液化天然氣(LNG)低溫潛液泵

《液化天然氣(LNG)低溫潛液泵》是工業(yè)和信息化部批準2020年8月批準的行業(yè)標準。

標準信息

根據(jù)以上選用原則，低溫超聲波電機由于其特有的驅動特性，不適合用于潛液式LNG泵;超導電機的臨界運行溫度低于LNG溫度，不能用于潛液式LNG泵;低溫開關磁阻電機的驅動需要耐低溫的位置傳感器，比較復雜，不適合用于潛液式LNG泵。因此，低溫異步電機和低溫永磁同步電機可以作為LNG泵的備選電機。針對LNG泵的應用環(huán)境，備選電機還存在一些問題，總結如下:

1)有關學者針對特定用途的低溫電機的材料選擇和部分加工工藝進行了相關研究，但對于LNG泵低溫電機尚未形成統(tǒng)一的材料選擇和加工工藝原則。

2) LNG泵低溫電機的驅動特性與常溫電機存在差異。由于低溫環(huán)境對電機電磁特性的影響，電機的機械特性在低溫下會發(fā)生改變，需要對低溫電機的機械特性進行相應的研究，掌握其在不同工況下的起動、運行等驅動特性，從而設計出適用于潛液式LNG泵的低溫電機。此外，關于LNG泵電動機的控制目前僅限于軟起動，針對低溫電機驅動特性的相關控制技術還缺乏研究。

3)電機浸泡在LNG中，其冷卻由LNG來承擔，但由于被輸送的LNG都處于其飽和溫度附近，很小的溫升或很小的壓降均可能造成LNG氣化。在電機設計過程中應采取相應的設計優(yōu)化措施，以盡量減少這種氣化現(xiàn)象的發(fā)生。

4)相關研究人員已對潛液式LNG泵低溫電機的熱一電磁藕合場、電磁參數(shù)的變化等重要問題進行了初步研究，但還未形成一套完整的低溫電機分析設計理論。

潛液式LNG泵低溫電機類型

LNG泵用電機實質上是電機工作在密封低溫泵體內(nèi)，即低溫電機，因此以下調研主要按低溫電機展開，其中包括LNG泵低溫電機。

低溫電機按照常溫電機的結構形式進行分類，主要可以分為低溫異步電機、低溫同步電機和其它形式的低溫電機。低溫電機的基本結構與對應的常溫電機類似，由于工作在深冷環(huán)境中，低溫電機的材料選擇及加工工藝、電磁設計和驅動控制等方面與常溫電機存在差異 。

潛液式LNG泵低溫電機低溫異步電機

波蘭MIKROMA SA公司于2006年前后制造出了785 kW、四極，三相高壓LNG泵用鼠籠式異步電機，該電機工作溫度為一161 0C ,額定電壓飾=6600V,額定頻率f--60 Hz。該低溫電機的質量為相同參數(shù)常溫電機的1/3，相應的電阻參數(shù)為常溫的1/8，轉子槽形為梨形深槽結構，且轉子采用了斜槽結構。波蘭學者L. Dlugiewiecz等在液氮中對該電機進行低溫試驗的結果表明，在低溫環(huán)境下該電機的啟動轉矩減小，最大轉矩增大。學者B aranski和Szelag建立

了低溫鼠籠式異步電機的電磁一熱藕合暫態(tài)有限元模型，準確計算了低溫異步電機的暫態(tài)特性。另外，學者shively和Miller指出，低溫異步電機設計加工階段需要考慮電機材料(包括絕緣材料)的低溫機械特性和絕緣材料與LNG等低溫液體介質的兼容性，以及絕緣特性。

目前，我國對低溫異步電機的研究集中在-40℃以上，主要是對汽車用起動電機在低溫環(huán)境下的起動特性進行研究。

關于低溫異步電機的研究目前主要集中在LNG泵的應用領域，國外學者對于低溫異步電機的選材、電磁一熱藕合仿真模型及驅動特性進行了相關研究，但尚未形成低溫異步電機的選材原則，對于電機的仿真模型也局限在暫態(tài)起動過程，而且關于低溫異步電機的驅動特性研究還不完整，有關低溫異步電機的設計及優(yōu)化方法尚未形成。由于異步電機的結構簡單，加工工藝較為成熟，研究人員可以把更多的精力放在針對低溫環(huán)境的電機電磁設計和性能優(yōu)化等方面，但異步電機的功率因數(shù)較低，運行效率不高。

潛液式LNG泵低溫電機低溫同步電機

同步電機與異步電動機的主要區(qū)別是轉子側裝有磁極，采用直流電流或永磁體勵磁，具有確定的極性。同步電動機的運行特點是轉子的旋轉速度必須與定子磁場嚴格同步，按照勵磁方式的不同，同步電動機可以分為電勵磁同步電機和永磁同步電機。

由于電勵磁同步電機結構復雜，不適合用于潛液式LNG泵，因此以下主要介紹低溫永磁同步電機的研究現(xiàn)狀。

美國中佛羅里達大學的Zheng Liping于2005年在他的博士論研究了一種徑向磁通結構的低溫高速永磁同步電機，并成功試制了樣機;該電機額定功率為2kW,額定轉速為200 000 r/min ,工作溫度-196℃ (77 K)。該電機的轉子永磁體位于轉軸內(nèi)部，采用了2極凸極結構，永磁材料選用SmCo材料，并指出NdFeB不適合用于140 K以下的低溫環(huán)境;該電機定子采用無槽結構，定子繞組為多股絞合線(減小由高頻鄰近效應引起的渦流損耗)。另外，詳細敘述了高速低溫永磁電機的材料選擇及特殊工藝。在設計過程中，以電機損耗為設計過程中的核心優(yōu)化目標，采用有限元法對電機的電磁參數(shù)、機械參數(shù)進行了仿真分析及相關優(yōu)化，所設計的樣機的運行效率高達92%以上。但是由于條件限制，該樣機只進行了水冷試驗。 波蘭學者Dlugiewicz等于2012年設計了火箭推進燃料泵用低溫永磁同步電機，原型樣機的功率為1600 W，轉速為16 000 r/min，工作溫度為一165 0C或一240℃。Dlugiewicz等學者指出，目前有關還未對低溫電機材料進行相關特性研究，因此Dlugiewicz等重點研究了低溫環(huán)境對低溫永磁電機制造材料的電磁特性以及機械特性的影響，并考慮了電機的加工工藝，為低溫永磁電機的設計制造奠定了基礎。需要指出的是，Dlugiewicz等僅研究了低溫沖擊(材料浸泡于低溫液體后恢復常溫)對電機材料的影響，試驗結果表明，低溫沖擊基本不會影響所選用的永磁材料的磁特性。

目前，我國關于低溫永磁同步電機的研究尚未見相關報導。已有的關于低溫永磁同步電機的研究還不夠全面。相關學者對低溫永磁同步電機的永磁體等材料的低溫沖擊特性進行了試驗研究，但是并未研究低溫穩(wěn)態(tài)環(huán)境對永磁電機材料相關特性的影響;雖然已研制出小功率低溫永磁同步電機，但由于實驗室條件限制，并未進行低溫試驗永磁同步電機具有效率高，定、轉子氣隙相對較大的特點，用于屏蔽泵時制造工藝良好，同時還可以提高屏蔽泵的穩(wěn)定性，更適宜用于輸送低溫易汽化液體，但是低溫永磁電機需要解決永磁材料受低溫影響的問題，在這方面尚缺少相關的研究f}l，而且有關低溫永磁同步電機的驅動特性尚不清楚。另外，永磁同步電機的設計加工較為復雜，制造成本較高，這些因素都影響了永磁同步電機在低溫下的應用。

潛液式LNG泵低溫電機其它形式電機

1低溫超聲波電機

超聲波電機(ultrasonic motor USM)是一種利用摩擦進行驅動的電機，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使定子彈性體產(chǎn)生超聲頻段(頻率大于20 kHz)的微幅振動，并通過定、轉子(動子)之間的摩擦藕合將振動轉換成轉子(動子)的旋轉(直線)運動。

一種超聲波電機帶有螺紋結構，工作頻率為41.5 kHz，驅動電壓峰峰值為6070 V，轉速為3070 r/min，直線運動速度為0.250.6 mm/s;另一種不帶螺紋結構，驅動電壓和頻率與前者相同，直線運動速度為50100 mm/s。兩種超聲波電機的低溫試驗結果表明，帶螺紋結構的電機能夠在-160 ℃的低溫環(huán)境中穩(wěn)定工作，當?shù)陀?160 ℃時，該電機停止工作，而當溫度升至室溫時，電機能夠恢復原性能;無螺紋結構的超聲波電機能夠在-196 ℃的液氮環(huán)境中穩(wěn)定運行，性能略有下降。

日本岡山大學的Daisuke Yamaguchi等于2011年研究了低溫超聲波電機，其可以正常工作于液氦環(huán)境4.5 K。為了保證該電機能夠在低溫液氦中工作，Daisuke Yamaguchi等對該超聲波電機的結構進行了合理設計，并采用有限元法進行了仿真優(yōu)化設計，同時考慮了該電機加工制造時可選用的耐低溫材料。在樣機試驗過程中，通過調節(jié)相關參數(shù)，該電機可以工作于4.5 K液氦的低溫環(huán)境。

目前，我國對低溫環(huán)境下超聲波電機驅動特性缺乏系統(tǒng)的研究。南京航空航天大學和哈爾濱工業(yè)大學等研究機構對低溫超聲波電機的部分低溫特性進行了實驗研究，但尚未研制低溫超聲波樣機。

關于低溫超聲波電機的研究較多，此類電機能夠工作于液氦(4.5 K)低溫環(huán)境中，但由于超聲波電機特有的驅動特性造成其不適用于大功率驅動設備，但低溫超聲波電機的材料選擇和設計思路可以為LNG泵低溫電機的研制提供一定的參考。

2低溫泵超導電機

近年來，一些學者了將超導電機用于低溫泵的驅動。Kovalev等于2004年研制潛液(液氫、液氮和液氧)泵用高溫超導電機，該超導電機采用了磁阻電機的基本結構，轉子為4極結構。與普通磁阻電機不同的是，電機轉子的隔磁材料采用了高溫超導材料BSCCO一銀化合物。通過仿真計算確定了優(yōu)化后的電機結構，樣機的試驗結果表明，該電機能夠驅動低溫潛液泵穩(wěn)定運行。該低溫電機的轉子采用高溫超導材料提高了磁阻電機的凸極率，進而提高了電機的轉矩和功率因數(shù)等參數(shù)，而且采用超導材料增大了電機的電流密度，功率密度隨之增大，電機整體尺寸變小，質量減輕。

3低溫開關磁阻電機

美國國家航空航天局Brown博士于2005年建立了低溫開關磁阻電機的測試平臺，試驗時開關磁阻電機浸泡在液氮中。該開關磁阻電機的外徑為177.8 mm，功率達到10.6 kW，定子繞組材料為純銅或純鋁(當溫度足夠低時可采用合適的超導材料)，試驗時的電機繞組的電流密度最大達到30 A/mm2，電機的功率密度相應提高。Brown指出高功率密度是發(fā)展航空用低溫電機的主要目標，通過合理設計低溫電機結構，其定子繞組電流密度最大可達100 A/mm2，電機功率密度可以大幅提高。

針對潛液式LNG泵低溫電機的應用環(huán)境，LNG泵低溫電機的選用一般需要滿足以下原則:

1)電機及其驅動系統(tǒng)結構簡單，不需要傳感器，可靠性高。由于潛液式LNG泵低溫電機密封于泵體內(nèi)，若發(fā)生故障，拆卸維修比較麻煩。電機運行于低溫環(huán)境，若所選用的電機需要傳感器驅動，相應的耐低溫傳感器需要單獨研制，比較困難。因此要求電機結構簡單，驅動無需傳感器，可靠性局。

2)電機可工作于LNG低溫環(huán)境，但對運行溫度范圍沒有明確限制。潛液式LNG泵低溫電機運行于-161℃低溫環(huán)境，而電機運行的損耗會造成一定的溫升，因此所選用的電機實際運行于一定的低溫范圍。

3)電機損耗低，效率高。潛液式LNG泵低溫電機運行時浸泡在 LNG中，其冷卻由LNG來承擔，由于被輸送的LNG處于其飽和溫度附近，過大的發(fā)熱量可能造成LNG汽化，因此要求LNG泵低溫電機發(fā)熱量小，損耗低，效率高。