一、前言

近些年來，我國國民經濟的飛速發展，對能源的需求也愈來愈旺盛。根據國家發改委制定的國家能源戰略報告 ，液化天然氣（LNG）被作爲“海氣登陸”保障國家能源安全的“第五大戰略能源通道”，同時也成爲改變調整能源結構、緩解過分依賴石油而帶來的供應壓力的重大舉措。 在 LNG整個產業鏈中，由輸出、轉運、接收和利用等幾大環節構成，每個環節都將用到低溫泵，由此可見LNG低溫輸運泵在產業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公司等爲數不多的幾家公司能夠生產LNG輸送泵，而對比我國目前尚無擁有具有完全自主知識產權的相關產品。 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）加註站均無一例外地採購來自國外的進口產品，然而在我國當前大力發展LNG產業和保障國家能源安全的的大環境下，國內有關學者非常有必要開展LNG輸送泵的國產化研發。

二、國產LNG泵和國外的產業現狀對比

目前我國所正在大力發展的LNG產業，主要是佈局在沿海地區如廣東、福建、遼寧、浙江等多地。 根據國家制定的發展規劃，我國天然氣工業將在今後的 20年得到一個高速發展的黃金時期，而其核心部件LNG泵也將在我國得到廣泛的應用。 因此對 LNG泵相關知識的掌握無論是對於泵的使用者還是設計製造部門都是十分有益和必要的。 目前，我國已經建好投用和正在建設的 LNG接收站、液化廠裝置中，LNG罐內潛液泵、LNG高壓潛液泵全部採用進口Nikkiso、Ebara等國外產品，其生產供應也基本爲美國和日本等少數發達國家所壟斷，它們擁有比較成熟的研發技術和先進的製造工藝，生產的低溫潛液泵性能優越且可靠穩定。 例如 Nikkiso、Ebara等國外公司在20世紀60年代就已開始從事相關產品研究，在該領域積累了大量的技術，當前它們又將技術發展定位在朝着大型、高效、節能的技術方向發展。 但是，目前國內相應的研究卻很少， LNG潛液泵的相關技術儲備幾乎爲零，只有少數的幾家企業在相關的領域如低溫電纜和低溫電絕緣材料進行了前期的理論研究工作。 最近幾年，國內的大連深藍泵業公司在該類型的泵的產品研發和創新上取得突破。 2011年，大連深藍泵業有限公司與中海油簽訂聯合研發協議，開展對LNG低溫潛液泵及液力透平相關技術的研發，現已完成了對LNG低溫潛液泵及液力透平中關鍵技術的研發工作，並已完成了LNG低溫潛液泵的相關係列化設計，具備了一定的LNG低溫潛液泵設計生產製造能力。 2013年初，又開展並完成對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製設計定型，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現了的國產化裝機的應用，以上設備用戶在現場均一次性開車成功且各項性能指標滿足客戶要求，並且設備具有操作簡單，預冷時間短、安裝方便的特點。 相關設備自投入運行以來，一直保持着零故障的高效運行，相關設備在現場的應用情況如圖 1和圖2所示。

圖1 LNG罐內潛液泵

圖2 LNG罐內潛液泵現場應用

三、LNG泵的結構及其特點

LNG潛液泵主要由導流器、擴散器、電動機、主軸、軸承以及推力平衡結構等組成（見圖3）。 其中的泵選用離心式結構具有離心泵所具有的轉速高、體積小、結構簡單等特點。潛液泵中的導流器是用來減少 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，還可以防止產生汽蝕； 潛液泵在工作當中會產生一定的離心力而這部分離心力可以由泵中的擴散器葉片來實現，由於擴散器和流體是對稱的；潛液泵中的核心部件電動機由於浸沒在 LNG中，電動機能夠被直接冷卻且處在無氧環境中十分安全，但是由於潛液泵電纜處於低溫中，需要採用特殊設計和耐低溫的材料（聚四氟乙烯）才能使電纜在－200℃的保持良好的狀態下工作，因此無需使用防爆電動機了。 此外潛液泵中的軸承由於處在極低溫的環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，具有運行中不斷打磨自身的效果。

圖3 潛液式電動泵

1.擴壓器 2、3.軸承 4.主軸 5.排出管 6.電動機 7.葉輪 8.推力平衡機構

與傳統泵不同的結構特點，導致LNG工業中所使用的潛液式LNG泵具有許多傳統泵無法相比的優勢。 其優點主要體現在：

1）整個泵體完全浸沒在液體中導致工作時整體噪聲比較低。

2）由於泵內設有封閉系統使電動機及導線與液體自然隔絕，因此沒有設計轉動軸封。

3）電動機能夠較好地抵抗住潮溼、腐蝕的影響，且其絕緣性能保持比較好，不會隨着溫度變化而變化。

4）將電動機與葉輪設計安放在同一個軸上，這樣省去了聯軸器的安裝和對中的需要。

5）泵內平衡機構的設計大大延長了軸承的使用壽命和泵的大修週期。

6）由於葉輪和軸承可通過液體自身潤滑，因此不需要設計額外的潤滑油系統。

考慮到這些優點，潛液式LNG泵才能在LNG工業中得到廣泛應用。 目前，已知的潛液式電動泵在大型 LNG船、汽車燃料加註站、LNG儲罐等得到廣泛成功的應用。

四、LNG泵技術發展的難點

經過對潛液泵結構及其特點的瞭解，認識到潛液泵都工作在極低溫環境中，對其材料的耐低溫性能要求比較高，此外對泵的轉動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鍵技術難題需有所突破才能爲日後國產潛液泵的研製提供可能。

1.耐低溫的材料

由於泵整體浸沒在111K的LNG液體中，因此它的電動機、轉子與葉輪以及引線電纜也得承受低溫。 波蘭學者 Dlugiewicz等在2012年就設計出了功率爲1600W工作溫度爲－160℃左右火箭推進燃料泵， Dlugiewicz等學者指出目前還未有關於電動機材料在低溫狀態下研究的相關文獻，都處在探索階段，我國目前還未有相關類似的研究，只有對低溫永磁同步電動機永磁體材料在低溫下的衝擊特性進行了研究。 而同樣處在低溫環境中的電纜也需要採用耐低溫且還需要保持足夠的彈性和韌性的材料製作，而目前的做法是一般設計採用在導體表面塗半導體材料、絕緣體材料和聚四氟乙烯，然後在其最外層爲特氟龍與不鏽鋼外套，這樣就保證了電纜能夠在低溫下正常工作。

2.泵轉動部件的冷卻與潤滑

泵的旋轉部件主要爲軸承，如圖4所示。 同樣也處在－ 162℃的低溫環境中，而由於普通潤滑油是無法在如此低溫環境下工作，因此在長時間得到運轉中會造成局部發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。 但是此法卻由於 LNG本身的黏度比較低，不能起到很好的潤滑作用，長時間運轉會導致球形滾動軸承損壞，使用壽命減短。 此外轉動摩擦過程中會產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導致LNG氣化，氣化可能會造成“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境下轉動部件的潤滑與冷卻這是一個需要克服和解決的難題。

圖4 潛液泵的軸承

3.潛液泵電動機技術的發展

由於潛液泵的電動機工作在－162℃的環境中，極低溫環境可能帶來定子轉子的磁性能受到影響以及其他問題，而目前國內電動機所使用的最低環境溫度只在－40℃左右，因此相關深冷環境下電動機技術的發展迫在眉睫。 針對這種超低溫環境，國外學者已經研製出了幾種可行性的低溫電動機：如低溫超聲波電動機（ ultrasonicmotor，USM）就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應使定子彈性體產生微幅振動然後通過定子與轉子之間的摩擦來帶動轉子轉動從而實現，DaisukeYamaguchi等也製作出樣機併成功在4k的低溫環境下運轉但是由於超聲波電動機的特性並不適合大功率的設備，因此還需要考慮其他設計； 一些學者提出了超導電動機即用低溫泵帶動超導電動機來實現，但是超導電動機對低溫環境有着嚴格的限制，超過其溫度範圍就無法正常工作；此外還有低溫開關磁阻電動機等並對其相關特性進行了一定的研究，但是由於低溫潛液泵工作環境的需要要求電動機及其驅動系統結構要簡單、可靠性要高、損耗低和效率高。就目前的幾種低溫電動機而言，還存在一些問題如電動機的材料和製作工藝原則以及低溫條件下電動機的驅動特性會不會受到影響等等都需要進行系統的試驗驗證和研究。

五、結語

在20世紀60年代左右，西方發達國家便就有相關的低溫潛液泵產品問世，而至今我國卻仍然在相關的領域研究爲空白。 但隨着國民經濟建設的發展，沿海地區大批 LNG接收站項目的上馬，爲了更好地切實保障我國的能源安全，應以此爲契機加快實現國產化LNG潛液泵的發展。 考慮到我國前期相關技術儲備不足，需要在 LNG潛液泵的研究上重點關注耐低溫材料的研究、超低溫條件下軸承的潤滑以及電動機的工作特性研究上有所突破，這樣才能爲該技術的國產化提供可能。

來源：《通用機械》

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