当前我国大力发展液化天然气(lng)产业，成为调整能源构成缓解对石油供应的依赖和压力、保障我国能源安全的重大举措。在lng整个产业链中，其输出转运接收利用等各个环节都将用到低温泵，这使lng低温输运泵在产业链中扮演了举足轻重的角色。日前，美国j.c.carter公司、荏原(ebara)国际公司，日本的nikkiso shinko公司，法国的cryostar公司等少数几家公司基本垄断着lng输送泵的供应，我国尚无拥有自主知识产权的相关产品。目前我国的lng接收终端、气化站和液化天然气汽车(lngv)加注站无一例外地采购国外进日产品，因此在我国大力发展lng产业的大形势下，开展lng输送泵的国产化研发势在必行。笔者分析了1种潜入式lng低压输送泵的关键技术，并提出了该技术自主研发的主要内容。

1 lng低温潜液泵的关键技术

lng潜液泵是1种泵和电机一体潜入低温lng中输送低温介质的机械。由于lng的低温(储存压力为o.1mpa时，饱和温度约为-162℃)和易燃的特性，输送泵不仅要能承受低温的性能，而且对泵的气密性和电气安全性能要求更高[1]。此外，低温lng中的电机润滑和冷却、泵体中可能发生的lng气化、电机转子与泵体叶轮共用同一根轴所带来的平衡性问题等，成为lng潜液泵不同于一般泵体的主要特点，这些问题的应对措施就是lng潜液泵的关键技术。

1.1 lng潜液泵的密封技术

lng潜液泵是将泵与电动机整体安装在一个密封的金属容器内，不需要轴封，也不存在轴封的泄漏问题，泵的进、出口用法兰结构与输送管路相连。因此，其密封问题就是电气连接处的密封。

为防止lng沿着电缆从连接处泄漏到接线盒遇到火花发生爆炸，通常在外接电缆与接线盒处设置2道氮气密封保护系统，阻断lng可能的泄漏通道。如果第1道 n2保护失效，第2道n2密封系统仍可正常工作，而第1道n2保护失效时其压力有显著变化，由此向安全监测装置报警[2]。

1.2 低温下潜液式电机相关技术

浸入低温lng中的电动机转矩与速度的对应关系和电流与速度的对应关系类似，在低温下启动转矩会有较大的降低。此类电机的功率为1000-2300 kw，其启动电流大约需要满负载工作电流的6.5倍。为降低启动电流，软启动技术、自耦变压器和变频无级调节启动技术分别被成功地研制并应用[3]。

此外，电机浸入低温液下被泵内液体冷却，冷却效果好，电机效率高且没有腐蚀的问题，电机绝缘性能不易劣化。轴承润滑也由lng承担，具有良好的冷却和润滑效果。

1.3 防止lng在泵内“汽蚀”技术

由于泵体浸入饱和状态下的lng中，轻微的压降或者温升都可能造成lng的气化[4]，由此可能产生“汽蚀”现象。特殊的螺旋诱导器被用来减小lng在吸入口处的阻力，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”，防止产生汽蚀。另外，经过精心设计的叶轮能使低温的lng平滑地流动，巨有充裕的汽蚀余量(npsh)以防止汽蚀带来的危害。

1.4 lng潜液泵轴向受力平衡技术

由于电机转了与叶轮同轴，其轴向力和径向力受力不平衡直接影响泵和电机的寿命。此外，由于轴承是由lng润滑，轴向力和径向力影响液膜的状态，极易造成严重的磨损。

现代lng潜液泵普遍采用推力平衡机构(thrust equalizing mechanism, tem)来平衡轴向推力。tem的上磨损环直径大于下磨损环，致使高速转动过程中合力向上，因此泵轴上的所有转动部件向上移动，此时叶轮的节流环调节缩小它与固定板的间距，限制通过磨损环的流动，并引起上闸室压力增加。由于上闸室压力的增加，此时推力向下，旋转部件又向下移动，因此固定板与叶轮节流环间的距离变大，上闸室压力减小(见图1)。经过tem反复连续的自调节，可以使利用lng润滑的球形推力轴承在零轴向推力状态下运转，极大地提高了轴承的可靠性，并延长了lng潜液泵的维修周期[5-6]。

径向力的平衡是由1种对称扩散器叶片来实现(见图2)。由于扩散器与流体是对称的，低温的lng从叶轮中流出后进入轴向的扩散器，在其流量范围下具有完美的液压对称性。因此，潜液式lng泵作用于叶轮上的径向力理论上为零[7]。

2 开展lng低温潜液泵自主研发的攻关内容

通过分析lng潜液泵的关键技术，笔者提出了其主要研究内容，并建议对几项重要技术展开攻关。

2.1 lng潜液泵电气设备研究

电气设备研制主要包括低温电绝缘材料和低温电缆的研究、电气连接处的密封技术研究、潜液式电机的润滑冷却技术研究和电机低温工作特性研究几个方面。

(1)电绝缘材料及电缆的低温性能研究

主要对电机转子、定子线圈及引线在111k以下的低温性能进行实验研究，选择合适的绝缘材料和结构。低温电缆应采用聚乙烯和聚醋带组成综合绝缘层，易于实现与泵连接。日本tokyo gas公司所生产的6kv电源输送低温电缆[8](见图3)，其直径为23mm，具有良好的柔韧性，可实现弯曲半径超过电缆半径10倍以上，可承受最大电流为300a，工作温度为90-162℃。

(2)电气连接的密封技术研究

由于lng属易燃易爆物质，而且电机的接线盒应防爆，为了防止lng沿着电缆泄漏到接线盒内遇到电火花发生爆炸，要对电机的外接电力系统进行密封和保护，使其能承受高液压和高电压的冲击。日本nikkiso公司研制的陶瓷气体密封端子和双头密封结构[9](见图4 ,5)，具有很好的可靠性。所有密封件都采用特殊的焊接技术焊接而成。气体密封头采用2个端头，串联，中间腔内充有氮气，任一密封件的泄漏都不会让气体通过端头。充装氮气压力低于泵内压力，高于大气压力，任一端的泄漏都会引起氮气压力的变化并报警。

(3)潜液式电机的润滑和冷却技术研究

由于电机浸在lng中，被低温的lng冷却，但由于被输送的lng都在饱和温度附近，很小的温升或压降即可能造成lng气化，因此应研究电机内部温度场分布，预测lng气化情况。此外，lng潜液泵内的轴承及相关运动部件都由lng润滑。由于lng的黏度较低，使用的球形滚珠轴承很容易损坏，使用寿命很短。使用滑动轴承可以减少轴承的负荷，延长使用寿命5年以上[8]。应开展lng自润滑实验研究，分析液膜形成条件，通过测量轴承径向和轴向压力分布，分析lng润滑下的轴承受力，研究不同低温液体对液膜形成的影响，研发lng自润滑轴承技术。

(4)低温下电机工作特性研究

低温泵的电动机转矩与普通空气冷却的电动机不同，在低温状态下，由于其电阻和磁力特性的变化，电动机的电力特性在低温下会发生改变，使得转矩有较大降低。因此需要研究电动机转矩变化的影响因素及特性曲线，了解电动机在不同工况下的启动特性。

2.2 lng潜液泵泵体研究

这部分内容主要围绕泵体的设计展开，可以借鉴常温流体泵的研发方法，但对于低温液体的汽蚀现象的研究是关键，因为被输送的lng处于饱和温度，极易引起气化。另外，低温潜液泵的推力平衡技术也是一大特点。

(1) lng在泵内汽蚀规律研究

对低温液体的“闪蒸”和“汽蚀”现象进行理论分析，建立闪蒸数学模型，利用cfd技术模拟不同压降和流速下液体的闪蒸现象，根据数值计算结果开展实验研究。首先进行常温实验，通过可视化乎段测量气泡数量，分析定流速、变背压条件和变流速条件下液体闪蒸规律。最后开展低温下液氮和lng闪蒸实验，根据常温实验的经验，测量不同压降和流速下的气泡数量，研究其闪蒸特性。同时开展不同结构形式下汽蚀和闪蒸实验研究，从结构上改善汽蚀性能，指导泵体设计研制。

(2)低温潜液泵叶轮及诱导轮结构设计与优化

利用cfd技术模拟具有二维旋钮叶片的叶轮和有螺旋通道的诱导轮内lng二维非定常流动。采用三维n-s方程和标准k-ε模型，对转动部件与静止部件之间采用滑移网格技术建立交互界面，模拟叶轮及诱导轮内三维流场，分析其压力场和速度场分布，并优化叶轮和诱导轮几何参数，提高lng潜液泵整机性能并改善汽蚀特性，减少lng气化。

(3) lng潜液泵自平衡机构的研究

tem技术是通过低温动力学手段消除作用在潜液泵轴承上的推力，也是lng潜液泵的一个重要特点。应该开展自主设计的自平衡机构动力学研究，利用数值分析和实验研究的乎段，对其进行优化设计，开发出可用于低温潜液泵的成熟产品。

3 结论

目前，lng潜液泵被应用于lng工业链的众多环节当中，如大型储罐的罐内泵、lng船用泵、lng加注站用泵以及汽车燃料泵等。它是lng产业中的重要设备，同时，其生产供应为美国、日本等少数国家所垄断，因此，开展lng潜液泵的自主研发意义重大。

国外lng潜液泵技术起步较早，己有产品投入实际工程应用。日前主要发展高压、大型、高效的低温潜液泵；国内相关技术基本空白，现己建成的lng终端和加注站中全部采用进口泵。当前我国lng发展迅速，形成国外进日与国内生产相结合的格局，可以预见lng产业将蓬勃发展，lng潜液泵具有十分广阔的市场。

参考文献：

[1] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺等.液化天然气技术[m].北京：机械业出版社，2004
[2] 张翼飞，全晓龙.液化天然气(lng)输送泵的特点与应用[j].水泵技术，2006(6)：38-40.
[3] steve rush. submerged motor lng pumps in sent-out system service[j].pumps and systems,2004(3)：32-37.
[4] coyle david a，patel vinod. processes and pump services in the lng industry[c]// proceedings of the twenty-second international pump users symposium，2005：179-185.
[5]  weisser g l. modern submersible pumps for cryogenic liquids[j].world pumps，1994(1)：23-25.
[6] longhman david，cullen david. suhmerged electric motor pumps for marine liquefied gas cargo[j].world pumps，1996(9)：50-55.
[7] 湖南力普吉实业有限公司.ebara低温潜液式离心泵[eb/ol].[2007-6- 15].http://www.lpge.com/chs/3.files/ebara-catalogo.pdf.
[8] tokyo gas co ltd. high head/large capacity irr tank lng pump[ eb/ol].[2007-6-15].http://www.tokyo gas. co. jp/techno/stp/e-txt/ 36e.htm.
[9] 湖南力普吉实业有限公司.nikkiso潜液泵宣传样本[eb/ol].[2007-6-  15].http://www.lpge.com/chs/3.files/nikkiso-broch.pdf.