大型LNG海水循环泵的开发与设计
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2020年第5期・21・大型LNG海水循环泵的开发与设计
郭华桥
(中国通用机械工业协会,北京;100044)
摘要:LNG海水循环泵是低温液态天然气升温汽化输送系统的关键设备,输送介质为具有腐蚀性的海水。
随着LNG站向大型化发展,用于液化天然气储存输送站的海水循环泵性能参数、安装使用环境和使用寿命等有非常严格的要求。
本文根据大型LNG接收站项目海水循环泵的设计开发过程,对LNG海水循环泵水力设计、结构设计、选材、耐蚀试验及CFD仿真分析技术等进行了全面总结。
关键词:LNG海水循环泵设计CFD分析中图分类号:TH313文献标识码:A
引言
LNG指液态天然气,是一种清洁、高效的能源,具有热值大、性能高等特点。
中国的能源结构以煤炭为主,石油、天然气只占到很小的比例,远远低于世界平均水平。
随着中国经济持续快速发展,国家对能源需求的不断增长,引进LNG对于优化中国能源结构及有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题、实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用E。
我国是LNG的主要消费国,大批进口LNG的主要运输方式为船运,在沿海码头的LNG接收站卸载切。
天然气在常压下冷却至-162七变为液态,接收站储罐接收低温LNG后,利用附近海水加热升温使之汽化,然后再输送到各个加气站终端。
LNG海水循环泵就是安装在接收站内输送海水为低温液态天然气加热升温的关键设备。
目前,国内大型LNG项目采用的海水循环泵大部分为进口产品,主要制造商为日本荏原、日本酉岛、德国KSB、瑞士SULZER等。
大型LNG海水循环泵的技术主要来源于日本荏原、德国KSB 等国外企业。
因此,开展LNG海水循环泵的自主化设计和建造,可解决我国LNG海水循环泵长期依赖进口的问题,具有重要经济效益和社会效益。
同时也会为中国装备制造业以及国家能源结构优化带来深远影响。
耐蚀试验
大型LNG海水循环泵设计开发是依托中海浙江宁波液化天然气有限公司LNG接收站项目,致力于该泵技术的国产化研制及应用,拓展国内、外市场。
国内计划建设或在建的LNG接收站项目较多且投资金额巨大,这给LNG海水循环泵的国产化研制带来了前所未有的机遇。
基于大型LNG海水循环泵有较高的性能要求、特殊使用环境及长使用寿命等条件,大型LNG海水循环泵设计开发的关键技术包括:(1)高效水力模型开发;(2)结构设计及优化;(3)材料应用研究;(4)零部件的加工制造工艺技术开发等。
1水力设计与CFD分析
大型LNG海水循环泵为立式、带导叶混流泵,叶轮和导叶为主要过流部件。
合理设计叶轮与导叶,选取恰当的叶轮叶片出口角与导叶叶片进口角,保证喉部过流面积在适当的范围内,使得导叶充分发挥其导流与扩散作用,这些都对该泵的水力性能有重大影响。
搜索比较本公司及行业内的水力模型库,寻找与要求特性曲线近似的水力模型进行相似换算,得到若干个初步方案。
采用一元流动理论设计计算叶轮的轴面面积、叶片方格网、包角、叶片进出口安放角及导叶型式、进出口面积等关键特征参数,从而完成整个全新水力模型的设计开发。
刈。
•22•2020年第5期
采用CFD数值模拟技术对叶轮、导叶体内部流动进行计算分析,根据计算结果对水力部件进行优化设计。
此次CFD计算目标是对LNG海水循环泵的设计点进行分析。
大型LNG海水循环泵设计点参数如表1所示。
CFD水力分析结果如表2所示,具体流场分布情况如图1-图3所示。
由表2可以看出,LNG海水循环泵的扬程满足要求,效率略低于要求值,可通过对叶轮进口边进行打磨处理来满足效率要求。
优化后再择优选取2~3个设计方案制作水力模型泵,通过高精度的测试台对各个模型泵方案进行性能对比测试。
根据试验结果,选择一个最优方案。
最终产品与国内外其他厂家同类产品的性能参数对比,如表3所示。
表1LNG海水循环泵设计点参数
参数数值
设计点流量/(n?/h)7550
设计转速/(r/min)740
设计点扬程/m43.9
效率/%85
表2LNG海水循环泵CFD水力分析结果
参数数值
扬程/m44.1
轴功率/kW1093
效率/%84.6
0.2250.675
图1泵内过流部件流线分布图
通过对比可见,本项目研制的国产化大型LNG海水循环泵性能参数优于国内外同类产品,达到国际先进水平。
2结构设计
2.1泵组结构型式
大型LNG海水循环泵为立式、单级、长轴、
图2叶轮内部流线分布图
图3泵内过流部件表面压力分布图
表3国内外厂家LNG海水循环泵性能参数对比
流量/
(m3/h)
扬程/
m
转速/
(r/min)
效率/
%
比转速
本项目755043.974085.33229.3国外厂家755043.974085229.3国内厂家一85503859385217.9国内厂家二43202359083
224.6
2020年第5期•23•
导叶式混流泵,主要水力部件为单吸闭式混流叶轮和轴向空间导叶。
机组由滤网、喇叭、导叶体、泵筒、出水弯管、电机座和一台高压电动机组成,泵与电机采用弹性柱销联轴器直接联接。
泵上安装有检测进出口压力的仪表部件,泵、电机轴承部位设置了温度检测装置。
其具体结构特征如图4所示。
工作介质由底部吸入、水平排出。
循环泵转子部件采用双轴承和多级水润滑导轴承的支撑结构,分别由一个推力调心滚子轴承与一个深沟球轴承、水润滑导轴承来承受整个泵机组转子部件的轴向力与径向力,这种设计可保障轴系定位可靠、泵运行平稳,提升泵的安全可靠性。
滚动轴承采用稀油润滑,油位计接口位置由计算确定,可保证推力滚子轴承滚动体的1/2始终浸没在润滑油中,上部深沟球轴承依靠轴的旋转将油甩到上轴承滚动体上,实现飞溅润滑。
同时采用无缝钢管作封油桶,可避免轴承体薄壁油桶不易装配、容易碰裂发生漏油的情况发生。
轴承体外围设有多个散热筋板,上面的调节螺母上固定有轴流风扇,配以固定在轴承体外围的风
电机
中间管
导轴承
叶轮
图4LNG海水循环泵结构简图罩,可构成许多单独的小风道,确保冷却效果良好。
泵轴采用大小头结构的联轴套刚性联结,并在联轴套上设紧定螺钉防止松脱。
轴接点都设计在每一节导轴承架的上端,导轴承上下两个方向都可以安装,便于安装和检修。
采用进口的高分子滑动导轴承,并保证其与轴之间的间隙合理,避免间隙过大或过小而产生振动或抱轴等现象。
泵轴无内护管,直接采用介质对导轴承进行润滑和冲洗。
轴密封形式采用芒麻填料密封,并在填料函上开设有泄压管和排水管,以便压力大时海水能溢出流回。
采用轴向空间导叶,叶片为一段直线与一段圆弧构成的简单结构,便于弯曲成型。
导叶体采用焊接件,与后面的下泵筒、导水锥一起构成整个完整的导叶部件。
叶轮上开有平衡孔,并设密封环以平衡部分轴向力。
叶轮通过键和叶轮螺母可靠地固定于轴头,叶轮螺母设置防松装置。
电机与泵轴采用弹性柱销联轴器直接联接,有利于保持整个转子系统良好的刚性。
采用的配套电机型号为YLKK630-8TH,额定功率1250kW,电机不需要承受外加轴向力。
水泵采用立式安装方式,混凝土基础地脚螺栓固定,泵出口位于基础上方。
2.2泵筒优化设计
根据以往LNG接收站海水循环泵的运行经验反馈,循环泵导轴承支架支撑筋焊接的热影响区部位容易发生断裂(如图5所示)。
经计算和分析,此处容易发生断裂原因主要包括以下三种:
(1)由于泵筒是焊接结构,焊件尺寸较大,焊接完后无法通过热处理去除焊接应力,经过一段时间,焊接应力会逐渐释放,此过程中焊接接头的薄弱位置在巨大的焊接应力作用下发生断裂。
(2)泵叶轮周期性的旋转,转子部件会产生周期性的交变应力,交变应力通过轴和导轴承传到泵筒支撑筋上,热影响区在长期的交变应力作用下,发生疲劳破坏,造成断裂。
(3)泵筒导轴承支架支撑筋受力面积太小,单位面积承受的压力过大,超材料强度极限。
•24•2020年第5期
优化后的泵筒结构如图6、图7所示。
导轴承支架为铸造结构,材质为ASTM-
A890/CE3MN(超级双相不锈钢)。
挡流板是由
3mm厚的钢板制作成的锥形环,可引导海水在导
轴承支架处平缓通过。
导轴承支架由法兰盘、支撑
筋、导轴承座构成,如图8所示。
法兰盘用于与泵
筒联接,支撑筋用于连接法兰盘和导轴承座,厚度
比优化前大,支撑端斜度连接,接触面积增大,能
承受更大的应力,泵筒和导轴承支架之间采用螺栓(10-M20)连接,中间加垫块,防止泵筒因壁厚太小而产生变形,安全可靠性高。
优化设计后的LNG海水循环泵泵筒没有出现断裂现象。
优化设计后的泵筒运行平稳,大大提高T LNG接收站的运行可靠性,减少了维护成本。
经过优化的海水循环泵水力性能与原进口泵相当,机械性能得到加强,其使用寿命已远远超过原进口泵。
泵筒结构的优化成为LNG海水循环泵国产化研制的关键技术。
3选材及材料试验研究
大型LNG海水循环泵工作介质为含有一定量硬质小颗粒的常温海水,海水的长期浸泡、冲刷加 上海边盐雾等特殊环境气候条件对该泵的长期安全稳定运行有着重大的影响。
在总结工程实践经验的基础上,对比国内外在此种运行工况条件下泵选材的应用研究,选出2~3种同类或相近的材料,进行腐蚀对比试验研究。
首先确定试验材料为S32205、S3275O、S32760,其次分别对其在铸材、锻材、板材等不同交货状态下完成热处理,然后对其进行点腐蚀和盐雾腐蚀的挂片试验,以观察其在不同时间段的腐蚀变化,包括测定其腐蚀速率,结合力学性能试验,最后进行综合分析并撰写总结报告。
根据试验结果,确定材料的最终选用,如表4所示。
4工艺技术攻关
针对LNG海水循环泵的结构特点及运行要求,开展了关键工艺技术攻关,解决了一些关键部件的加工制造难题。
,
(1)进口喇叭、导叶体、下泵筒、中间泵筒等超级双相不锈钢零件的焊接工艺和岀水弯管等超图5优化前泵筒结构图6改造后泵筒结构图7泵筒结构
图8
导轴承支架
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表4重要零部件材料表
零件
名称
材料标准备注
滤网S32750+316L/基体为S32750,钢丝网为316L
叶轮CE3MN ASTM A890铸件
导叶体S32750ASTM焊接件
外筒S32750ASTM焊接件
S32750ASTM锻件
导轴承
ARHT/白色赛龙SXL
联轴部件S32750ASTM锻件
轴S32750ASTM锻件
出口段
S32750ASTM与海水接触的采用S32750,不
Q235A GB700接触的采用Q235A
密封函CE3MN ASTM A890铸件
轴承体HT250/铸件
S32750 /A2-70与介质接触的采用S32750锻件自
标准件/制,不接触的采用普通不锈钢标
准件
级双相不锈钢和碳钢复合零件的焊接工艺;
(2)叶轮、口环等超级双相不锈钢零件的铸造、加工及热处理工艺;
(3)轴、联轴套等超级双相不锈钢零件的锻造、加工及热处理工艺;
(4)各零件的缝隙以及各配合面的间隙等密封和防腐工艺等。
5结论
通过水力设计、结构设计、材料应用试验研究4—+-~—+-~—~~ (上接第2页)
计,为新产品开发提供可靠的理论依据、缩短设计周期、预防设计的不确定性、降低设计不确定性所带来的风险。
经过理论分析与样机测试结果的对比,可以看到利用ANSYS-CFX对模型仿真进而对产品进行优化设计这种思路的可行性,为产品设计和优化改进提供一种可借鉴的方法。
参考文献
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产品经试验验证和工程应用表明,产品设计开发是成功的,性能优于国内外同类产品,达到国际先进水平,填补了该设备的国内空白,可代替进口,为大型LNG站建设提供装备保障,并为其它类似泵产品的开发提供可借鉴的经验。
(1)选用成熟可靠的高效水力模型参考,并结合CFD分析优化水力设计,提高了泵组的运行效率;
(2)根据现有类似产品的运行经验反馈,改进结构设计,提高了产品的安全可靠性;
(3)针对LNG海水循环泵特殊的使用环境和工况,LNG海水循环泵重要零部件的材料采用盐雾腐蚀的挂片试验研究来确定,合理选材大大提高了设备的使用寿命。
参考文献
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(本文编辑陈丽霞)
(收稿日期2020-08-10)
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(本文编辑陈丽霞)
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