楊 波鄭 坤牛志剛張春偉

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津300452 2天海融合防務裝備技術股份有限公司 上海 201612）

LNG-FSRU電動超低溫潛液泵工況適應性研究

楊 波1鄭 坤1牛志剛1張春偉2

（1中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津300452 2天海融合防務裝備技術股份有限公司 上海 201612）

LNG低溫潛液泵作為LNG-FSRU等浮式裝備貨物操作系統(tǒng)的核心關鍵設備，其工作穩(wěn)定性、可靠性及維護便利性對整個系統(tǒng)的正常運行至關重要。在超低溫、易揮發(fā)、可燃易爆的LNG介質中工作的電動超低溫潛液泵，通過特殊的泵體結構設計及材料選擇，有效解決了低溫潛液泵軸承密封、潤滑、冷卻，電纜的耐溫及絕緣，電纜貫穿連接密封，泵體葉輪的徑向力平衡和軸向推力平衡，防止低液位氣蝕，泵運行監(jiān)控等關鍵技術問題。提升了電動超低溫潛液泵在LNGFSRU等浮式裝備中的工況適應性。

LNG-FSRU；潛液泵；工況適應性；推力平衡裝置；超低溫電機

引言

LNG-FSRU是液化天然氣海上浮式接收儲存和再氣化裝置（Liquefied Natural Gas Floating Storage and Re-gasification Unit）的英文縮寫。LNG-FSRU在貨物儲運功能的基礎上，增加LNG再氣化裝置，通過自身液貨系統(tǒng)及相關裝備，可在不借助外力情況下獨立完成LNG的再氣化，并通過海底管道或水上棧橋向岸上用氣設施直接供氣[1]。因在工程審批、選址、環(huán)評、總投資成本及建造周期等方面具有明顯優(yōu)勢，LNG-FSRU正在快速發(fā)展，并逐步成為未來LNG終端的主流形式之一。

當前設計的LNG-FSRU基本上屬于集LNG接收、儲存、再氣化、燃氣外輸、LNG加注、海上轉駁等功能于一體的LNG綜合終端平臺。其所有功能性作業(yè)均由LNG液貨系統(tǒng)負責完成。而作為液貨系統(tǒng)核心部件的超低溫液貨泵，在各LNG操作環(huán)節(jié)中起著舉足輕重的作用，其可靠性和安全性至關重要。

1 LNG-FSRU液貨泵形式分析

與LNG運輸船相似，當前主流的LNG-FRSU的貨物圍護系統(tǒng)一般采用薄膜型、獨立B型（MOSS型或SPB型）或獨立C型。3種不同的貨物圍護系統(tǒng)所配備的液貨泵形式基本相同，小排量的主貨泵通常為立式多級離心式深井泵，但泵體的安裝固定方式略有差別。同時配備低溫潛液泵作為掃艙泵或燃料供應泵。當然，對于液貨輸送能力需求較大的LNG-FSRU，主貨泵通常采用排量合適的低溫潛液泵，實現低溫液貨外輸及氣化氣的加壓輸送。

表1 不同的LNG貨物圍護系統(tǒng)低溫貨泵形式

目前市場上主流的電動低溫深井泵最大排量約700m3/h，而電動低溫潛液泵的最大排量可達到4000m3/h。不同的LNG浮式裝備根據低溫裝卸系統(tǒng)的能力需求以及LNG貨物圍護系統(tǒng)的特點，配備不同形式的低溫液貨泵。

通常薄膜型LNG貨艙和SPB型貨艙內部靠后端設有泵塔結構，在泵塔底部布置2臺電動低溫潛液泵，正常情況下一用一備。泵排出管及低溫電纜沿泵塔結構布置，并從艙頂氣穹引至艙外。MOSS球形LNG貨艙通常采用帶泵井結構的潛液泵作為主貨泵，泵井底部設有可關閉的吸入閥，當潛液泵發(fā)生故障時，可關閉底部吸入閥，阻止貨艙內的LNG繼續(xù)進入泵井內。之后僅對泵井內進行惰化和復溫，即可取出潛液泵進行維修，必要時可更換備用泵進行應急卸貨。主泵維修完成后重新復位，對泵井進行惰化和冷卻后，即可正常使用。獨立C型貨艙普遍適用于中小型LNG貨艙，這類貨艙采用電動深井泵作為主貨泵居多。電動深井泵的電機布置在LNG艙外氣室的頂部，電機軸和葉輪布置在艙內。深井泵需設置雙聯機械式軸封，這類軸封還需要能夠承受一定的貨艙壓力。由于電機軸較長，需設置多道支撐軸承，并進行精確對中。如對中不好，將引起軸承的磨損和泵組的劇烈振動。獨立C型LNG艙內一般僅設置1臺深井泵，當泵故障無法正常使用時，可通過BOG壓縮機對貨艙增壓，將低溫液貨擠出艙外[2]。但這種應急卸貨方式效率較低，并容易導致安全閥起跳。獨立C型LNG艙的深井泵吊出維修也比較麻煩，需要將貨艙進行清艙和惰化，復裝后需重新進行氣體置換和預冷，維修維護成本非常高。

由于潛液泵與深井泵的結構形式完全不同，在LNG浮式裝備應用中，為了確保低溫貨泵的安全穩(wěn)定運行，滿足各工況的適應性要求，二者的應用技術要求、結構特點也截然不同。在相同排量需求前提下，通常從液貨艙結構形式、承壓水平、建造預算、應急卸貨手段等幾個方面確定電動立式深井泵或電動潛液泵的選擇。如果液貨艙高度較小，泵的傳動軸不需要設中間軸承；液貨艙可承受較高的壓力；液貨艙具有靈活的應急卸貨手段，則可以采用電動立式深井泵作為LNG液貨艙的貨物輸送泵。相反，如果液貨艙高度較大，并許可具有較大的變形范圍；承壓能力較弱；應急卸貨手段單一，則推薦采用電動潛液泵，尤其是帶泵井結構的潛液泵作為LNG液貨艙的貨物輸送泵。

2 電動超低溫潛液泵作業(yè)特點

由于功能不同，LNG低溫潛液泵在LNG運輸船、FSRU、FSU、LNG燃料動力船燃料儲罐等LNG浮式裝備中的啟動頻率、排量、揚程大小均有較大差異，因此，低溫潛液泵在各種LNG浮式裝備中具有明顯不同的作業(yè)特點，LNG-FSRU主要作業(yè)流程如圖1所示。啟動頻率決定了對潛液泵及電動機可靠性的要求，排量則決定了泵的級數設計，這兩點通常不會影響泵的形式及作業(yè)特點變化。但所需揚程大小，則對潛液泵的形式具有決定性影響，通常根據揚程，將低溫潛液泵劃分為低壓輸送泵和高壓輸送泵兩大類。

圖1 LNG-FSRU主要作業(yè)流程簡圖

2.1 低壓LNG潛液泵作業(yè)特點

低壓LNG潛液泵通常以泵井或泵塔結構形式安裝在儲罐中，基本形式如圖2所示。低壓潛液泵以恒定轉速運行，從儲罐內抽出低溫液體并輸送到下游裝置。根據輸送速率要求，可通過調節(jié)安裝在再冷凝器進料管線的流量調節(jié)閥或調節(jié)安裝在再冷凝器旁路的壓力控制閥，進行泵流量調節(jié)。

低壓LNG潛液泵出口管路上設有應急切斷閥（ESD閥）和最小流量調節(jié)閥。ESD閥用于ESD系統(tǒng)觸發(fā)時緊急切斷LNG輸送管線以及泵出口流量的調節(jié)。最小流量調節(jié)閥用于LNG罐內回流混合攪拌，防止艙內因溫度梯度引起的低溫液體分層及翻滾現象。

2.2 高壓LNG潛液泵作業(yè)特點

高壓LNG潛液泵通常作為LNG再氣化設施中的增壓設備使用，用于向氣化器輸送規(guī)定壓力和流量的LNG，基本形式如圖3所示。高壓LNG輸送泵采用泵池潛液泵結構形式。與低壓潛液泵類似，高壓LNG潛液泵輸送系統(tǒng)的流量調節(jié)也是通過泵出口與氣化器進料口之間輸送管線上的流量調節(jié)閥控制，并且在泵出口處設置應急切斷閥（ESD閥）和最小流量調節(jié)閥，用于執(zhí)行緊急情況下的管線應急切斷及泵出口流量調節(jié)。

高壓LNG潛液泵的低溫泵池設有專用的脫氣管線，可將泵池內蓄積的蒸發(fā)氣放空到再冷凝器內。當冷凝器因故障或檢修等原因不能正常運行時，泵池內的蒸發(fā)氣則放空至BOG總管，并進行相應處理。泵池脫氣管線同時也作為泵池冷態(tài)備用管線。

2.3 頻繁啟停對LNG潛液泵性能影響

應用于LNG-FSRU浮式裝備中的低溫潛液泵，需要配合整個液貨系統(tǒng)進行頻繁的LNG貨物外輸、氣化LNG液貨供給輸送、LNG液貨倒艙等，潛液泵啟停頻繁，這不僅對整船電網產生一定的負載沖擊，對潛液泵自身同樣帶來不利影響。

頻繁啟停容易導致潛液泵電機帶載起動，起動電流變大，使電機過載燒損。同時低溫環(huán)境下頻繁啟停會導致泵體熱應力變化頻繁，泵軸、葉輪疲勞壽命下降，容易發(fā)生疲勞損傷，潛液泵整體機械性能下降，壽命變短。

因此，為了解決LNG潛液泵因頻繁起停帶來的不利影響，FSRU、FSU等浮式裝備中的低溫潛液泵電機通常采用軟啟動方式，降低電機起動轉矩，起動過程逐漸增加電機轉矩和轉速，延長電機使用壽命。

圖2 LNG低壓潛液式輸送泵

圖3 LNG高壓潛液式輸送泵

為了防止熱應力導致的泵體裂紋、泵軸抱死無法轉動等危害，LNG潛液泵通常采用懸臂型結構設計，使低溫環(huán)境下潛液泵結構整體向頂部收縮；泵體結構配合部位選用熱膨脹系數相近的材料，避免低溫環(huán)境下收縮程度不同產生抱死現象；同時通過溫度傳感器對泵出口溫度進行實時監(jiān)測，根據監(jiān)測的溫度值，調整泵進出口閥門開度，控制泵預冷時間。上述解決熱應力問題方法的有效性在實際運行當中已得到了充分驗證。

3 電動超低溫潛液泵工況適應的技術特點

LNG低溫潛液泵由于工作時浸沒在超低溫液體中，如何確保軸承密封、潤滑、冷卻，如何解決電纜的耐低溫及良好絕緣，如何解決電氣連接的密封，如何解決和控制泵體葉輪的徑向力平衡和軸向推力平衡問題，如何防止電機散熱導致的泵體內LNG氣化以及低液位時產生氣蝕，如何監(jiān)控泵的運行，如何快速更換及維修等，是低溫潛液泵設計并滿足工況適應性要求的關鍵技術問題，對于低溫潛液泵的正常、穩(wěn)定、可靠運行及維護便利性具有重要影響。

3.1 電纜耐低溫及絕緣

由于潛液泵電機轉子、定子線圈、動力及控制電纜完全浸沒在-164℃的低溫液體中，對其耐低溫性能和絕緣性能提出了非常高的要求。因此，設計上需對電機轉子、定子線圈、電纜等在-164℃的低溫條件下進行性能試驗，選擇合適的結構材料和絕緣材料。

目前低溫電纜均采用聚乙烯和聚酯帶組成綜合絕緣層，絕緣層外敷聚四氟乙烯（PTFE）保護層等，最外層設置不銹鋼愷裝保護套，保持在-200℃低溫環(huán)境下仍具有良好的柔韌性[3]。圖4所示為日本Tokyo Gas公司所生產的6 kV電源輸送低溫電纜結構。

圖4 低溫電纜結構圖

3.2 電氣接線密封技術

LNG潛液泵工作環(huán)境是在密封的金屬壓力容器或結構艙室內，泵體和驅動電機整體浸沒在所輸送的低溫介質中，因此其泵軸無需考慮軸封問題。但為了防止低溫液體從電機接線端漏入接線盒內，發(fā)生事故，LNG低溫潛液泵需對電氣電纜連接處的密封進行特殊設計[4]。

通常在電纜與防爆接線盒連接處設置雙道氮氣保護密封系統(tǒng)，雙道密封裝置在其中一道密封失效情況下，另外一道密封仍能正常工作，阻斷LNG泄漏通道。中間腔充注的氮氣壓力低于潛液泵內壓力，但高于大氣壓力，腔內設有壓力傳感器，任一端的泄漏都會引起中間腔氮氣壓力的變化并發(fā)出泄漏報警[4,5]。當第1道氮氣保護失效時，系統(tǒng)會向監(jiān)測報警系統(tǒng)輸出壓力報警信號[6]。雙道氮氣保護密封系統(tǒng)可有效防止低溫液體沿著電纜連接處泄漏至接線盒，引起爆炸事故的發(fā)生，其結構如圖5所示。

圖5 雙道氮氣保護密封系統(tǒng)

3.3 低溫電機啟動及冷卻潤滑技術

由于電動機在啟動階段具有轉矩低、啟動電流大的特征，通常電動機啟動電流約為額定工況電流的7倍。對于大排量的LNG潛液泵，電機功率大約在1000kW以上，目前最大的潛液泵電機功率約為2300kW。對于如此大的潛液泵電機，其啟動階段對電網的沖擊非常大，容易導致電網電壓瞬間下降、電機啟動困難、電能損耗大、電機發(fā)熱損壞，并影響其他設備正常工作。因此，必須通過軟啟動、自耦變壓器或變頻無級調節(jié)啟動等技術，降低潛液泵電機啟動電流[7,8]。

LNG潛液泵電動機在工作和非工作狀態(tài)均浸沒在LNG液體中，完全與空氣隔絕，不存在發(fā)生氧化腐蝕的可能。同時，工作過程中產生的熱量由低溫LNG液體完全吸收，電機的軸承也是通過所輸送的LNG液體進行冷卻和潤滑。因此，LNG潛液泵電機具有冷卻效果佳，效率高，無氧化腐蝕，絕緣性能穩(wěn)定，軸承潤滑及冷卻效果好等突出特點。

3.4 泵內“汽蝕”控制技術

當前主流的大型LNG貨物圍護系統(tǒng)普遍采用全冷式貨艙，這種貨艙內的LNG貨物在常壓或較低壓力下，以接近沸點的溫度保持液相形態(tài)。但輕微的壓降或者溫升都可能造成LNG的氣化[9]。尤其在低溫潛液泵吸口周圍的LNG貨物由于吸收了潛液泵電機工作時產生的熱量，極易發(fā)生氣化，形成氣泡，并被潛液泵吸入，導致潛液泵泵體內發(fā)生“汽蝕”現象。

為了改善LNG潛液泵“汽蝕”狀況，目前潛液泵制造商普遍采用在泵體葉輪末端設計特殊的誘導輪，這種誘導輪通過流道優(yōu)化設計，可使低溫LNG平滑流動，有效減小了LNG在吸入口處的阻力，允許潛液泵在較低進口壓力和液位下正常運轉，有效降低潛液泵必需的汽蝕余量，從而防止產生汽蝕。

潛液泵的低液位汽蝕控制需從泵體及葉輪設計上進行理論分析和數值計算，進行相關模擬試驗及優(yōu)化設計。隨著計算機輔助設計手段的發(fā)展，目前泵體設計研制階段，均通過計算流體力學（CFD）軟件，對低溫液體的“閃蒸”和“汽蝕”現象建立數學模型，進行理論數值分析。同時結合常溫、低溫環(huán)境下的汽蝕和閃蒸試驗，分析定常流體、可變背壓條件和可變流速條件下的低溫液體閃蒸規(guī)律和閃蒸特性。同時，通過CFD技術模擬泵體葉輪和誘導輪的三維非定常流場，分析泵內速度場和壓力場分布情況，優(yōu)化誘導輪和泵體葉輪幾何參數，從結構設計上改善汽蝕特性，減少LNG氣化，提高LNG潛液泵整體性能。

3.5 葉輪非平衡力控制技術

LNG潛液泵葉輪軸向和徑向的非平衡力會導致潛液泵振動加劇、工作噪音變大、LNG潤滑液膜被破壞、電機軸承異常磨損，從而直接影響泵和電機的整體性能和使用壽命。

對于軸向推力平衡問題，目前幾乎所有LNG潛液泵廠商均采用推力平衡機構（thrust equalizing mechanism,TEM）來解決。TEM的上下磨損環(huán)在高速轉動過程中，由于直徑和重量的不同，會產生向上的合力，致使泵軸上的節(jié)流環(huán)向上移動，縮小節(jié)流環(huán)與固定板之間的間隙，使上閘室壓力升高，并產生向下推力。在上閘室向下推力的作用下，節(jié)流環(huán)產生反向運動，拉大與固定板之間的間隙，從而又使上閘室壓力減小，如圖6所示。TEM裝置就是通過上述反復循環(huán)的動作，由節(jié)流環(huán)的上下運動自動調節(jié)上下閘室的壓力，實現動態(tài)平衡，使作用在球形推力軸承上的軸向力幾乎為零，有效保障軸承的可靠性，并延長了LNG潛液泵的維修周期[10-11]。

圖6 LNG潛液泵推力平衡裝置

徑向力不平衡問題通常采用一種對稱擴散器葉片來解決，如圖7所示。擴散器葉片與泵體葉輪葉片呈對稱布置，低溫LNG在相互對稱的葉片流道間流動時，形成液壓對稱性，使作業(yè)于葉輪上的徑向力理論值為零，從而保持較好的徑向力平衡性。

圖7 LNG潛液泵的擴散器

3.6 泵運行監(jiān)測及保護

為了實時監(jiān)控潛液泵運行狀態(tài)，確保LNG潛液泵運行安全可靠，應按照相應規(guī)范要求對LNG潛液泵提供必要的自動監(jiān)測及報警系統(tǒng)。

（1）振動監(jiān)測系統(tǒng)

為監(jiān)測LNG潛液泵的異常振動，可在泵殼上安裝振動測量裝置，潛液泵運轉過程中的異常振動通過泵體結構傳遞至泵殼處，如振動引起的位移值超過標準設定值，系統(tǒng)會自動發(fā)出振動超限報警，提示操作人員進行相應檢修。

（2）電機保護系統(tǒng)

電機是LNG潛液泵的核心部件，其成本約占潛液泵總價格的30%，因此，需對電機的工作電流進行實時監(jiān)測，提供電機過電流保護報警和低電流保護報警，工作電流超過設定值則自動報警。

電機電流異常通常可能由以下問題引起：當泵吸入壓力過低，泵內發(fā)生汽蝕現象時，電機電流強度會減小，嚴重時引起低電流報警；當泵出現機械故障時，或電機電纜連接異常時，電機電流強度會明顯增大，甚至出現過電流報警。出現上述電流異常報警時，需要及時查驗相關故障源，進行排查檢修。

（3）防爆保護系統(tǒng)

防爆保護系統(tǒng)包括對電機接線盒的防爆處理，以及屏蔽電機連接電纜貫穿處的密封保護。布置在氣體危險區(qū)域內的潛液泵電機接線盒需氣密無火花結構。電纜貫穿處的密封保護如前文所述，通常采用雙道氮氣密封結構，通過自動監(jiān)測雙頭密封中間腔的壓力，實現自動泄漏報警。

（4）泵自身的保護

泵自身保護是為了防止汽蝕發(fā)生而設計的低流量報警和低入口壓力報警。通過低流量傳感器和低壓傳感器對泵的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和報警，防止泵體內部發(fā)生汽蝕及工作異常。

（5）電纜保護

除了按照耐低溫電纜的制作工藝進行電纜設計外，電纜安裝過程中應注意保護，避免過小的彎曲半徑。潛液泵正常使用過程中，應定期對艙內低溫電纜的絕緣性能老化程度進行檢查，防止意外發(fā)生。

3.7 應急維護方案

LNG電動潛液泵裝船后，應編制應急維修預案，提供應急維修維護指導。推薦應急預案如下：

1）常見故障及排除方法，如表2所示。

表2 低溫潛液泵常見故障及維護指南

2）分析可能出現的危險：如影響正常裝卸貨、發(fā)生泄漏等的因素。

3）制定關鍵控制點：潛液泵、泵井及其它附件。

4）工具材料準備及安全防護設施配置，包括防爆扳手、防護服、防凍手套、防護鞋、檢漏儀一部、對講機兩部等。

5）主要人員：現場操作人員2名、維修工1名、控制室監(jiān)控員1名。

6）作業(yè)氣候及環(huán)境要求：全天候。

7）主要安全注意事項：

●定期對潛液泵進液、回氣管路連接法蘭進行緊固；

●對管路緊急切斷閥進行維護保養(yǎng)，確保正常；

●定期對潛液泵池地腳和頂部螺絲檢查緊固；

●泵體外觀清潔；

●在泵運行時，隨時觀察有無異常噪音。

8）作業(yè)記錄及總結：

●認真記錄作業(yè)情況；

●如出現問題應及時詳細地分析總結。

結語

LNG-FSRU核心技術源自LNG運輸船的貨物操作處理系統(tǒng)，但其低溫裝卸系統(tǒng)已不僅僅局限于傳統(tǒng)LNG運輸船的液貨裝卸載單一功能。海上浮式終端作為LNG海上接收站的同時，還兼具海上過駁、氣化外輸、對外加注、燃料供應等功能。因此，低溫裝卸系統(tǒng)的低溫泵輸送能力、穩(wěn)定性、工況適應能力等，需要與過駁裝卸、氣化液供給、對外加注、自身燃料供應等等工況相匹配，通過變頻技術、遠程監(jiān)控等措施，進行流量壓力調節(jié)及運行狀態(tài)監(jiān)測，實現多工況適應性。

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