LNG潛液泵電機設計

2018-10-22 08:20:32肖祖旺

船電技術 2018年10期

肖祖旺

LNG潛液泵電機設計

肖祖旺

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文論述了LNG汽車加氣站上潛液泵電機的設計，介紹了潛液泵電機結構特點和性能要求，并說明了潛液泵電機電磁設計、低溫材料選取和機械設計方法。

液化天然氣潛液泵電機低溫材料

0 引言

我國液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）目前以每年15%以上的需求增長率已經成為我國能源領域一門迅猛發展的新興產業。大量的LNG接受站、LNG工廠和LNG儲備站在各地紛紛建立，成為優化能源結構、緩解能源供應壓力、實現社會和環境可持續協調發展的重要舉措。在整個LNG產業鏈中，從LNG的生產、運輸、接受及使用過程中都需要用到LNG潛液泵，因此潛液泵應用市場前景十分廣闊。

在LNG產業迅猛發展的大背景下，我國低溫潛液泵的研究尚處于起步階段，而進口設備價格昂貴，供貨周期長，因此，研發自主知識產權的LNG潛液泵具有重大意義。

本文論述的潛液泵電機主要應用在汽車LNG撬裝式加氣站上，現已成功研制11 kW低溫潛液泵電機，通過出廠試驗、配套試驗、及用戶使用幾個階段，運行穩定，各項指標均達到技術規格書要求。

1 潛液泵電機結構特點

潛液泵電機為三相變頻異步電機，潛液泵電機與平衡鼓、葉輪、導流器等總裝后形成LNG潛液泵，見圖1所示，潛液泵工作時全部浸沒在密閉的低溫泵池中，為LNG輸送提供動力。該輸送方式可避免LNG的泄露，提高安全性。

圖1 LNG潛液泵外形圖

潛液泵電機的研制需要解決如下關鍵技術：

1）低溫材料的選取

潛液泵電機運行時完全浸沒在LNG內，溫度為-162℃，電機使用的材料如電磁線、電纜引線、硅鋼片、絕緣材料和緊固件等均需要在低溫環境下性能穩定，因此，耐低溫材料的選取十分關鍵。

2）低溫軸承的選取

由于電機工作在超低溫環境，常規軸承無法使用，需選用技術成熟的低溫軸承。

3）電機高效率設計

由于電機浸在LNG中，電機的冷卻由LNG 來承擔，而且被輸送的LNG都在其飽和溫度附近，很小的溫升或很小的壓降都可能造成LNG氣化，因此，在設計過程中需采取相應措施提高電機效率，減少電機發熱，降低對LNG的氣化，提高安全性能。

2 潛液泵電機設計

2.1 電磁設計

潛液泵電機電磁設計采用磁路計算和有限元計算相結合的方法進行。根據用戶對電機外形尺寸、重量和性能指標的要求，經過多方案計算，確定電機性能參數，見表1。

表1 潛液泵電機性能參數

潛液泵電機的電磁方案初步確定后，為更準確分析電機的各項性能參數，采用有限元方法進一步多方案分析計算，指導電機的優化設計。電機各部分磁密分布和輸出轉矩計算結果見圖2和圖3，滿足設計要求。

為減少因電機發熱帶來的LNG氣化，根據優化設計對比分析，確定了在提高電機效率方面主要采取的措施如下。

1）電機轉子采用閉口槽。轉子采用閉口槽后，一方面可減少旋轉損耗，表現在電機的空載鐵耗、負載雜散損耗和液摩損耗均有顯著下降；但另一方面，轉子采用閉口槽后，轉子漏抗變大，導致功率因數減小負載電流增大，銅耗增加。通過仿真分析計算，若將槽部橋拱高度控制在0.2 mm，功率因數變化很小，可有效提高電機效率。

2）降低定子電流，減小銅耗。由于技術要求規定了電機的外形尺寸，當轉軸不導磁時，轉子軛部磁密偏高，導致功率因數下降，定子電流增大；當轉軸導磁時，轉子軛部磁密減小，功率因數提高，定子電流減小。經過有限元仿真分析計算表明，采用導磁轉軸時，定子電流比采用不導磁轉軸時小約4 A，可有效降低銅耗，提高電機效率。因此，潛液泵電機轉軸采用導磁的不銹鋼材料。

通過電磁優化設計，電機外形尺寸和重量滿足要求，各部分磁密分布合理，定子電流、效率和輸出轉矩等性能指標滿足使用要求。

圖2 額定工況下磁密分布

2.2 低溫材料的選取方法

潛液泵電機運行時完全浸沒在LNG中，溫度為-162℃，為保證絕緣性能的可靠性，所選取的材料必須耐低溫。但由于LNG易燃易爆，材料的低溫試驗用液氮（-196℃）代替，通過在液氮環境下進行一系列的材料性能試驗，確定了制造潛液泵電機在低溫環境下所需的低溫電纜線、電磁線、槽部絕緣、絕緣漆、硅鋼片、緊固件等關鍵材料。

低溫電纜線選取以特氟龍等為絕緣層的電纜，試驗時將其浸泡在液氮環境下2 h以上拿出來后立即進行彎折試驗，彎折半徑需大于電纜的規定值，只有彎折試驗后電纜表面的絕緣未出現破損現象，才能滿足使用要求。

電機定子繞組所用的電磁線進行低溫試驗時將具有耐低溫特性的電磁線繞在銅棒上，線圈與銅棒之間墊有與電機槽絕緣一樣的絕緣材料。未浸耐低溫絕緣漆之前，用1800 V對地耐壓試驗，漏電流約為0 mA，絕緣狀態良好。在液氮下浸泡1～10 h，當液氮揮發完或把線圈從液氮中拿出來后，絕緣未見破損，線圈上有大量冷凝水。用1800 V對地耐壓試驗，線圈漏電流在3.3 mA左右，說明在有冷凝水的情況下電磁線絕緣性能下降。將繞有電磁線的銅棒浸耐低溫絕緣漆后再浸泡在液氮環境中1～10 h，從液氮中拿出來后，未見絕緣漆和絕緣材料破損，在其上布滿冷凝水的環境下，用1800 V對地耐壓試驗，漏電流約為0 mA，絕緣性能良好。用以上的試驗方法可以選取到合適的耐低溫電磁線、槽部絕緣材料和絕緣漆。

硅鋼片、緊固件等在液氮環境下浸泡2 h以上后，取出進行力學性能試驗，硅鋼片彎折受力后表面漆應完好、緊固件應不出現斷裂則判定為合格，試驗表明緊固件須采用不銹鋼材質，電機線圈端部可采用玻璃絲套管，端部綁扎可采用ET100或棉繩。