHOSOY,SIGVEGJERSTAD,JOSTEINSMAAM O,et al.Design and development of electric sub-mersible pumps for large capacities C.proceedings ofthe twenty-second international pump users symposium,2005.(修改回稿日期 2008-01-09 编辑 罗冬梅)#125#第 28 卷第 2期 天 然 气 工 业 储运与集输工程duction rate between 1.8%and 2.0%,every development index will be best and much more favorable economic benefits can begained.The results provide a basis for the rational development of Su-4 buried hill condensate gas reservoir.SUBJECT HEADINGS:buried hill,condensate gas field,development,numerical simulation,gas production rate,economicbenefitsCHEN Gang-qiang,born in 1983,is studying for a Ph.D degree,being mainly engaged in research on oil exploration.Add:China University of Petroleum#East China,No.271,Berer Rd.,Dongying City,Shandong Province 257061,P.R.ChinaMobile:[phone] E-mail:chengangqiang129 16 INFLUENTIAL FACTORS OF PLASTIC LIMITING INTERNAL PRESSURE FOR WELDED PIPE TEEWITH INCOMPLETE PENETRATION ALONGINTERSECTING LINEZHANG Bao-gui1,CHEN Fu-lai2,WANG Lei3,SUN Liang4(1Drilling&Production Technology Re-search Institute,CNPC Sichuan Petroleum;2China University of Petroleum#Beijing;3SINOPEC South-west Branch Company;4China Special Equipment Inspection and Research Center).NAT UR.GA S IND.v.28,no.2,pp.120-122,2/25/2008.(ISSN 1000-0976;In Chinese)ABSTRACT:Pipe tee is a kind of indispensable pipe fitting for the pressure pipeline system.However,the researches into thepipe tees with incomplete penetration defects are inadequate.Based on the finite element method,pipe tee with inserted weldingand pipe tee with bridged welding are computed separately,and the result indicates that plastic limiting internal pressure of theformer is slightly larger than the latter.Therefore,the latter model can take the place of the former,so that the security can beensured and the workload can be greatly reduced.In this paper,seven parameters,including Do2/D01,T2/T1,K1,c,Do1,Land Rs,are selected to calculate and analyze the influential degree of each parameter on the plastic limiting internal pressure forwelded piping tee with incomplete penetration along intersecting line separately.Ptd,K1and c are recognized as major effectfactors of plastic limiting internal pressure of pipe tee which is sensitive to the incomplete penetration depth;while Ptdand K1are major effect factors of pipe tee which is non-sensitive to the incomplete penetration depth.SUBJECT HEADINGS:tee,incomplete penetration,plastic ultimate load,finite element method,influence,factorZHANG Bao-gui,born in 1981,graduated from China University of Petroleum#Beijing in 2006 with an M.Sc.degree.He isnow engaged in the research works into the mechanical strength and reliability.Add:Machinery Center of Drilling&Production Technology Research Institute,South Sec.1,Zhongshan Avenue,GuanghanCity,Sichuan Province 618300,P.R.ChinaMobile:[phone] E-mail:zhgbaogui STRUCTURE CHARACTERISTICS AND APPLICATION EDGES OF SUBMERSIBLE LNG PUMPSLIANG Qian,LI Yan-zhong,T AN Hong-bo,LI-Huan(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineer-ing,Xican Jiaotong University).NAT UR.GA S IND.v.28,no.2,pp.123-125,2/25/2008.(ISSN1000-0976;In Chinese)ABSTRACT:Along with the rapid development of the global LNG industry,the demand for LNG receiving terminals and gas-ification systems are increased promptly.T he application of the submersible LNG pumps installed in the airtight containers isbecoming more and more popular.This paper introduced the unique structure characteristics of the submersible LNG pumps indetail and pointed out its irreplaceable edges against the general pumps.It also introduced the wide application of the submers-ible LNG pumps and analyzed the key problems in the home-made submersible LNG pumped development which needed to be re-solved.Moreover,the paper conducted predictions on its feasibilities.SUBJECT HEADINGS:LNG,transmission,submersible pump,structure,characteristic,applicationLIANG Qian,born in 1984,is studying for an M.Sc.degree.He is engaged in research works into the LNG integrative util-ization and cold energy recovery.Add:Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering,Xi can Jiaotong University,Xican,Shaanxi Province 710049,P.R.ChinaMobile:[phone] E-mail:lq-xjtu NAT URAL GAS INDUSTR Y,vol.28,no.2,2008 Feburary 25,2008