LNG低温泵国内外现状及发展前景
文/董钦敏 杨成炯 康娜，沈阳水泵研究所 中石化广州工程有限公司，水泵技术
近年来，天然气在世界能源消耗中所占比例稳步上升，天然气成为与石油、煤炭并驾齐驱的三大支柱能源之一。LNG是全球公认的清洁能源，具有节能、环保、安全、可靠、经济效益突出等众多优点。国家“十二五”规划政策鼓励液化天然气开发和引进，至2012年，在我国沿海城市建立了12个LNG进口接收站，总量3500万吨，超过西气东输一线和二线管道的总量，LNG液化技术在我国得到了快速的发展。“十三五”规划大力支持天然气发展。“十三五”发展规划提出2020年我国天然气综合保供能力达到3600亿立方米，占一次能源消费的比例达到8.3%～10%。
我国进口天然气以液化天然气(LNG)为主。LNG生产消费过程主要由液化、转运、接收、运输和销售等几大部分组成，每个环节都将用到LNG低温输送泵，由此可见LNG低温泵在产业链中起着重要的作用。
目前，世界上仅有少数公司生产LNG低温泵，我国LNG生产处于刚刚起步阶段，国内的LNG液化工厂及LNG接收站、气化站和液化天然气汽车(LNGV)加注站主要采用西方国家的产品，价格昂贵，供货周期长，配合国家大力发展LNG产业和保障国家能源安全的政策，开展LNG输送泵的国产化研发是当务之急。
1、国内外现状及发展趋势
1.1国外技术现状
早在1910年，美国就开始了工业规模的天然气液化研究工作，1917年美国开始液化天然气的生产，随后英国、法国、日本等发达国家开始进行LNG贸易。美国的低温泵技术研究比中国早了近百年。
国际低温泵生产商主要有:EBARA(产地美国)、NIKKISO(产地美国)、JC-CARTER(被NIKKISO收购)。以LNG罐内泵为例，作为满足工艺要求的特殊泵设备，国际上没有统一的标准，各厂家结构及技术各不相同，各有所长，其产品结构及工艺也随着工程应用反馈在不断地进行优化升级。
国际上的低温泵公司长期从事产品的开发研究，有着数十年的产品制造、试验和运行方面的技术积累，现在大型、高效、安全可靠的产品及技术研发是发展潮流。
1.2国内技术现状及发展趋势
当前，随着我国基础研究和工程应用技术飞速发展，国内专业低温泵设备厂家对低温材料、低温潜液电机、吸入底阀、电气及仪表贯穿件、低温轴承等进行了研发和应用。在低温测试技术、安全运行监测等方面也进行了深入的研究，掌握了部分低温泵设计、制造、运行的关键技术，但尚未形成完整的设计、制造、试验及工程应用成套技术，在工程应用经验方面仍与进口厂商有一定的差距，需通过不断的应用和经验积累，逐步缩小差距。
国内主要低温泵厂家有杭州新亚低温科技有限公司、大连深蓝泵业有限公司。
2、LNG泵的结构及其特点
LNG低温潜液泵主要由低温潜液电动机、叶轮和导叶等水力部件、轴承以及推力平衡结构等组成(见图1)。其中泵为离心泵结构，满足－196℃的低温要求，并具有好的抗汽蚀性能;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，无需采取防爆设计，但是由于潜液泵电缆处于低温中，需要采用特殊设计和选用耐低温的材料;此外LNG潜液泵中的轴承处在极低温的环境中，且仅靠低黏度LNG润滑，多选用氮化硅陶瓷球轴承，以保证运行的稳定性。
潜液式LNG泵具有许多传统泵无法相比的优势:
1)潜液泵属于无密封结构泵，杜绝了轴封泄漏的风险，由于潜液电机浸在LNG液体中与氧气隔绝，不存在爆炸风险，属本质安全型设备;
2)潜液电机通过LNG冷却，温度场稳定，其绝缘性能不会因温度升高而受影响;
3)整个泵体完全浸没在液体中，工作时噪声低;
4)将电动机与叶轮共轴安装，结构简单，可靠性高;
5)泵内置平衡机构可有效平衡轴向力，延长了轴承的使用寿命;
6)轴承通过介质自身润滑，不需要设计额外的润滑油系统。
因此，潜液式电动泵在大型LNG船、汽车燃料加注站、LNG接收站等得到广泛成功的应用。
3、国内LNG潜液泵研发方向
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国内LNG潜液泵总体研发目标:开发系列大流量LNG低温泵(含罐内泵和高压外输泵)，技术水平、运行可靠性达到国际类似规格同等水平，满足国内大型LNG接收站及LNG工厂的应用需求。
主要需在以下几个方面进行开发研究:
(1)泵水力技术
研究开发适合LNG物性的大流量、高效率、低汽蚀性能的叶轮型谱，同时进一步通过优化水力设计，确保国产化泵型的水力曲线与进口泵型相近，保证在现有装置中并联操作的稳定性。
对泵过流部件的速度和压力分布进行优化设计，提高转子动平衡精度、泵的安装精度和零部件刚度，以达到降低泵组振动的要求，满足泵组长周期运行的需求。
为了保证所有下游设备不超压，泵的关闭点扬程要求进行优化控制。在水力设计完成后，用相关软件进行CFD模拟，通过修改叶片直径大小来调整，确保关闭点扬程在规定值范围内;其次，在性能测试过程中，可以根据测试数据，再对叶轮进行优化。
(2)罐内泵底阀的配套研发
罐内泵底阀的可靠性会影响泵的使用安全。在完成进口泵底阀配套研发的前提下，同时对国产底阀进行优化设计，满足密封性、强度、互换性、通用性等多方面的开发设计。
目前，在国内已经投运的LNG接收站、LNG城市调峰工程等大型能源工程中，已经实现了对NIKKISO、EBARA、CROYOSTAR等国际知名品牌底阀系统的替代、互换和通用。
(3)耐低温的材料研究
潜液泵整体浸没在低温的LNG液体中，电动机、转子与叶轮以及引线电缆均需要按照承受－196℃低温进行设计选材。泵部分通常选用316不锈钢和铝合金，如何保证低温下材料强度、韧性以及温度场变化对变形的影响都有待进一步研究。
低温电机部分材料的研究国内基本处于空白，国外有一些关于工作温度为－160℃电机材料状态的研究报告，尚无成熟的材料选择标准。下一步为了解决LNG泵低温电机的材料选择问题，应针对构成电机的材料进行大量的低温试验，找到适合用于LNG泵低温电机的材料，总结出相应的选材原则。
处在低温环境中的电缆，其材料耐低温同时还需要保持足够的弹性和韧性，以及导电与绝缘性能，同样有大量的研究工作需要开展。
(4)低温电机
LNG潜液泵中的潜液电机是关键部件，除了上述低温材料外，电机的电磁特性在低温下也会发生改变，势必影响电机的驱动特性。受低温的影响，电机的机械特性也会发生改变，对电机的低温机械特性进行研究，掌握低温下不同工况的电机启动特性及运行方面与常温电机的差异，对低温电机的设计与应用有着至关重要的意义。
(5)LNG介质润滑轴承
LNG潜液泵的特定型式，轴承必须采用介质润滑，即采用－162℃的低温LNG作为轴承的润滑冲洗，避免长时间运转造成局部发热而导致轴承的失效。由于LNG本身的黏度小、润滑性差，对轴承的设计制造要求很高，目前国内普遍采用国外的轴承产品。由于低温LNG处于饱和状态，轴承转动摩擦过程中会产生热量，导致局部LNG气化，如果气化过大会影响泵的输送性能。在低温、低黏度环境下轴承润滑与冷却的研究，也是LNG泵国产化开发必须面对的难题。
4、发展趋势及展望
近5年，中国LNG进口量增长近2倍。预计2022年前后，中国LNG接收站总能力将超过1.3亿吨/年。全球LNG资源供应宽松，中国天然气需求旺盛，国家鼓励LNG进口，中国LNG市场前景看好;近期将有更多的LNG接收站陆续投建，LNG泵的需求逐渐增多。
在LNG潜液泵基础上还可开发出适用于乙烯、丙烷、液氮等低温介质的低温泵产品。随着国家清洁能源政策的推广应用，天然气在我国能源占比将不断提升，为国产化LNG潜液泵的发展提供了广阔的市场空间。下一步LNG潜液泵的研究重点是:耐低温材料的研究、低温条件下轴承的润滑研究、低温下电动机的工作特性研究，以及LNG泵的工作介质工厂测试技术等。
