編號(hào)：SM-ZD-44177

天然氣液化設(shè)備

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天然氣液化設(shè)備

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和決策等事項(xiàng)，保證生產(chǎn)中的人、物、環(huán)境因素處于最佳安全狀態(tài)，從而使整體計(jì)劃用

標(biāo)統(tǒng)一，行動(dòng)協(xié)調(diào)，過(guò)程有條不紊。文檔可直接下載或修改，使用時(shí)請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀內(nèi)容。

一、壓縮機(jī)

壓縮機(jī)在天然氣液化裝置中，主要用于增壓和氣體輸送。

對(duì)于逐級(jí)式液化裝置，還有不同溫區(qū)的制冷壓縮機(jī)，是天然

氣液化流程中的關(guān)鍵設(shè)備之一。天然氣液化采用的壓縮機(jī)，

主要有往復(fù)式。離心式和軸流式壓縮機(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)通常

用于天然氣處理量比較小（100m3/min以下）的液化裝置。軸

流式壓縮機(jī)組從20世紀(jì)80年代開(kāi)始用于天然氣液化裝置，

主要用于混合冷劑制冷循環(huán)裝置。離心式壓縮機(jī)早已在液化

裝置中廣為采用，主要用于大型液化裝置。大型離心式壓縮

機(jī)的功率可高達(dá)41000kWo大型離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式

除了電力驅(qū)動(dòng)外，還有汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式。各

種壓縮機(jī)的適用范匿見(jiàn)圖3-17所示。一般來(lái)說(shuō)，往復(fù)式壓

縮機(jī)適用于低排量、高壓比的情況，離心式壓縮機(jī)適用于大

排量、低壓比的情況。

目前正在發(fā)展中的橇裝式小型天然氣液化裝置，則采用

小體積的螺桿式壓縮機(jī)：并可用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

用于天然氣液化裝置的壓縮機(jī)，應(yīng)充分考慮到所壓縮的

氣體是易燃、易爆的危險(xiǎn)介質(zhì)，要求壓縮機(jī)的軸封具有良好

的氣密性，電氣設(shè)施和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有防爆裝置。對(duì)于深低

溫的制冷壓縮機(jī)，還應(yīng)充分考慮低溫對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)件材料的影

響，因?yàn)楹芏嗖牧显诘蜏叵聲?huì)失去韌性，發(fā)生冷脆損壞。另

外，如果壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度很低，潤(rùn)滑油也會(huì)凍結(jié)而無(wú)法正常

工作，此時(shí)應(yīng)選擇無(wú)油潤(rùn)滑的壓縮機(jī)。

(-)往復(fù)式壓縮機(jī)

往復(fù)式壓縮機(jī)的壓比通常是3:1或4:lo壓縮機(jī)每級(jí)增

壓一般不超過(guò)7MPa。小型壓縮機(jī)最高出口壓力一般不超過(guò)

40MPa,流量范圍為0.3~85m3/min。往復(fù)式壓縮機(jī)的結(jié)

構(gòu)形式分為立式和臥式兩種。臥式壓縮機(jī)的排量一般比立式

壓縮機(jī)大。大排量的往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成臥式結(jié)構(gòu)，可以使

運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安裝方便。立式結(jié)構(gòu)的往復(fù)式壓縮機(jī)，活塞環(huán)的

離心式壓縮機(jī)適用于吸氣量14~5660m3/min的情況,

每級(jí)的最高壓力受出口溫度的限制(205?232℃)O為了提高

壓比，離心式壓縮機(jī)做成多級(jí)葉輪，最多達(dá)6~8級(jí)，每級(jí)

壓比在1.1?1.5之間，小型離心式壓縮機(jī)最高出口壓力可達(dá)

68MPa,大型機(jī)一般只能達(dá)到17~20MPa。單級(jí)壓縮機(jī)用

于壓比較小的場(chǎng)合，如LNG蒸發(fā)氣體的處理系統(tǒng)，也就是

蒸發(fā)氣(BOG)壓縮機(jī)。

離心壓縮機(jī)的殼體有整體型和分開(kāi)型。整體型離心式壓

縮機(jī)的殼體實(shí)際上是圓柱形的殼體，轉(zhuǎn)子安裝時(shí)是豎起來(lái)安

裝的。分開(kāi)型的殼體是水平剖分；上下兩半組合起來(lái)的，轉(zhuǎn)

子安裝時(shí)可水平安裝，轉(zhuǎn)子安裝好后，將上半部分殼體再連

接上。

離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn)是排量大，結(jié)構(gòu)緊湊，摩擦部件少，

運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)流量脈沖現(xiàn)象，操作靈活,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，

維修工作量大大低于往復(fù)式壓縮機(jī)。其缺點(diǎn)是效率較低，只

能達(dá)到75%?78%,而且偏離工作點(diǎn)越遠(yuǎn)，效率降得越多。

當(dāng)流量降到某一數(shù)值時(shí)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。高效工作區(qū)范圍窄,

相對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)調(diào)節(jié)較困難。

離心壓縮機(jī)的主軸密封裝置是非常重要的部件，能防止

被壓縮的氣體向外漏泄，或使漏泄的量控制在允許的范圍內(nèi)。

軸封主要有三種形式：機(jī)械接觸密封、氣體密封和浮動(dòng)炭環(huán)

密封。機(jī)械接觸密封經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，能確保在運(yùn)轉(zhuǎn)和停機(jī)

期間絕對(duì)不漏。當(dāng)壓縮機(jī)在空轉(zhuǎn)或油泵不工作時(shí)，密封結(jié)構(gòu)

在停機(jī)狀態(tài)也應(yīng)不漏泄。對(duì)于用惰性氣體來(lái)作密封材料時(shí)，

惰性氣體向內(nèi)漏泄的可能性也應(yīng)盡可能消除。密封的結(jié)構(gòu)形

式是可以變化的，取決于處理過(guò)程的要求。

氣體密封結(jié)構(gòu)采用干燥氣體作密封材料，密封結(jié)構(gòu)能控

制密封氣體只允許漏泄到環(huán)境中，而不能向機(jī)內(nèi)漏泄。密封

用的氣體通常是一前一后地布置。氣體緩沖系統(tǒng)應(yīng)具有性能

良好過(guò)濾器”方止外來(lái)的物體進(jìn)入密封裝置。在軸承盒和密

封盒之間，有一個(gè)附加的隔離密封，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入密封盒。

浮動(dòng)炭環(huán)密封主要用于排出壓力較低的壓縮機(jī)，允許有

少量氣體漏泄。這種密封可以干式運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于葉輪和擴(kuò)壓器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)可以在很寬的

范圍內(nèi)工作。對(duì)不同的使用場(chǎng)合，需要對(duì)容量進(jìn)行控制，壓

縮機(jī)的特性也會(huì)產(chǎn)生變化。容量控制主要有四種方法：吸入

口節(jié)流、排出口節(jié)流、調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)葉及改變轉(zhuǎn)速。選擇何種

控制方法，需要根據(jù)裝置的運(yùn)行要求和準(zhǔn)備考慮的壓縮機(jī)運(yùn)

行點(diǎn)以及其他的運(yùn)行點(diǎn)的效率仔細(xì)選擇。

壓縮機(jī)的排量可以通過(guò)調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)葉來(lái)實(shí)現(xiàn)，使壓縮機(jī)

的工作范圍得到擴(kuò)展，改進(jìn)壓縮機(jī)在部分負(fù)載下的特性，調(diào)

節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉也可以和速度控制結(jié)合起來(lái)。

控制方法需要根據(jù)裝置的運(yùn)行要求，壓縮機(jī)在相關(guān)點(diǎn)及

其他狀態(tài)點(diǎn)的效率仔細(xì)地選擇。調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉擴(kuò)展了壓縮機(jī)

的運(yùn)行范圍，對(duì)部分載荷時(shí)，能改善壓縮機(jī)的效率。

正確選擇符合使用要求的壓縮機(jī)，需要考慮多方面的因

素，包括要求的進(jìn)口流量和排出壓力，根據(jù)壓力和流量的圖

線，確定壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)縱坐標(biāo)上的速度，求

出名義工作速度。對(duì)于摩爾質(zhì)量低的氣體，使用立式安裝型

（筒式外殼）的壓縮機(jī)是比較合適的，因?yàn)橥惭b式結(jié)構(gòu)具有優(yōu)

異的密封性能，這種形式也可適用于工作壓力比較高的場(chǎng)合。

二、換熱器

在天然氣液化裝置中，無(wú)論是液化工藝過(guò)程或是液一氣

轉(zhuǎn)換過(guò)程，都要使用各種不同的換熱器。在工藝流程中，常

用繞管式和板翅式換熱器。大多數(shù)基本負(fù)荷型的液化裝置都

采用繞管式換熱器。板翅式換熱器則主要應(yīng)用于調(diào)峰型的

LNG裝置，但基本負(fù)荷型的LNG裝置中也有使用這種換熱

器的情況。

這兩種換熱器在低溫液化和空氣分離裝置中，早已得到

成功的應(yīng)用。繞管式換熱器的特點(diǎn)是效率較高，維修方便,

如果有個(gè)別管道發(fā)生漏泄，在管板處將其堵住，設(shè)備仍然可

以使用，而且很適合于工作壓力很高的工作條件。板翅式換

熱器的成本比較低，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用也非常普遍。

在LNG系統(tǒng)中，還有一類專門用于液態(tài)天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

氣態(tài)的換熱器，稱為氣化器。隨著使用的性質(zhì)、加熱方式和

氣化量規(guī)模等因素的不同，氣化器也有各種不同的形式。按

加熱方式分，主要可以分為空氣加熱、海水加熱、燃燒加熱

等形式。關(guān)于氣化器將在第六章中介紹。

(-)繞管式換熱器

繞管式或螺旋管式換熱器，在空分設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)

用在LNG工業(yè)發(fā)展的初期就已經(jīng)廣泛使用了這種換熱器。

大多數(shù)的LNG液化裝置，是在空氣產(chǎn)品公司的混合制冷劑

循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?；旌现评鋭┭h(huán)液化流程就是采

用繞管式換熱器。

在繞管式換熱器中，鋁管被繞成螺旋形，從一根芯軸或

內(nèi)管開(kāi)始繞，一層接一層，每一層的卷繞方向與前面一層相

反。管路在殼體的頂部或底部連接到管板。高壓氣體在管內(nèi)

流動(dòng)，制冷劑在殼體內(nèi)流動(dòng)。傳統(tǒng)的繞管式換熱器的換熱面

2

積達(dá)9000~28000mo繞管式換熱器的制造方式各有不同，

纏繞時(shí)要拉緊，保證均勻。管的端部插入管板的孔中，然后

進(jìn)行漲管。管板起到固定管子的作用，漲管起到密封的作用。

在殼體內(nèi)部，還需要設(shè)置一些擋板，減小一些流通面積，以

增加流體的流速和擾動(dòng)，提高傳熱效率。然后管束置于殼體

內(nèi)，殼體與管板焊接成一個(gè)封閉的容器。此后要進(jìn)行壓力試

驗(yàn)，如果其中的任何一根管道有漏泄，可在管路的兩端堵死

管口，防止高壓側(cè)流體串通到低壓側(cè)。堵管的方法在現(xiàn)場(chǎng)也

可以應(yīng)用。美國(guó)在建立某LNG裝置時(shí)，總共四個(gè)換熱器。共

有77540根管路，有2根管路因漏泄采用堵的方法，使換

熱器仍然正常運(yùn)行。

由于在天然氣液化流程中，換熱器中通常存在多股流體,

每股流體可能還是氣液兩相混合的狀態(tài)，使換熱器的結(jié)構(gòu)更

為復(fù)雜。換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算通常要采用計(jì)算機(jī)程序來(lái)進(jìn)行。

確定了換熱器的大?。ū砻娣e、管數(shù)與管長(zhǎng)、總長(zhǎng)、螺旋角及

管間距）就可以計(jì)算壓降。如果壓降滿足要求，可將管內(nèi)側(cè)和

管外側(cè)的邊界條件作為獨(dú)立變量，通過(guò)反復(fù)計(jì)算來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

作為制造商的慣例，在LNG裝置調(diào)試或運(yùn)行時(shí)，要對(duì)產(chǎn)品

進(jìn)行綜合測(cè)試，以證實(shí)設(shè)計(jì)的正確性。確保液化處理過(guò)程能

實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷的運(yùn)行要求。換熱器的效率和壓縮機(jī)的效率

關(guān)系如下：

式中n——總液化效率；

qc-----壓縮效率；

qL一換熱器的效率；

WL——液化消耗的功；

WR—制冷齊!］消耗的功；

WC——壓縮機(jī)的壓縮功。

WR是WL和所有換熱器系統(tǒng)中不可逆損失之和，如溫

差、控制閥和混合制冷劑的相互影響。換熱系統(tǒng)最大的不可

逆損失是因溫差引起，尤其是低溫部分。應(yīng)盡量對(duì)換熱器進(jìn)

行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高換熱效率。對(duì)一些大型的壓縮機(jī)，離心

壓縮機(jī)效率約為;軸流壓縮機(jī)效率約為

78%85%O

壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)合在一起的效率

換熱系統(tǒng)的效率

總的液化效率r］為30%~45%。

(-)板翅式換熱器

板翅式換熱器的基本結(jié)構(gòu)是由平隔板(厚0.8~2.0mm)

和翅片(厚0.15~0.58mm)構(gòu)成板束組裝而成。如圖3-18所

示。在兩塊平行金屬板間，放入波紋狀翅肄，兩邊以側(cè)條密

封，組成一個(gè)單元體。各單元體又以不同的疊積排列，并用

釬焊固定，成為逆流式（如圖3-18的流體a和流體b）或錯(cuò)流

式（流體a、b和流體e）。翅片的高度和密度取決于傳熱和工

作壓力的要求。普通的翅片高度為6.3-19mm,翅片的間

距約為翅片有很多種形式，如平板型、打孔型、間

1.6mme

斷型及魚叉型等。打孔的翅片是為了使通道內(nèi)的流量均勻，

這在兩相流的情況下是很重要的。板翅式換熱器的組裝件稱

為芯部，將半圓形進(jìn)出流體匯管焊接至板束上，就成為板翅

式換熱器。在流體的進(jìn)出口處采用流量分配器，分配器內(nèi)的

翅片確保流量分配均勻。

大多數(shù)板翅式換熱器都是銅鋁結(jié)構(gòu)，初始的應(yīng)用是在空

氣分離裝置中。由于它結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小，所以在低溫流程

中應(yīng)用很廣。在20世紀(jì)70年代末期，由于真空釬焊技術(shù)的

發(fā)展，真空釬焊工藝代替了最初的鹽浴式銅焊工藝。使換熱

器核心部分的尺寸更加緊湊工作壓力可以達(dá)到8MPa以上。

板翅式換熱器單位體積的傳熱面積約為990-1300m2

/m3，約為普通管殼式換熱器的6~8倍。板翅式換熱器1m

3的質(zhì)量?jī)H為1200-1400kg而管殼式換熱器為4000kg/m

3。由于質(zhì)量小、單位體積傳熱面積大，因而板翅式換熱器單

位質(zhì)量的換熱面積約為管殼式換熱器的25倍，這樣就減小

了換熱器基礎(chǔ)、支撐、隔熱層等的費(fèi)用。板翅式換熱器允許

多達(dá)10股流體在箱體內(nèi)換熱，兩股流體換熱的平均溫差僅

為3~6℃o由于板翅式換熱器的流道狹窄,因此要求流體潔

凈，不含固體雜質(zhì)，操作中還應(yīng)防止溫度驟變。銅鋁型的板

翅式換熱器廣泛用于天然氣液化流程中的主要換熱設(shè)備一

一冷箱。

(=)提高傳熱效率

LNG裝置的換熱器需要很高的傳熱效率，為此要解決以

下影響傳熱效率的因素。

1.流動(dòng)不均勻性

由于局部的阻力(如入口通道的堵塞)，使換熱器中某個(gè)

部分的流量減少，或者多個(gè)換熱器并聯(lián)產(chǎn)生的流量不均勻，

總的影響是使熱效率下降。

2.流道受阻

大多數(shù)的LNG液化流程都比較清潔，因?yàn)閷?duì)氣體進(jìn)行

了預(yù)處理，水、二氧化碳和其他雜質(zhì)在液化前已經(jīng)清除?？?/p>

是由于碳?xì)浠衔镏懈咛冀M分被凍結(jié)出來(lái)，可能產(chǎn)生偶爾的

阻塞或故障，其后果都是引起流體流動(dòng)不均勻和換熱效率下

降。對(duì)于這種情況，清洗過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只要將換熱器復(fù)溫，

用清潔和干燥的氣體吹除即可，也就是所謂的〃解凍〃。某些

情況下則采用化學(xué)溶劑的方法，如向系統(tǒng)內(nèi)的流體充注入甲

醇，以抑制氫氣的產(chǎn)生，而且不需要停機(jī)。

3.縱向?qū)?/p>

對(duì)于雙層套管式換熱器，縱向?qū)崾侵秆刂鴵Q熱器長(zhǎng)度

方向的傳熱，對(duì)于板翅式換熱器，則是板與翅片交界處的傳

熱?？v向?qū)釋?duì)傳熱效率是非常不利的。評(píng)價(jià)縱向?qū)岬挠?/p>

響是比較復(fù)雜的，尤其是對(duì)多股流的換熱器和其中有相變產(chǎn)

生的情況。

對(duì)于板翅式換熱器，通過(guò)采用間斷型翅片的方法，可以

減少縱向熱傳導(dǎo)的影響。板與翅片交界處，翅片的厚度應(yīng)盡

量薄一些。

對(duì)于繞管式換熱器，長(zhǎng)而細(xì)的管路有利于減少縱向熱傳

導(dǎo)。

4.環(huán)境漏熱

天然氣液化過(guò)程在低溫狀態(tài)下進(jìn)行，熱量從裝置周圍環(huán)

境漏入，對(duì)于換熱器的影響，與縱向熱傳導(dǎo)是類似的。

三、LNG泵

液體輸送需要泵增壓，LNG液體輸送同樣需要泵增壓。

但是，LNG液體輸送泵除了一般的液體輸送泵的性能要求外,

在低溫性能和氣密性能方面有更高的要求。

LNG的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過(guò)程都需要泵送。如從LNG

液化裝置的儲(chǔ)罐向LNG船液艙內(nèi)裝貨、LNG船到達(dá)接收站

時(shí)的卸貨、接收站對(duì)外進(jìn)行LNG的輸送或轉(zhuǎn)運(yùn)、，固定儲(chǔ)罐

對(duì)運(yùn)輸罐車的裝貨或向氣化器供液等，都需要LNG泵。LNG

船在卸好貨以后，開(kāi)始下一次航行前往LNG的產(chǎn)地時(shí)，液

艙中留有一定的LNG〃殘液〃是為了維持液艙處于低溫狀態(tài),

也需要用泵循環(huán)艙內(nèi)的殘液，噴淋LNG冷卻艙壁。在LNG

作為汽車燃料時(shí)，加注站向汽車加注LNG時(shí)，也需要LNG

泵來(lái)輸送。

輸送LNG這類低溫的易燃介質(zhì)，輸送泵不僅要具有一

般低溫液體輸送泵能承受低溫的性能，而且對(duì)泵的氣密性能

和電氣方面安全性能要求更高。常規(guī)的泵很難克服軸封處的

漏泄問(wèn)題。對(duì)于普通的沒(méi)有危險(xiǎn)性的介質(zhì)，微量的漏泄不影

響使用。而易燃易爆介質(zhì)則不同，即使是微量的漏泄，隨著

在空氣中的不斷積累，與空氣可能形成可燃爆的混合物。因

此，LNG泵的密封要求顯得尤其重要。除了密封問(wèn)題以外,

還有電動(dòng)機(jī)的防爆問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)的軸承系統(tǒng)、聯(lián)軸器的對(duì)中

問(wèn)題，長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)時(shí)軸的支撐以及溫差的負(fù)面影響等一系列問(wèn)

題。

為了解決可燃的低溫介質(zhì)輸送泵的這些問(wèn)題，在泵的結(jié)

構(gòu)、材料等方面有很大的進(jìn)展。一種安裝在密封容器內(nèi)的潛

液式電動(dòng)泵在LNG系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。另外，在一些

傳統(tǒng)的離心泵的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)和材料等措施,

也可應(yīng)用于LNG的輸送。柱塞泵在某些場(chǎng)合也有應(yīng)用，如

在LNG汽車技術(shù)中需要將液化天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s天然氣，

稱為L(zhǎng)CNG裝置，采用的就是柱塞泵。

(-)潛液式電動(dòng)泵

潛液式電動(dòng)泵如圖3-19所示。它是專門用于輸送LNG

和LPG等易燃、易爆的低溫介質(zhì)。其特點(diǎn)是將泵與電動(dòng)機(jī)整

體安裝在一個(gè)密封的金屬容器內(nèi)，因此不需要軸封，也不存

在軸封的漏泄問(wèn)題。泵的進(jìn)、出口用法蘭與輸送管路相連。

潛液式電動(dòng)泵的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的籠型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵有

較大的差別。動(dòng)力電纜系統(tǒng)需要特殊設(shè)計(jì)和可靠的材料，電

纜可以浸在低溫的液化氣體中，在-20CTC條件下仍保持有彈

性。電纜需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和驗(yàn)收，并標(biāo)明是液化氣體輸

送泵專用電纜，工作溫度為±20(TCLNG泵的電纜如圖3-20

所示。電纜用聚氯乙烯材料(TFE)絕緣，并用不銹鋼絲編成的

鎧甲加以保護(hù)。電動(dòng)機(jī)的冷卻是由所輸送的低溫流體直接進(jìn)

行冷卻，冷卻效果好；電動(dòng)機(jī)效率高。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)浸在所要

輸送的流體中，所以電動(dòng)機(jī)也沒(méi)有潮濕和腐蝕的影響，電動(dòng)

機(jī)的絕緣也不會(huì)因?yàn)闇囟壬咭饜夯?。?duì)于潛液式電

動(dòng)泵，電氣連接的密封裝置是影響安全性的關(guān)鍵因素之一。

電氣接線端設(shè)計(jì)成可經(jīng)受高壓和電壓的沖擊。使用陶瓷氣體

密封端子和雙頭密封結(jié)構(gòu)，可確保其可靠性。對(duì)于安裝在容

器內(nèi)的電動(dòng)泵，所有的引線密封裝置不是焊接就是用特殊的

焊接技術(shù)進(jìn)行連接。陶瓷氣體密封原是為原子能裝置的密封

結(jié)構(gòu)所研制的。氣體密封采用兩段接線柱串聯(lián)的方式。串聯(lián)

部分安裝在一個(gè)充有氮?dú)獾姆忾]空間內(nèi)。兩邊的密封都不允

許氣體通過(guò)接線柱。密封空間內(nèi)氮?dú)獾膲毫Φ陀诒脙?nèi)的比力，

但高于環(huán)境大氣壓力。任何一邊的漏泄都能輕易地進(jìn)行探測(cè)。

所有的電纜連接密封組件都要經(jīng)過(guò)壓力測(cè)試和氨質(zhì)譜

檢漏。美國(guó)生產(chǎn)的潛液式電動(dòng)泵，應(yīng)符合美國(guó)國(guó)家電氣標(biāo)準(zhǔn)

(U.S.NationalElectricCode)和美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

(NFPA59A)中，關(guān)于電力引入液化氣體容器的相關(guān)要求。

低溫泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與普通空氣冷卻的電動(dòng)機(jī)不同，轉(zhuǎn)

矩與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系和電流與速度的關(guān)系曲線類似。在低溫

狀態(tài)下，轉(zhuǎn)矩會(huì)有較大的降低。因而，一臺(tái)泵從啟動(dòng)到加速

至全速運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于同樣功率的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，低溫條件下的啟

動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)大大減少(圖這是由于電阻和磁力特性的

3-21a)o

變化，電動(dòng)機(jī)的電力特性在低溫下會(huì)發(fā)生改變，使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

在低溫下會(huì)有較大的降低。如果電壓降低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)大

幅度地降低(圖3-21b)o

工作溫度狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)特性非常重要。需要了解和掌

握電動(dòng)機(jī)在工作溫度狀態(tài)下、最低供電電壓和最大負(fù)荷條件

下的啟動(dòng)特性。低溫潛液式電動(dòng)泵啟動(dòng)電流很大，大約是滿

負(fù)載工作電流的7倍。通過(guò)一些措施可以減少啟動(dòng)電流。主

要有如下方法：

(1)雙速電動(dòng)機(jī)?？梢越档蛦?dòng)電流，凈吸入壓頭特性

更好、抽吸性能好，減少液錘現(xiàn)象。但需要雙倍的電纜，成

本增加。

(2)軟啟動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)控制電流或電壓，限制加速時(shí)的

轉(zhuǎn)矩，減少啟動(dòng)電流和液擊。但需要增加啟動(dòng)裝置，因此成

本也有所增加。

(3)調(diào)節(jié)頻率。可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，抽吸特性好，減少液

擊。但調(diào)頻系統(tǒng)復(fù)雜，使成本增加。

(4)中壓?jiǎn)?dòng)(3300V)?？蓽p少全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)租啟動(dòng)時(shí)的電

流。但電動(dòng)機(jī)的成本較高。

(二)潛液式電動(dòng)泵的應(yīng)用

在LNG泵的應(yīng)用中,潛液式電動(dòng)泵是應(yīng)用特別廣泛的

一種，尤其是在LNG船和大型的LNG儲(chǔ)罐,都使用潛液式

電動(dòng)泵。將整個(gè)泵安裝在液艙或儲(chǔ)罐的底部，完全浸在LNG

液體中。

1.船用泵

船用潛液式電動(dòng)泵的基本形式有兩種；固定安裝型和可

伸縮型。可伸縮型的泵與吸入閥(底部閥)分別安裝在不同的

通道內(nèi)，即使在儲(chǔ)罐充滿液體的情況下，也可以安全地將發(fā)

生故障的泵取出進(jìn)行修理或更換。

船用LNG泵安裝在液艙的底部，直接與液體管路系統(tǒng)

連接和支承。通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力供電電纜和特殊的氣密方

式，將電力從甲板送到電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代典型的潛液式電動(dòng)泵具

有下列特點(diǎn)：

(1)潛液電動(dòng)機(jī)、泵的元件及轉(zhuǎn)動(dòng)部件，都固定在同一

根軸上，省去了聯(lián)軸器和密封等部件。

(2)單級(jí)或多級(jí)葉輪都具有推力平衡機(jī)構(gòu)(TEM)。

(3)用所輸送的介質(zhì)潤(rùn)滑軸承。

(4)采用螺旋型導(dǎo)流器。

安裝泵的容器和泵的元件是用鋁合金材料制造，使泵的

質(zhì)量小，而且經(jīng)久耐用。推力平衡機(jī)構(gòu)可以確保作用在軸承

的推力載荷小到可以忽略不計(jì)，延長(zhǎng)軸承的使用壽命，使泵

在額定的工作范圍內(nèi)有非常高的可靠性。潤(rùn)滑軸承和冷卻電

動(dòng)機(jī)的流體是各自獨(dú)立的系統(tǒng)，由葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的靜壓，推

動(dòng)流體經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑回路和冷卻回路，最后返回到需要輸送的流

體(一般是安裝泵的容器內(nèi))。泵的葉輪安裝在電動(dòng)機(jī)主軸上。

制造主軸用的材料，一般采用在低溫下性能穩(wěn)定的不銹鋼。

主軸由抗摩擦的軸承支撐。軸承的潤(rùn)滑介質(zhì)就是被輸送的

LNG流體。盡管LNG是非常干凈的流體，但為了防止一些

大顆粒進(jìn)入軸承，引起軸承過(guò)早的失效，因此對(duì)進(jìn)入軸承的

流體需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾。進(jìn)入底部軸承的流體，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)旋

轉(zhuǎn)式的過(guò)濾器，而經(jīng)過(guò)上部軸承的流體，則用簡(jiǎn)單的自清潔

型網(wǎng)絲過(guò)濾器°LNG泵的電動(dòng)機(jī)定子由硅鋼片與線圈繞組構(gòu)

成，繞組分別用真空和壓力的方法注入環(huán)氧樹(shù)脂。

2.汽車燃料泵

當(dāng)LNG作為汽車燃料時(shí)；LNG的轉(zhuǎn)運(yùn)和加注都需要用

泵輸送。汽車燃料加注泵也是一種潛液泵。結(jié)構(gòu)緊湊，立式

安裝，特別適用于汽車燃料加注和低溫罐車轉(zhuǎn)運(yùn)LNG。由于

采用了安全的潛液電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和泵都浸沒(méi)在流體中，因

此不需要普通泵必須具有的軸封。此外，在吸入口還增加了

導(dǎo)流器，減少流體在吸入口的阻力，防止在泵的吸入口產(chǎn)生

氣蝕。整個(gè)泵安裝在一個(gè)不銹鋼容器內(nèi)，不銹鋼容器具有氣、

液分離作用，按照壓力容器標(biāo)準(zhǔn)制造。泵的吸入口位于較低

的位置，保證吸入口處于液體中。導(dǎo)流器和不銹鋼容器的應(yīng)

用，是使LNG泵能夠達(dá)到應(yīng)有的凈吸入揚(yáng)程(NPSHR)。

LNG燃料加注泵的電源也有三相和單相之分，具有變頻

調(diào)速功能，能適應(yīng)不同的流量范圍。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，LNG泵

的電氣元件必須安裝在具有防爆功能的接線盒及其罩殼內(nèi)。

3.LNG高壓泵

LNG高壓泵的結(jié)構(gòu)如圖3-22所示。這種泵用于液化天

然氣儲(chǔ)罐向外輸出LNG例如向氣化器或運(yùn)輸罐車輸送LNG。

這種泵的結(jié)構(gòu)形式有安裝在專用容器內(nèi)的潛液式電動(dòng)泵，也

有普通外形的離心泵或活塞泵。

安裝潛液式泵的容器，按照壓力容器規(guī)范制造，泵與電

動(dòng)機(jī)整體裝在容器內(nèi)。容器相當(dāng)于是泵的外殼，通過(guò)進(jìn)出口

法蘭與輸配管道相連。安裝簡(jiǎn)單，工作安全。整個(gè)泵由吸口

噴嘴、電纜引入管、電動(dòng)機(jī)葉輪、推力平衡機(jī)構(gòu)、螺旋式導(dǎo)

流器和排氣噴嘴組成。這種泵質(zhì)量小、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單、噪

聲低。推力平衡機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是低溫泵獨(dú)特的特征，以平衡軸承

的軸向力，允許軸承在零負(fù)荷和滿負(fù)荷條件下工作。

因?yàn)樾枰呐懦鰤毫Ρ容^高，通常采用多級(jí)泵八大型的

高壓泵流量可達(dá)5000m3/h,揚(yáng)程達(dá)2000m。

4.大型儲(chǔ)罐的罐內(nèi)泵

大型的LNG儲(chǔ)罐與外面管路的連接部位一般比樣比較

安全，即使連接部位產(chǎn)生漏泄，也只是氣體的漏泄，不會(huì)引

起大量的LNG外溢。對(duì)于這種儲(chǔ)罐，向外輸出LNG時(shí)，必

須采用潛液泵。潛液泵通常安裝在儲(chǔ)罐的底部。對(duì)于大型

LNG儲(chǔ)罐的泵需要考慮維修的問(wèn)題。如將泵安裝在儲(chǔ)罐底部,

由于不可能將儲(chǔ)罐內(nèi)大量的LNG挪到別處再進(jìn)行維修。因

此，大型LNG儲(chǔ)罐的潛液泵與電動(dòng)機(jī)組件的安裝有特殊的

結(jié)構(gòu)要求。常見(jiàn)的方法是為每一個(gè)泵設(shè)置一豎管，稱之為泵

井。LNG泵安裝在泵井的底部，儲(chǔ)罐與泵并通過(guò)底部一個(gè)閥

門隔開(kāi)。泵的底座位于閥的上面，當(dāng)泵安裝到底座上以后，

依靠泵的重力作用將閥門打開(kāi)。泵井與LNG儲(chǔ)罐連通，LNG

泵井內(nèi)充滿LNG。如果將泵取出維修，閥門就失去了泵的重

力作用，在彈簧的作用力和儲(chǔ)罐內(nèi)靜壓的共同作用下，使閥

門關(guān)閉，起到了將儲(chǔ)罐空間與泵井空間隔離的作用。

泵井不僅在安裝時(shí)可以起導(dǎo)向的作用，在泵需要檢修時(shí),

可以將泵從泵井里取出。另外，泵井也是泵的排出管，與儲(chǔ)

罐頂部的排液管連接。

如圖3-23所示，泵的提升系統(tǒng)可以將LNG泵安全地取

出。在將LNG泵取出時(shí)，泵井底部的密封閥能自動(dòng)關(guān)，使

泵井內(nèi)與儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG液體隔離。然后排出泵井內(nèi)的可燃

氣體，惰性氣體置換后，整個(gè)泵和電纜就能用不銹鋼絲繩一

起取出管外，便于維護(hù)和修理。（三）LNG泵的平衡要求

LNG泵的平衡非常重要，直接影響軸承的使用壽命和泵

的大修周期。影響泵的平衡主要有徑向載荷和軸向載荷，不

平衡主要由機(jī)械構(gòu)件不平衡或流體流動(dòng)不均勻或流體產(chǎn)生

的壓差所引起。

1.徑向力平衡

LNG泵在設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮到流體和機(jī)械方面由于力不

平衡所產(chǎn)生的負(fù)面影響。在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，應(yīng)盡可能地消除

非平衡力。從葉輪中出來(lái)的低溫流體進(jìn)入軸向?qū)Я髌?。軸向

導(dǎo)流器應(yīng)有良好的水力對(duì)稱性。對(duì)于傳統(tǒng)的具有渦殼的泵,

達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，作用在葉輪上的徑向力理論上為零。流量

高于或低于設(shè)計(jì)流量時(shí)，非平衡狀態(tài)影響蝸殼內(nèi)部的壓力分

布，容易產(chǎn)生徑向作用力。因此，設(shè)計(jì)需要考慮泵的機(jī)械平

衡和水力學(xué)方面的平衡。

2.軸向推力的平衡

為了使軸向力達(dá)到平衡，減少軸向推力載荷，有的LNG

泵設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)平衡機(jī)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)可變的軸向節(jié)流裝置

來(lái)完成，使軸向推力為零。

3.LNG泵的效率

影響LNG泵效率的關(guān)鍵因素主要有兩個(gè)方面：一是流

體在葉輪流道中加速時(shí)的水力學(xué)性能；二是流體在擴(kuò)壓器中

能量轉(zhuǎn)換時(shí)的水力性能。每個(gè)葉輪的水力特性應(yīng)該是對(duì)稱的，

流體在流道中的流動(dòng)必須是平滑的。擴(kuò)壓器主要用于將流體

的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)確保在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程

中，使流體流動(dòng)的不連續(xù)性和渦流現(xiàn)象減少到最低程度。有

些低溫泵采用風(fēng)向標(biāo)式的擴(kuò)壓器，使能量轉(zhuǎn)換更加對(duì)稱和平

滑。水力對(duì)稱性越好，就越有利于消除徑向不平衡引起的載

荷。

研究證明，由于水力性能方面的故障，可以引起泵的性

能惡化。例如：軸向擴(kuò)壓器內(nèi)被阻塞，在徑向葉輪和軸向擴(kuò)

壓器入口之間的幾何形狀不理想等，會(huì)導(dǎo)致泵的流量性能曲

線發(fā)生變化，甚至使效率降到最低的情況。測(cè)試結(jié)果表明：

當(dāng)故障產(chǎn)生在擴(kuò)壓器內(nèi)，葉輪周圍存在不對(duì)稱的壓力分布。

在圓周方向產(chǎn)生徑向力，擴(kuò)壓器周圍可能有液體下落，使軸

的載荷增加，不僅降低泵的效率，還會(huì)降低其使用壽命。

在軸向擴(kuò)壓器中，控制流體流出葉輪時(shí)出口角度和流入

擴(kuò)壓器時(shí)的進(jìn)口角度，可以消除水力學(xué)特性方面的問(wèn)題和產(chǎn)

生的彳氐頻振蕩力。關(guān)鍵是徑向擴(kuò)壓器的間隙處于最佳狀態(tài)時(shí),

能改善泵的水力性能和機(jī)械強(qiáng)度。

（四）非潛液式低溫泵

非潛液式低溫泵采用立式無(wú)軸封電動(dòng)泵，由于這種電動(dòng)

泵的電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼和泵的殼體是通過(guò)密封結(jié)構(gòu)連接在一起

的，因此沒(méi)有軸封的泄漏問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)的殼體與泵體是連通

的。兩者之間只需要靜密封，而不需要?jiǎng)用芊猓贡脤?duì)工作

環(huán)境的適應(yīng)性大為增加，因此很適用于輸送LNC,類的可燃

低溫流體。

葉輪直接安裝在電動(dòng)機(jī)的主軸上。在排出口處引一小股

低溫流體，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻。泵與電動(dòng)機(jī)之間設(shè)計(jì)有大的

翅片，避免電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)低。為了建立氣相與液相之間的平

衡，設(shè)計(jì)有迷宮結(jié)構(gòu)，使下軸承處于適當(dāng)?shù)臏囟取Ｓ捎谟邢?/p>

進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和新的工藝技術(shù)這種泵即使在無(wú)液體的干式

狀態(tài)運(yùn)行，也不會(huì)損壞。

（五）LNG泵的運(yùn)行

1.LNG泵的冷卻

對(duì)于安裝在儲(chǔ)罐外面的LNG泵在正式輸送液體之前，

對(duì)整個(gè)泵及管路系統(tǒng)先要進(jìn)行充分的冷卻，即預(yù)冷。這個(gè)過(guò)

程非常重要，否則由于系統(tǒng)溫度過(guò)高，引起LNG氣化，產(chǎn)生

氣液兩相流，會(huì)使泵無(wú)法運(yùn)行。一般安裝在儲(chǔ)罐外面的LNG

泵，在管路系統(tǒng)都應(yīng)考慮有預(yù)冷所需要的管路。

LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)壓力和液柱重力的作用下，流經(jīng)LNG泵,

流動(dòng)過(guò)程中LNG吸熱氣化，泵與管路系統(tǒng)被冷卻。氣化的

蒸氣通過(guò)回氣管路返回儲(chǔ)罐內(nèi)，當(dāng)LNG完全被冷卻下來(lái)，

可轉(zhuǎn)換到液體輸送管路，啟動(dòng)LNG泵。鋁合金制造的泵熱

容量小，冷卻和復(fù)溫所需要的時(shí)間短，因而減少了冷卻所損

失的低溫LNG。

2.狀態(tài)監(jiān)控

采用振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控LNG泵的運(yùn)行狀態(tài)。安裝在泵

內(nèi)的壓電傳感器，體積非常小，直接固定在軸承座上，測(cè)量

振動(dòng)加速度，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，提供速度和位移等數(shù)據(jù)；據(jù)此

分析確定內(nèi)部零件的狀態(tài)和耗損程度j用渦流位移表可以測(cè)

量主軸的軸向移動(dòng)。在啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，儀表可監(jiān)視軸承的磨

損情況和軸的移動(dòng)，有利于改進(jìn)操作和延長(zhǎng)泵的使用壽命。

利用這些信息，在泵發(fā)生故障時(shí)，可以幫助診斷，改善保養(yǎng)

方法，對(duì)增加泵的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)行成本都有利。狀態(tài)

監(jiān)控使得維護(hù)更有計(jì)劃，運(yùn)行更加可靠，效率更為提高。

四、透平膨脹機(jī)

利用天然氣能量推動(dòng)膨脹機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，氣體在降壓、降

溫的同時(shí)，在葉輪軸上輸出外功，這種機(jī)械稱為透平膨脹機(jī)。

由于透平膨脹機(jī)具有體積小，質(zhì)量小，氣體處理量大，運(yùn)行

效率高等特點(diǎn)，比容積型膨脹機(jī)優(yōu)點(diǎn)明顯，因而在天然氣工

業(yè)中，廣泛使用透平膨脹機(jī)獲取冷量。采用膨脹制冷工藝的

天然氣液化裝置也使用透平膨脹機(jī)制冷。

(-)膨脹機(jī)-壓縮機(jī)組

在膨脹機(jī)軸的另一端裝有吸收膨脹機(jī)輸出軸功率的壓

縮機(jī)，稱制動(dòng)壓縮機(jī)，用膨脹機(jī)輸出的能量帶動(dòng)壓縮機(jī)為天

然氣增壓，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)構(gòu)成機(jī)組。圖3-24為膨脹機(jī)和

壓縮機(jī)機(jī)組示意圖。機(jī)組由三部分組成：膨