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LNG低温泵国内外现状及发展前景

日期:2022-02-28 20:14:01


近年来,天然气在世界能源消耗中的比例稳步上升,天然气已成为与石油和煤炭并驾齐驱的三大支柱能源之一。LNG它是世界公认的清洁能源,具有节能、环保、安全、可靠、经济效益突出等优点。国家十二五规划政策鼓励液化天然气的开发和引进。到2012年,中国沿海城市建立了12个城市LNG进口接收站总量3500万吨,超过西气东输一二线管道总量,LNG液化技术在中国发展迅速。十三五规划大力支持天然气发展。十三五发展规划提出,2020年中国天然气综合供应能力达到3600亿立方米,占一次能源消费的8%.3%~10%。

中国进口天然气液化天然气(LNG)为主。LNG生产和消费过程主要由液化、转运、接收、运输和销售组成,每个环节都将使用LNG由此可见低温输送泵LNG低温泵在产业链中起着重要作用。

目前,世界上只有少数公司生产LNG我国低温泵LNG生产刚刚起步,国内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,供应周期长,配合国家大力发展LNG开展产业和国家能源安全政策LNG输送泵研发输送泵是当务之急。

1、国内外现状及发展趋势

1.1国外技术现状

早在1910年,美国就开始研究工业规模的天然气液化。1917年,美国开始生产液化天然气,随后英国、法国、日本等发达国家开始生产液化天然气LNG贸易。美国低温泵技术研究比中国早了近百年。

国际低温泵制造商主要有:EBARA(来自美国),NIKKISO(来自美国),JC-CARTER(被NIKKISO收购)。以LNG例如,罐内泵作为一种满足工艺要求的特殊泵设备,没有统一的国际标准,制造商的结构和技术不同,其产品结构和工艺也随着工程应用反馈的不断优化和升级。

国际低温泵公司长期从事产品开发研究,在产品制造、试验和运行方面积累了数十年的技术。目前,大型、高效、安全、可靠的产品和技术研发是发展趋势。

1.国内技术现状及发展趋势

目前,随着我国基础研究和工程应用技术的快速发展,国内专业的低温泵设备制造商已经开发和应用了低温材料、低温潜水电机、吸入底阀、电气和仪器穿透部件、低温轴承等。在低温试验技术、安全运行监测等方面也进行了深入研究,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、试验和工程应用技术,在工程应用经验和进口厂家仍存在一定差距,需要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低温潜水泵主要由水力部件、轴承和推力平衡结构组成,如低温潜水电机、叶轮和导叶(见图1)。其中,泵为离心泵结构-196℃低温要求,具有良好的耐腐蚀性;潜水泵的核心部件电机浸没LNG在中间,电机可以直接冷却,在无氧环境中非常安全,不需要防爆设计,但由于潜水泵电缆处于低温,需要特殊设计和耐低温材料;此外LNG潜水泵中的轴承处于极低温环境中,仅依靠低粘度LNG氮化硅陶瓷球轴承用于润滑,以保证运行的稳定性。

潜液式LNG泵有许多传统泵无法比拟的优点:

1)潜水泵是一种无密封结构泵,消除了轴密封泄漏的风险。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,绝缘性能不受温度升高影响;3)整个泵体完全浸泡在液体中,噪音低;4)安装电机和叶轮轴,结构简单,可靠性高;5)泵内置平衡机构可有效平衡轴向力,延长轴承使用寿命;6)轴承通过介质润滑,无需设计额外的润滑系统。

因此,大型潜液电动泵LNG船舶、汽车燃料加注站、LNG广泛成功应用于接收站等。

3、国内LNG潜水泵研发方向

国内LNG潜液泵总体研发目标:开发一系列大流量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。

开发研究主要需要在以下几个方面进行:

LNG低温泵国内外现状及发展前景

(1)泵水力技术

适合研发LNG通过优化水力设计,进一步保证国产泵型的水力曲线与进口泵型相似,保证现有设备并联运行的稳定性。

优化泵过流部件的速度和压力分布,提高转子动平衡精度、泵安装精度和部件刚度,满足减少泵组振动和泵组长周期运行的要求。

为确保所有下游设备不超压,优化了泵关闭点的扬程控制。水力设计完成后,使用相关软件CFD模拟,调整叶片直径,确保关闭点扬程在规定值范围内;其次,在性能测试过程中,根据测试数据优化叶轮。

(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安全。在完成进口泵底阀配套研发的前提下,优化国内底阀的设计,满足密封、强度、交换、通用等方面的开发设计。

目前已投入国内LNG接收站、LNG在城市调峰工程等大型能源工程中,已经实现了NIKKISO、EBARA、CROYOSTAR替代、交换和通用国际知名品牌底阀系统。

(3)耐低温材料研究

潜水泵整体浸没在低温下LNG在液体中,电机、转子、叶轮和引线电缆需要承受-196℃设计和选择低温材料。泵部分通常选用316不锈钢和铝合金。如何保证材料强度、韧性和温度场变化对低温变形的影响有待进一步研究。

国内低温电机部分材料的研究基本空白,国外有一些关于工作温度的研究-160℃电机材料状态的研究报告没有成熟的材料选择标准。下一步是解决问题LNG泵低温电机的材料选择应对构成电机的材料进行大量的低温试验,找到合适的LNG泵低温电机材料,总结相应的材料选择原则。

电缆在低温环境下,材料耐低温,还需要保持足够的弹性和韧性,以及导电和绝缘性能,还需要进行大量的研究工作。

(4)低温电机

LNG潜水泵中的潜水电机是关键部件。除上述低温材料外,电机的电磁特性也会在低温下发生变化,这必然会影响电机的驱动特性。受低温影响,电机的机械特性也会发生变化。研究电机的低温机械特性,掌握低温下不同工况下电机的启动特性和运行与常温电机的差异,对低温电机的设计和应用具有重要意义。

(5)LNG介质润滑轴承

LNG对于潜水泵的特定类型,轴承必须用介质润滑,即使用-162℃的低温LNG润滑冲洗作为轴承,避免长时间运行造成局部发热导致轴承失效。LNG粘度小,润滑性差,对轴承设计制造要求高。目前,国外轴承产品广泛应用于中国。由于低温LNG在饱和状态下,轴承旋转摩擦会产生热量,导致局部LNG气化,如果气化会影响泵的输送性能。研究轴承润滑和冷却在低温和低粘度环境下也是如此LNG泵国产化发展必须面临的问题。

四、发展趋势及展望

近5年,中国LNG进口量增长近两倍。预计2022年左右,中国LNG接收站总能力将超过1.三亿吨/年LNG国家鼓励资源供应宽松,中国天然气需求旺盛LNG进口,中国LNG市场前景看好;近期会有更多LNG接收站陆续投建,LNG对泵的需求逐渐增加。

在LNG在潜水泵的基础上,还可以开发适用于乙烯、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和应用,天然气在中国的能源比例将继续提高,以定位LNG潜水泵的发展提供了广阔的市场空间。LNG潜液泵的研究重点是耐低温材料、低温条件下轴承润滑、低温下电机工作特性、LNG泵工作介质工厂测试技术等。

来源:能源情报(微号:eipress) 文/董钦敏 杨成炯


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