CC BY
20
На самом раннем этапе своего развития человек пытался механизировать способы подъема воды для более быстрого и эффективного орошения, поэтому первые насосы появились еще в глубокой древности. Сейчас разнообразное насосное оборудование помогает решать множество задач и проблем, возникающих в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. Без него современная жизнь практически невозможна. Достаточно отметить, что насосы потребляют около 20% всей вырабатываемой в мире электроэнергии. При выборе наиболее подходящего типа насоса из всего многообразия предлагаемых вариантов большое внимание уделяется его эффективности и совместимости с характеристиками рабочего процесса.
Статья посвящена двух- и трехвинтовым насосам, незаменимым для решения многих задач нефтегазовой промышленности.
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ВИНТОВЫЕ НАСОСЫ
COLFAX CORPORATION: ALLWEILER, HOUTTUIN, IMO, WARREN, ZENITH
ДЖЕЙМС Р. БРЕННАН консультант США
в нефтегазовом секторе г. Монро,
штат Северная Каролина
История винтовых насосов, широко применяемых в различных отраслях промышлен-ности,весьма обширна.Припостоянномросте эксплуатационных требований, разработчики насосов вынуждены искать новые пути их усовершенствования. В результате появились насосы с большим предельным давлением и расходом, с повышенной износоустойчивостью, коррозийной стойкостью, более высоким КПД и с меньшими потерями утечек. Считается, что первый винтовой насос был сконструирован еще по рисунку Архимеда и мог поднимать значительный
объем воды на небольшую высоту. Подобные насосы производятся до сих пор и предназначены для тех же целей. В отличие от центробежных, винтовые насосы обладают очень высокой производительностью при перекачивании вязких жидкостей, таких как тяжелая нефть, флотский или топочный мазут и низкосернистое топливо. При подаче жидкостей вязкостью более 20 сСт центробежные насосы заметно уступают по своей эффективности винтовым (рис. 1). Использование винтовых насосов обеспечивает не только экономию энергии,
но и снижение первоначальных затрат на системы управления, пусковую систему и кабельную сеть. По словам Дюшуанта Мех-ра, аналитика консалтинговой компании Frost & Sullivan, в настоящее время все усилия разработчиков нефтегазовых насосов направлены на повышение их производительности при минимальных затратах на энергию. В стремлении достичь большей продуктивности насосных установок предприятия используют самые эффективные технологии, предпочитая винтовые насосы центробежным. На рис. 2 можно увидеть, что их производительность остается чрезвычайно высокой при широком диапазоне давлений на выходе. В винтовых насосах каждый виток винтовой нарезки формирует новую ступень повышения давления. Насосы высокого давления состоят из 512 ступеней, или витков, в то время как в низконапорных насосах их может быть всего лишь 2 или 3. Эта зависимость предельного давления от количества ступеней представлена на рис. 3. Для увеличения напора насоса в нем объединяют несколько винтов.
НАЗНАЧЕНИЕ
Современные двухвинтовые насосы высокоэффективны, обеспечивают производительность до 4 000 м3/ч и давление нагнетания до 100 бар и, кроме того, могут перекачивать агрессивные жидкости. Благодаря их применению в процессе деас-фальтизации тяжелых нефтяных фракций (ROSE), стало возможным перекачивание жидкостей с температурой до 3150С. Насос включен в технологическую цепочку следующим образом: раотреде-лительные шестерни и подшипники ►
Рис. 1 Сравнительные характеристики винтовых и центробежных насосов
ЭКСПОЗИЦИЯ НЕФТЬ ГАЗ 2/Н (02) апрель 2009 г.
33
принудительно охлаждаются, в то время как корпус насоса находится в рубашке для обеспечения циркуляции горячей нефти. Это позволяет постепенно адаптировать насос к температуре технологического процесса. Двухвинтовые насосы могут справляться с такими техническими задачами, которые не под силу многим другим типам насосов, в том числе и трехвинтовым. Они незаменимы для оборудования с низким давлением на входе, особенно если при этом необходимо перемещать большие объемы жидкости. Наравне с трехвинтовыми насосами они находят применение в системах трубопроводов сырой нефти, технологиях перемещения вязких жидкостей и мономера для производства синтетического волокна, системах разгрузки барж, нефтяной форсунке и процессах перекачивания котельного топлива. Существуют направления, в которых двух- и трехвинтовые насосы находят уникальное применение:
• производство связующих материалов (адгезивов);
• обработка высокообводненной сырой нефти;
• перекачка светлых нефтепродуктов при высокой температуре;
• производство нитроцеллюлозы;
• перекачка газонефтяной смеси;
• промывка резервуаров с остаточным количеством жидкости;
• удаление смеси жидкостей с балластной водой из корабельных резервуаров.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Самая распространенная конструкция двухвинтовых насосов - насос двухстороннего типа. Благодаря симметричности участков винтовой нарезки, направленных навстречу друг другу, возникает взаимная компенсация осевой силы от сил давления перекачиваемой жидкости. Насосные винты не соприкасаются друг с другом и изготовлены из коррозионностойких материалов. Распределительные шестерни синхронизируют винтовое зацепление и передают половину общей подводимой мощности с ведущего ротора на ведомый. Поток жидкости на входе и мощность распределяются поровну между двумя валами. На каждом конце вала установлен опорный подшипник, берущий на себя радиальные гидравлические нагрузки. Распределительные шестерни и подшипники не соприкасаются с перекачиваемой жидкостью, поэтому ее свойства, например смазывающая способность или чистота, не имеют для них никакого значения. Они изолированы от внутренней среды четырьмя уплотнениями по валу и не испытывают на себе воздействия внешних условий. На рис. 4 показано действие радиальных сил на ротор двухвинтового насоса в зависимости от перепада давления. Они распределяются равномерно вдоль всей длины участков винтовой нарезки, что приводит к их прогибу, поэтому в корпусе насоса обязательно предусматривается рабочий зазор. Величина прогиба должна быть сведена к минимуму, поскольку увеличение деформации приводит к большему рабочему зазору и, как следствие, к утечкам или объемным потерям. ►
Рис. 2 Кривая производительности винтового насоса
Рис. 3 Рост давления на витках винтового насоса
Чрезмерный прогиб может повредить корпус и ускорить накопление усталости от вращения в искривленном состоянии, что неизбежно повлечет поломку вала. Увеличению прогиба препятствуют валы большого диаметра и большого сплошного сечения вала. В зависимости от направления нарезки винтов (влево или вправо) и направления вращения валов, их прогиб определяется в процессе проектирования. Нагрузки от прогиба воспринимаются роликовыми подшипниками с наружной смазкой. Радиальные нагрузки прямо пропорциональны дифференциальному давлению в насосе. Меньший угол подъема винтов (меньший шаг нарезки) может сократить эти нагрузки, но в то же время снизит и производительность. Подшипники, как правило, подбираются таких типоразмеров, чтобы обеспечить срок службы до 25 000 часов или более при максимально допустимых радиальных нагрузках и максимально возможной скорости перекачивания жидкостей. Благодаря такой схеме смазки подшипников, работающих изолированно от перекачиваемой жидкости, двухвинтовые насосы с наружными распределительными шестернями могут наравне со светлыми нефтепродуктами, водой и прочими жидкостями качать и газожидкостную смесь.
Двухвинтовыенасосыпроизводятсяизса-мых разнообразных материалов, включая нержавеющую сталь. Еслисуществует большая
вероятность появления коррозионного налета между смежными деталями насоса, то зазор между ними увеличивают, чтобы максимально сократить риск соприкосновения в случае нарушения технологического режима. Кроме того, отверстия в корпусе, в которых вращаются винты, могут быть покрыты слоем твердого хрома, что также сокращает опасность коррозионного налета и обеспечивает большую износостойкость.
Канавки после покрытия подвергаются процедуре внутреннего шлифования для обеспечения нужной точности и создания необходимых зазоров. Если насос предназначен для перекачки жидкостей с высоким содержанием абразивных примесей, то на внешнюю поверхность винтов наносятся твердосплавные покрытия, повышающие стойкость к истиранию. Чаще всего для этого используются такие сплавы, как карбид вольфрама, стеллит, оксид хрома, диоксид алюминия и титана и др. Винтовые насосы прекрасно справляются с целым рядом технологических задач, например, с перекачиванием средне- и высоковязких жидкостей. Однако они мало подходят для подачи маловязких жидкостей при высоком давлении нагнетания и небольшом расходе (менее 100 м3/ч). При подобном сочетании условий заметно снижается их эффективность. А именно такой режим характерен для трубопровода перекачки сырой нефти,
где и прибегают к помощи поршневых насосов, прекрасно справляющихся с этой задачей.
Поршневые насосы обязательно оснащены ресиверами для гашения пульсации на входе и выходе из насоса. Это дает возможность избежать чрезмерных пульсаций давления в системе трубопровода, что может представлять опасность для окружающей среды в случае его разрыва от пиковых давлений и усталостных нагрузок. Сейчас ведутся активные разработки по усовершенствованию поршневых насосов, в результате чего появятся модели с повышенной производительностью и лучшими рабочими параметрами, способные справляться с более широким кругом задач. Винтовые насосы незаменимы для многих отраслей нефтегазовой промышленности и гарантированно окупают затраты на приобретение и эксплуатацию благодаря высокой производительности, запасу устойчивости, компактности; они не требуют больших затрат для поддержания в рабочем состоянии. ■
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Дюшуант Мехра. «Обзор нефтегазового сектора», Pumps & Systems, февраль 2007.
< =1 F F F F F F wкнщътщК
=1, < о
L
........ Г........
Рис. 4 Радиальные силы в двухвинтовых насосах
Л/1/lbPJ/C
Группа компаний АЛЛЬРУС - c 2002 года эксклюзивный поставщик всех типов насосного оборудования (в т. ч. 2- и 3- винтовые нефтесборные и транспортно-трубопроводные насосные агрегаты) производства Colfax Corporation / ALLWEILER (Германия), HOUTTUIN (Голландия), IMO (США), WARREN (США), ZENITH (США), а также других фирм Западной Европы (LUTZ (Германия), LEWA (Германия) и др.) предприятиям нефтегазоперерабатывающего, химического, К О М П А Н И И судостроительного, энергетического и других комплексов России и стран СНГ.
Всегда оптимальное решение Ваших специальных задач.
Г Р У П П А
www.allrus.ru
ООО «АЛЛЬРУС»
ул. Краснопролетарская, д. 16 стр. 2, этаж 3 127473 Москва / Россия Тел.: +7 (495) 9566167, 9566169 Факс: +7 (495) 9566168 E-mail: [email protected]
ЗАО «АЛЛЬРУС-Проект»
ул. Краснопролетарская, д. 16 стр. 2, этаж 3 127473 Москва / Россия Тел.: +7 (495) 9566210 Факс: +7 (495) 956-61-68 E-mail: [email protected]
ООО «АЛЛЬРУС-Украина»
д. 3Б, офис 197 ул. Ивана Мазепы 01010 Киев / Украина Тел.: +380 44 2299122 Факс: +380 44 2514740 E-mail: [email protected]
ALLRUS Maschinenhandels GmbH
Europaring F 10202 / campus 21 2345 Brunn am Gebirge / Austria Тел.: +380 44 2299122 Факс: +380 44 2514740 E-mail: [email protected]
