張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所　河南洛陽　471023

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低溫泵的研究與應用

張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所河南洛陽471023

隨著人類的進步，來自地球深處的天然氣將成為環(huán)保能源重要發(fā)展方向。近年來，隨著國際油價的一路飆升，市場對液化天然氣(LNG)的需求不斷增加，如何泵送深冷流體，已成為國內(nèi)外低溫學領域研究的重要課題。從低溫泵的概述、國內(nèi)外低溫泵的研究現(xiàn)狀、低溫泵的應用和低溫泵的市場等方面對低溫泵進行了綜述。

低溫泵； 液化天然氣； 應用； 市場

1　低溫泵的概述

1.1低溫泵的定義

低溫泵是利用低溫表面冷凝氣體的真空泵，又稱冷凝泵，它是獲得清潔真空的極限壓力最低、抽氣速率最大的真空泵，廣泛應用于半導體和集成電路的研究及生產(chǎn)，以及分子束研究、真空鍍膜設備、真空表面分析儀器、離子注入機和空間模擬裝置等方面。

按照工作原理的不同，低溫泵主要分為往復式和離心式兩類。典型的低溫泵包括液氮冷凝泵、小型制冷機低溫泵、低溫分子篩吸附泵。

1.2低溫泵的特點

(1) 泵入口壓力高。液化氣體通常在常溫、常壓下為氣體，只有在一定壓力和低溫條件下才能變成液體，如乙烯裝置中，甲烷的液化條件為3MPa、-100 ℃；乙烯的液化條件為2MPa、-30 ℃。

(2) 汽化壓力隨溫度劇變。低溫泵輸送的液化氣體通常都處于飽和狀態(tài)，有時有微量過冷度，這種液體的汽化壓力隨溫度變化非常顯著。

(3) 對軸封要求嚴格。絕大多數(shù)液化氣體都具有腐蝕性和危險性，因此不允許泄漏到外界。一旦泄漏，由于液化氣體的汽化吸熱易造成密封部位結冰，因此輸送液化氣體的低溫泵對軸封的要求很嚴格。

2　國內(nèi)外低溫泵的研究現(xiàn)狀

2.1低溫泵的材料

選擇能夠適應低溫生產(chǎn)條件下的材料，是保證低溫泵正常運行的有力保障，可以選擇奧氏體不銹鋼作為與介質接觸的金屬材料。低溫泵中的軸封處主要采用非金屬材料，通常使用的是玻璃纖維、石墨和增強聚四氟乙烯。

(1) 金屬材料。用來在-162 ℃下處理液化天然氣的材料有9% 鎳鋼、奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金等，見表1[1]。

表1　泵的主要零件所采用的材料

當離心泵的操作溫度低于-20 ℃時，稱為低溫離心泵。由于金屬在低溫時雖然強度和硬度有所提高，但塑性和韌性都會下降，而且溫度更低時還要出現(xiàn)沖擊韌性突變，這時對泵中承載零件要慎重考慮。一般在低溫時都不用鑄鐵，當溫度低于-50 ℃時，應選用硅、錳或鋁脫氧鎮(zhèn)靜鋼；溫度低于-85 ℃時，用3.5%鎳鋼；溫度低于-100 ℃時，用9%鎳鋼；溫度低至-250 ℃時，要選用奧氏體不銹鋼或優(yōu)質鋁合金、優(yōu)質銅合金，這是因為這些鋼在低溫時不會出現(xiàn)沖擊韌性突然下降的問題。

(2) 非金屬材料。低溫泵用非金屬材料有四氟、石墨。因為四氟容易出現(xiàn)所謂冷變形，所以采用加玻璃纖維、金屬粉末等增強材料的四氟。用于墊圈、填料、V形環(huán)、軸襯時，必須注意由于其膨脹系數(shù)比金屬材料大一個數(shù)量級，所以填料的表面壓力要減小，并要注意軸襯處間隙及配合出現(xiàn)的變化。浸在液體中的軸承采用石墨，滑動性和耐磨性都非常好。O形環(huán)雖然沒有能在這樣低的溫度下使用的適當材料，但如果是在耐壓下使用，可以采用氟化硅。另外，如果墊圈填料是在低壓部分，通常的石棉密封墊也可使用。

在低溫時，非金屬的選用也要遵循有關規(guī)定，見表2。

表2　橡膠和塑料的使用溫度及性能

2.2大流量LNG泵的密封

密封對于防止工作流體從系統(tǒng)中泄漏是非常必要的，密封還能防止污染物、大氣、水、油等進入系統(tǒng)，對于保持系統(tǒng)的潔凈也很有幫助。內(nèi)部密封同樣可以防止高壓流體沿著非指定的小阻力流道進入低壓區(qū)，所以，為了提高和保持低溫制冷機的性能，低溫密封至關重要。密封技術雖然不是領先技術，但往往是決定性技術。流體密封包括動密封和靜密封，是機器設備的主要組成部分，是流體動力機械中不可缺少的零部件，它往往能決定機器設備的安全性、可靠性和耐久性。

常用密封方式的類型有端面開深槽流體靜壓型機械密封、端面開深槽熱流體動力楔機械密封和干氣密封等。

根據(jù)LNG泵的實際工況和輸送介質的特殊性，可選用干氣密封結合機械密封的組合式密封。內(nèi)側與介質接觸的密封采用普通彈簧式機械密封，并由泵的出口引用自身介質進行自沖洗，外側機械密封采用氮氣(干氣)循環(huán)保護[2]。

3　低溫泵的應用

低溫泵由于具有無污染、工作壓強范圍寬、極限真空度高、排氣量大、使用方便等優(yōu)點，因而在各種需要應用真空的領域有了愈來愈多的應用。包括半導體工業(yè)、低密度風洞試驗、空氣動力學分子束研究、等離子體物理、近空間環(huán)模設備、超高真空規(guī)校準裝置、碰撞束物理實驗、深空間研究、表面物理研究和火箭發(fā)動機高空點火模擬試驗等[3]。

3.1LNG橇裝汽車加氣站用LNG低溫泵

國內(nèi)LNG汽車加氣站的設備技術發(fā)展較晚，目前國內(nèi)已建成的LNG汽車加氣站，其投入使用的LNG低溫泵均采用國外進口泵。LNG低溫泵的流量根據(jù)汽車加氣站的設計規(guī)模及加氣機的流量選定，LNG低溫泵的設計流量為0～320L/min。對LNG低溫泵進行選型，主要參數(shù)見表3。

表3　LNG低溫泵技術參數(shù)[4]

LNG低溫泵一般采用潛液式低溫泵。由于LNG的低溫和易燃特性，不僅要求泵能承受低溫，而且對泵的氣密性和電氣安全性能要求更高。

3.2低溫泵在超導磁鏡裝置中的應用

穩(wěn)態(tài)超導磁鏡裝置目前注入的是氫氣，要求系統(tǒng)真空抽氣機組對氫氣應具有每秒幾十萬升的大抽速。由于注入的粒子能量高，對器壁產(chǎn)生熱輻射，以及逃逸等離子體直接對器壁轟擊，都會引起器壁的解吸、濺射，產(chǎn)生雜質，導致熱等離子體的能量損失很大。同時等離子體與殘余氣體有較強的相互作用，直接影響熱等離子體的累積，因此要求真空抽氣機組應具有5×10-9Torr(1Torr≈133.3Pa)以上的極限真空和無污染。由于裝置采用的是超導磁體，已具備了低溫條件，所以選用低溫泵作為主泵來滿足以上要求[5]。

3.3美國最大的標準低溫泵

歐瑞康萊寶真空公司的RPK 60000系列真空泵是美國生產(chǎn)的最大標準低溫泵，它的安裝法蘭直徑為48in(1in≈25.4mm)，特別適用于空間模擬、光學鍍膜和金屬噴涂。該泵對氮氣的抽速為60000L/s，居各種標準低溫泵之首。該泵有兩個冷頭，工作時由6個溫度傳感器來監(jiān)督它的各個功能并控冷源。這種低溫泵還具有一個氣體清洗系統(tǒng)，整個泵使用208～480V、50Hz或60Hz電源。

3.4潛液式LNG泵

隨著全球LNG工業(yè)的迅速發(fā)展，LNG接收終端及氣化系統(tǒng)的需求量日益增加，安裝在密封容器內(nèi)的潛液式LNG泵得到越來越多的應用。

20世紀60年代，潛液式電動泵首次出現(xiàn)在LNG領域，從那時起，潛液式LNG泵便開始用于LNG工業(yè)中。隨著材料科學、密封技術、控制和保護技術的發(fā)展，以及冷、熱加工工藝水平的提高，潛液式LNG泵得到了越來越廣泛的應用。目前，國外的很多企業(yè)和公司都致力于潛液式LNG泵的研發(fā)和制造，美國J.C.Carter公司、法國科萊斯達公司，日本的荏原、日機裝、神鋼等公司都相繼推出自己的產(chǎn)品，使?jié)撘菏絃NG泵的形式更加多樣化，大大開拓了其應用領域。

正是由于有著諸多優(yōu)點，潛液式LNG泵在LNG工業(yè)中得到了廣泛應用。目前，在大型LNG船、汽車燃料加注站、LNG儲罐中幾乎均采用潛液式電動泵來輸送液態(tài)天然氣，主要有大型LNG儲罐罐內(nèi)泵、船用泵和汽車燃料加注泵等。

LNG潛液泵主要由3部分組成： 泵、泵夾套、電機。泵采用離心式結構，具有轉速快、體積小、質量輕、結構簡單及性能平穩(wěn)等優(yōu)點。泵夾套采用真空多層纏繞結構，絕熱效果好，并設有進液口、出液口及進氣口。電機采用經(jīng)過低溫處理的浸沒式電機，浸沒在低溫介質里的零部件采用低溫性能優(yōu)良的不銹鋼、銅、聚四氟乙烯等材料[6]。

3.5乙烯生產(chǎn)中低溫泵的應用

乙烯生產(chǎn)中某些低溫泵要輸送的都是低溫介質，且這些介質一般都是比較容易氣化的，具有很低的溫度，并且多是易爆易燃的，所以這些低溫泵的應用就非常嚴格。對于乙烯設備來說，采用雙層殼體的立式筒袋泵能夠更好地滿足低溫環(huán)境的需要，并能夠保障生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

4　低溫泵的市場

低溫泵工作壓力范圍寬、抽速快、清潔無油、無運動部件，并能抽除有毒有害氣體，特別對于水蒸氣有很高的抽氣能力，對于制備高質量薄膜非常有利。在國外的半導體、液晶顯示及光學薄膜等領域，大多采用低溫泵作為主泵。在美國電子真空行業(yè)，78%都使用低溫泵，而其中的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)幾乎都采用低溫泵。國外生產(chǎn)低溫泵的廠家很多，并已經(jīng)形成完整系列。

美國ACD是世界著名的低溫泵和透平膨脹機系統(tǒng)制造廠家。為了迎接中國天然氣時代的到來，發(fā)展中國LNG和氧氮氬工業(yè)氣體事業(yè)是非常必要的。

4.1產(chǎn)品分類

(1) LNG低溫泵主要有TC-34浸潤泵、P2K充裝泵、AC-32裝載泵、SGV高壓低溫泵等系列。

(2) 氧氮氬工業(yè)氣體泵主要有WDPD充瓶泵、RPSA40充瓶泵、P1100充瓶泵、NDPD充瓶泵、AC/TC-30卸載泵、AC/TC-21輸送泵、AC-14輸送泵、AC-48高壓輸送泵等系列。

4.2產(chǎn)品用途

為發(fā)展天然氣事業(yè)，ACD低溫泵可用于LNG汽車加氣站、LNG氣化站和L-CNG加氣站建設等。

4.3低溫泵的生產(chǎn)廠家

(1) 四川眾信燃氣設備有限公司，公司自主研發(fā)的BY20/1.2型LNG泵液裝置將LNG泵、管路、閥門等全部橇裝在一個橇上。

(2) 深圳亞威華實業(yè)有限公司，經(jīng)營法國PD3000 LNG低溫泵，該設備技術先進、性能優(yōu)越、安全可靠，廣泛用于液化天然氣、工業(yè)氣體的鋼瓶與緩沖灌充裝?？奢斔徒橘|為液氧、液氮、液氬、液體二氧化碳、液體氧化氮、液化天然氣、液氫等，泵驅動類型為潤滑脂曲軸驅動。

(3) 杭州臺連氣體設備有限公司，生產(chǎn)LNG大流量低溫液體泵。國內(nèi)唯一生產(chǎn)制造LNG泵廠家，填補國內(nèi)LNG泵的空白。質量設計遵守IGC 11/82標準。

為滿足廣大客戶建設LNG、L-CNG加氣站的需要，促進中國天然氣事業(yè)的發(fā)展，公司積極開發(fā)BPLNG-1000/25、BPLNG-1800/25、BPLNG-6000/10、BPLNG-90000/10低溫泵。

(4) 科萊斯達低溫設備(杭州)有限公司，科萊斯達低溫設備(杭州)有限公司是法國科萊斯達在中國設立的唯一子公司，它是一個國際性的專注于生產(chǎn)工業(yè)氣體、LNG、碳氫化合物和清潔能源設備的集團公司，一直走在低溫技術的前端，其90%以上的產(chǎn)品和服務出口到世界各地。

5　結論

20世紀60年代，美國、日本等國就有低溫潛液泵產(chǎn)品問世，其研發(fā)技術成熟，制造工藝先進，相關產(chǎn)品性能優(yōu)越，可靠穩(wěn)定，目前正朝著大型、高效、節(jié)能的方向發(fā)展。國內(nèi)相應的研究卻很少，潛液式LNG泵研制技術尚屬空白。但是，國內(nèi)目前具有常溫流體潛液泵研制的成功經(jīng)驗可供借鑒，一些單位已開展了低溫電纜和低溫電絕緣材料、液體的閃蒸和汽蝕現(xiàn)象，以及低溫液體物性的研究工作，這些都為該技術國產(chǎn)化提供了有力的技術支持。深圳、福建、上海、青島等地LNG接收站的相繼建成，為該技術的國產(chǎn)化提供了廣闊的市場空間。隨著LNG在我國能源結構中所占比例的逐步上升，我國應該盡早開展?jié)撘菏絃NG泵的研究和試制工作，生產(chǎn)產(chǎn)品，滿足市場需求，并且產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1] 勝田政吾.液化天然氣用低溫泵[J].梁賢光，譯.化工與通用機械，1973(4)： 32-40.

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In company with the progress of mankind, the natural gas from the depths of the earth will become an important trend of green energy. In recent years, as increasing market demand of liquefied natural gas(LNG) is driven by soared international oil prices, how pumping cryogen has become an important topic for research in the field of cryogenics at home & abroad. A summary was given on the overview of cryogenic pumps, current research of cryogenic pumps, applications of cryogenic pumps and market of cryogenic pumps.

Cryopump; Liquefied Natural Gas; Application; Market

2015年11月

張文毓(1968—)，女，本科，高級工程師，主要從事情報研究工作，

E-mail: ZWY68218@163.com

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1674-540X(2016)01-026-04