LNG-FSRU电动超低温潜液泵工况适应性研究

杨 波郑 坤牛志刚张春伟

（1中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452 2天海融合防务装备技术股份有限公司 上海 201612）

LNG-FSRU电动超低温潜液泵工况适应性研究

杨 波1郑 坤1牛志刚1张春伟2

（1中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452 2天海融合防务装备技术股份有限公司 上海 201612）

LNG低温潜液泵作为LNG-FSRU等浮式装备货物操作系统的核心关键设备，其工作稳定性、可靠性及维护便利性对整个系统的正常运行至关重要。在超低温、易挥发、可燃易爆的LNG介质中工作的电动超低温潜液泵，通过特殊的泵体结构设计及材料选择，有效解决了低温潜液泵轴承密封、润滑、冷却，电缆的耐温及绝缘，电缆贯穿连接密封，泵体叶轮的径向力平衡和轴向推力平衡，防止低液位气蚀，泵运行监控等关键技术问题。提升了电动超低温潜液泵在LNGFSRU等浮式装备中的工况适应性。

LNG-FSRU；潜液泵；工况适应性；推力平衡装置；超低温电机

引言

LNG-FSRU是液化天然气海上浮式接收储存和再气化装置（Liquefied Natural Gas Floating Storage and Re-gasification Unit）的英文缩写。LNG-FSRU在货物储运功能的基础上，增加LNG再气化装置，通过自身液货系统及相关装备，可在不借助外力情况下独立完成LNG的再气化，并通过海底管道或水上栈桥向岸上用气设施直接供气[1]。因在工程审批、选址、环评、总投资成本及建造周期等方面具有明显优势，LNG-FSRU正在快速发展，并逐步成为未来LNG终端的主流形式之一。

当前设计的LNG-FSRU基本上属于集LNG接收、储存、再气化、燃气外输、LNG加注、海上转驳等功能于一体的LNG综合终端平台。其所有功能性作业均由LNG液货系统负责完成。而作为液货系统核心部件的超低温液货泵，在各LNG操作环节中起着举足轻重的作用，其可靠性和安全性至关重要。

1 LNG-FSRU液货泵形式分析

与LNG运输船相似，当前主流的LNG-FRSU的货物围护系统一般采用薄膜型、独立B型（MOSS型或SPB型）或独立C型。3种不同的货物围护系统所配备的液货泵形式基本相同，小排量的主货泵通常为立式多级离心式深井泵，但泵体的安装固定方式略有差别。同时配备低温潜液泵作为扫舱泵或燃料供应泵。当然，对于液货输送能力需求较大的LNG-FSRU，主货泵通常采用排量合适的低温潜液泵，实现低温液货外输及气化气的加压输送。

表1 不同的LNG货物围护系统低温货泵形式

目前市场上主流的电动低温深井泵最大排量约700m3/h，而电动低温潜液泵的最大排量可达到4000m3/h。不同的LNG浮式装备根据低温装卸系统的能力需求以及LNG货物围护系统的特点，配备不同形式的低温液货泵。

通常薄膜型LNG货舱和SPB型货舱内部靠后端设有泵塔结构，在泵塔底部布置2台电动低温潜液泵，正常情况下一用一备。泵排出管及低温电缆沿泵塔结构布置，并从舱顶气穹引至舱外。MOSS球形LNG货舱通常采用带泵井结构的潜液泵作为主货泵，泵井底部设有可关闭的吸入阀，当潜液泵发生故障时，可关闭底部吸入阀，阻止货舱内的LNG继续进入泵井内。之后仅对泵井内进行惰化和复温，即可取出潜液泵进行维修，必要时可更换备用泵进行应急卸货。主泵维修完成后重新复位，对泵井进行惰化和冷却后，即可正常使用。独立C型货舱普遍适用于中小型LNG货舱，这类货舱采用电动深井泵作为主货泵居多。电动深井泵的电机布置在LNG舱外气室的顶部，电机轴和叶轮布置在舱内。深井泵需设置双联机械式轴封，这类轴封还需要能够承受一定的货舱压力。由于电机轴较长，需设置多道支撑轴承，并进行精确对中。如对中不好，将引起轴承的磨损和泵组的剧烈振动。独立C型LNG舱内一般仅设置1台深井泵，当泵故障无法正常使用时，可通过BOG压缩机对货舱增压，将低温液货挤出舱外[2]。但这种应急卸货方式效率较低，并容易导致安全阀起跳。独立C型LNG舱的深井泵吊出维修也比较麻烦，需要将货舱进行清舱和惰化，复装后需重新进行气体置换和预冷，维修维护成本非常高。

由于潜液泵与深井泵的结构形式完全不同，在LNG浮式装备应用中，为了确保低温货泵的安全稳定运行，满足各工况的适应性要求，二者的应用技术要求、结构特点也截然不同。在相同排量需求前提下，通常从液货舱结构形式、承压水平、建造预算、应急卸货手段等几个方面确定电动立式深井泵或电动潜液泵的选择。如果液货舱高度较小，泵的传动轴不需要设中间轴承；液货舱可承受较高的压力；液货舱具有灵活的应急卸货手段，则可以采用电动立式深井泵作为LNG液货舱的货物输送泵。相反，如果液货舱高度较大，并许可具有较大的变形范围；承压能力较弱；应急卸货手段单一，则推荐采用电动潜液泵，尤其是带泵井结构的潜液泵作为LNG液货舱的货物输送泵。

2 电动超低温潜液泵作业特点

由于功能不同，LNG低温潜液泵在LNG运输船、FSRU、FSU、LNG燃料动力船燃料储罐等LNG浮式装备中的启动频率、排量、扬程大小均有较大差异，因此，低温潜液泵在各种LNG浮式装备中具有明显不同的作业特点，LNG-FSRU主要作业流程如图1所示。启动频率决定了对潜液泵及电动机可靠性的要求，排量则决定了泵的级数设计，这两点通常不会影响泵的形式及作业特点变化。但所需扬程大小，则对潜液泵的形式具有决定性影响，通常根据扬程，将低温潜液泵划分为低压输送泵和高压输送泵两大类。

图1 LNG-FSRU主要作业流程简图

2.1 低压LNG潜液泵作业特点

低压LNG潜液泵通常以泵井或泵塔结构形式安装在储罐中，基本形式如图2所示。低压潜液泵以恒定转速运行，从储罐内抽出低温液体并输送到下游装置。根据输送速率要求，可通过调节安装在再冷凝器进料管线的流量调节阀或调节安装在再冷凝器旁路的压力控制阀，进行泵流量调节。

低压LNG潜液泵出口管路上设有应急切断阀（ESD阀）和最小流量调节阀。ESD阀用于ESD系统触发时紧急切断LNG输送管线以及泵出口流量的调节。最小流量调节阀用于LNG罐内回流混合搅拌，防止舱内因温度梯度引起的低温液体分层及翻滚现象。

2.2 高压LNG潜液泵作业特点

高压LNG潜液泵通常作为LNG再气化设施中的增压设备使用，用于向气化器输送规定压力和流量的LNG，基本形式如图3所示。高压LNG输送泵采用泵池潜液泵结构形式。与低压潜液泵类似，高压LNG潜液泵输送系统的流量调节也是通过泵出口与气化器进料口之间输送管线上的流量调节阀控制，并且在泵出口处设置应急切断阀（ESD阀）和最小流量调节阀，用于执行紧急情况下的管线应急切断及泵出口流量调节。

高压LNG潜液泵的低温泵池设有专用的脱气管线，可将泵池内蓄积的蒸发气放空到再冷凝器内。当冷凝器因故障或检修等原因不能正常运行时，泵池内的蒸发气则放空至BOG总管，并进行相应处理。泵池脱气管线同时也作为泵池冷态备用管线。

2.3 频繁启停对LNG潜液泵性能影响

应用于LNG-FSRU浮式装备中的低温潜液泵，需要配合整个液货系统进行频繁的LNG货物外输、气化LNG液货供给输送、LNG液货倒舱等，潜液泵启停频繁，这不仅对整船电网产生一定的负载冲击，对潜液泵自身同样带来不利影响。

频繁启停容易导致潜液泵电机带载起动，起动电流变大，使电机过载烧损。同时低温环境下频繁启停会导致泵体热应力变化频繁，泵轴、叶轮疲劳寿命下降，容易发生疲劳损伤，潜液泵整体机械性能下降，寿命变短。

因此，为了解决LNG潜液泵因频繁起停带来的不利影响，FSRU、FSU等浮式装备中的低温潜液泵电机通常采用软启动方式，降低电机起动转矩，起动过程逐渐增加电机转矩和转速，延长电机使用寿命。

图2 LNG低压潜液式输送泵

图3 LNG高压潜液式输送泵

为了防止热应力导致的泵体裂纹、泵轴抱死无法转动等危害，LNG潜液泵通常采用悬臂型结构设计，使低温环境下潜液泵结构整体向顶部收缩；泵体结构配合部位选用热膨胀系数相近的材料，避免低温环境下收缩程度不同产生抱死现象；同时通过温度传感器对泵出口温度进行实时监测，根据监测的温度值，调整泵进出口阀门开度，控制泵预冷时间。上述解决热应力问题方法的有效性在实际运行当中已得到了充分验证。

3 电动超低温潜液泵工况适应的技术特点

LNG低温潜液泵由于工作时浸没在超低温液体中，如何确保轴承密封、润滑、冷却，如何解决电缆的耐低温及良好绝缘，如何解决电气连接的密封，如何解决和控制泵体叶轮的径向力平衡和轴向推力平衡问题，如何防止电机散热导致的泵体内LNG气化以及低液位时产生气蚀，如何监控泵的运行，如何快速更换及维修等，是低温潜液泵设计并满足工况适应性要求的关键技术问题，对于低温潜液泵的正常、稳定、可靠运行及维护便利性具有重要影响。

3.1 电缆耐低温及绝缘

由于潜液泵电机转子、定子线圈、动力及控制电缆完全浸没在-164℃的低温液体中，对其耐低温性能和绝缘性能提出了非常高的要求。因此，设计上需对电机转子、定子线圈、电缆等在-164℃的低温条件下进行性能试验，选择合适的结构材料和绝缘材料。

目前低温电缆均采用聚乙烯和聚酯带组成综合绝缘层，绝缘层外敷聚四氟乙烯（PTFE）保护层等，最外层设置不锈钢恺装保护套，保持在-200℃低温环境下仍具有良好的柔韧性[3]。图4所示为日本Tokyo Gas公司所生产的6 kV电源输送低温电缆结构。

图4 低温电缆结构图

3.2 电气接线密封技术

LNG潜液泵工作环境是在密封的金属压力容器或结构舱室内，泵体和驱动电机整体浸没在所输送的低温介质中，因此其泵轴无需考虑轴封问题。但为了防止低温液体从电机接线端漏入接线盒内，发生事故，LNG低温潜液泵需对电气电缆连接处的密封进行特殊设计[4]。

通常在电缆与防爆接线盒连接处设置双道氮气保护密封系统，双道密封装置在其中一道密封失效情况下，另外一道密封仍能正常工作，阻断LNG泄漏通道。中间腔充注的氮气压力低于潜液泵内压力，但高于大气压力，腔内设有压力传感器，任一端的泄漏都会引起中间腔氮气压力的变化并发出泄漏报警[4,5]。当第1道氮气保护失效时，系统会向监测报警系统输出压力报警信号[6]。双道氮气保护密封系统可有效防止低温液体沿着电缆连接处泄漏至接线盒，引起爆炸事故的发生，其结构如图5所示。

图5 双道氮气保护密封系统

3.3 低温电机启动及冷却润滑技术

由于电动机在启动阶段具有转矩低、启动电流大的特征，通常电动机启动电流约为额定工况电流的7倍。对于大排量的LNG潜液泵，电机功率大约在1000kW以上，目前最大的潜液泵电机功率约为2300kW。对于如此大的潜液泵电机，其启动阶段对电网的冲击非常大，容易导致电网电压瞬间下降、电机启动困难、电能损耗大、电机发热损坏，并影响其他设备正常工作。因此，必须通过软启动、自耦变压器或变频无级调节启动等技术，降低潜液泵电机启动电流[7,8]。

LNG潜液泵电动机在工作和非工作状态均浸没在LNG液体中，完全与空气隔绝，不存在发生氧化腐蚀的可能。同时，工作过程中产生的热量由低温LNG液体完全吸收，电机的轴承也是通过所输送的LNG液体进行冷却和润滑。因此，LNG潜液泵电机具有冷却效果佳，效率高，无氧化腐蚀，绝缘性能稳定，轴承润滑及冷却效果好等突出特点。

3.4 泵内“汽蚀”控制技术

当前主流的大型LNG货物围护系统普遍采用全冷式货舱，这种货舱内的LNG货物在常压或较低压力下，以接近沸点的温度保持液相形态。但轻微的压降或者温升都可能造成LNG的气化[9]。尤其在低温潜液泵吸口周围的LNG货物由于吸收了潜液泵电机工作时产生的热量，极易发生气化，形成气泡，并被潜液泵吸入，导致潜液泵泵体内发生“汽蚀”现象。

为了改善LNG潜液泵“汽蚀”状况，目前潜液泵制造商普遍采用在泵体叶轮末端设计特殊的诱导轮，这种诱导轮通过流道优化设计，可使低温LNG平滑流动，有效减小了LNG在吸入口处的阻力，允许潜液泵在较低进口压力和液位下正常运转，有效降低潜液泵必需的汽蚀余量，从而防止产生汽蚀。

潜液泵的低液位汽蚀控制需从泵体及叶轮设计上进行理论分析和数值计算，进行相关模拟试验及优化设计。随着计算机辅助设计手段的发展，目前泵体设计研制阶段，均通过计算流体力学（CFD）软件，对低温液体的“闪蒸”和“汽蚀”现象建立数学模型，进行理论数值分析。同时结合常温、低温环境下的汽蚀和闪蒸试验，分析定常流体、可变背压条件和可变流速条件下的低温液体闪蒸规律和闪蒸特性。同时，通过CFD技术模拟泵体叶轮和诱导轮的三维非定常流场，分析泵内速度场和压力场分布情况，优化诱导轮和泵体叶轮几何参数，从结构设计上改善汽蚀特性，减少LNG气化，提高LNG潜液泵整体性能。

3.5 叶轮非平衡力控制技术

LNG潜液泵叶轮轴向和径向的非平衡力会导致潜液泵振动加剧、工作噪音变大、LNG润滑液膜被破坏、电机轴承异常磨损，从而直接影响泵和电机的整体性能和使用寿命。

对于轴向推力平衡问题，目前几乎所有LNG潜液泵厂商均采用推力平衡机构（thrust equalizing mechanism,TEM）来解决。TEM的上下磨损环在高速转动过程中，由于直径和重量的不同，会产生向上的合力，致使泵轴上的节流环向上移动，缩小节流环与固定板之间的间隙，使上闸室压力升高，并产生向下推力。在上闸室向下推力的作用下，节流环产生反向运动，拉大与固定板之间的间隙，从而又使上闸室压力减小，如图6所示。TEM装置就是通过上述反复循环的动作，由节流环的上下运动自动调节上下闸室的压力，实现动态平衡，使作用在球形推力轴承上的轴向力几乎为零，有效保障轴承的可靠性，并延长了LNG潜液泵的维修周期[10-11]。

图6 LNG潜液泵推力平衡装置

径向力不平衡问题通常采用一种对称扩散器叶片来解决，如图7所示。扩散器叶片与泵体叶轮叶片呈对称布置，低温LNG在相互对称的叶片流道间流动时，形成液压对称性，使作业于叶轮上的径向力理论值为零，从而保持较好的径向力平衡性。

图7 LNG潜液泵的扩散器

3.6 泵运行监测及保护

为了实时监控潜液泵运行状态，确保LNG潜液泵运行安全可靠，应按照相应规范要求对LNG潜液泵提供必要的自动监测及报警系统。

（1）振动监测系统

为监测LNG潜液泵的异常振动，可在泵壳上安装振动测量装置，潜液泵运转过程中的异常振动通过泵体结构传递至泵壳处，如振动引起的位移值超过标准设定值，系统会自动发出振动超限报警，提示操作人员进行相应检修。

（2）电机保护系统

电机是LNG潜液泵的核心部件，其成本约占潜液泵总价格的30%，因此，需对电机的工作电流进行实时监测，提供电机过电流保护报警和低电流保护报警，工作电流超过设定值则自动报警。

电机电流异常通常可能由以下问题引起：当泵吸入压力过低，泵内发生汽蚀现象时，电机电流强度会减小，严重时引起低电流报警；当泵出现机械故障时，或电机电缆连接异常时，电机电流强度会明显增大，甚至出现过电流报警。出现上述电流异常报警时，需要及时查验相关故障源，进行排查检修。

（3）防爆保护系统

防爆保护系统包括对电机接线盒的防爆处理，以及屏蔽电机连接电缆贯穿处的密封保护。布置在气体危险区域内的潜液泵电机接线盒需气密无火花结构。电缆贯穿处的密封保护如前文所述，通常采用双道氮气密封结构，通过自动监测双头密封中间腔的压力，实现自动泄漏报警。

（4）泵自身的保护

泵自身保护是为了防止汽蚀发生而设计的低流量报警和低入口压力报警。通过低流量传感器和低压传感器对泵的运行状态进行监测和报警，防止泵体内部发生汽蚀及工作异常。

（5）电缆保护

除了按照耐低温电缆的制作工艺进行电缆设计外，电缆安装过程中应注意保护，避免过小的弯曲半径。潜液泵正常使用过程中，应定期对舱内低温电缆的绝缘性能老化程度进行检查，防止意外发生。

3.7 应急维护方案

LNG电动潜液泵装船后，应编制应急维修预案，提供应急维修维护指导。推荐应急预案如下：

1）常见故障及排除方法，如表2所示。

表2 低温潜液泵常见故障及维护指南

2）分析可能出现的危险：如影响正常装卸货、发生泄漏等的因素。

3）制定关键控制点：潜液泵、泵井及其它附件。

4）工具材料准备及安全防护设施配置，包括防爆扳手、防护服、防冻手套、防护鞋、检漏仪一部、对讲机两部等。

5）主要人员：现场操作人员2名、维修工1名、控制室监控员1名。

6）作业气候及环境要求：全天候。

7）主要安全注意事项：

●定期对潜液泵进液、回气管路连接法兰进行紧固；

●对管路紧急切断阀进行维护保养，确保正常；

●定期对潜液泵池地脚和顶部螺丝检查紧固；

●泵体外观清洁；

●在泵运行时，随时观察有无异常噪音。

8）作业记录及总结：

●认真记录作业情况；

●如出现问题应及时详细地分析总结。

结语

LNG-FSRU核心技术源自LNG运输船的货物操作处理系统，但其低温装卸系统已不仅仅局限于传统LNG运输船的液货装卸载单一功能。海上浮式终端作为LNG海上接收站的同时，还兼具海上过驳、气化外输、对外加注、燃料供应等功能。因此，低温装卸系统的低温泵输送能力、稳定性、工况适应能力等，需要与过驳装卸、气化液供给、对外加注、自身燃料供应等等工况相匹配，通过变频技术、远程监控等措施，进行流量压力调节及运行状态监测，实现多工况适应性。

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