CC BY
18
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
ДЖЕИМС Р. БРЕННАН
консультант
в нефтегазовом секторе
США г. Монро,
штат Северная Каролина
Все насосы, предназначенные для перекачивания жидких сред, можно подразделить на два вида в зависимости от характера воздействия его рабочих органов на жидкость: динамические насосы, к которым относятся центробежные, осевые, вихревые, шнековые и струйные, и объемные, включающие такие разновидности, как поршневые, винтовые, шестеренные и др. При сравнении центробежных и винтовых насосов, двух самых характерных представителей этих групп,становится очевидным, что первые заметно уступают вторым по эффективности. КПД винтовых насосов остается на 36% больше, чем центробежных, при этом потребляемая мощность сокращается на 120 кВт, что позволяет существенно снизить затраты на электроэнергию.
Во всем мире из нефтяных скважин на поверхность поднимают около 3 млрд куб. м нефти и конденсата в год. Затраты на их эксплуатацию составляют одну из основных статей расхода в
высокоразвитых странах. Этим объясняется большая заинтересованность нефтедобывающих предприятий в поиске самых эффективных способов эксплуатации скважин. Одним из возможных решений этой проблемы является использование винтовых насосов Colfax, прекрасно справляющихся с задачами перекачки маслянистых вязких жидкостей с высоким содержанием песка, газа и воды и обеспечивающих высокую эффективность технологического процесса.
Высокая производительность, простота эксплуатации и технического обслуживания, способность перекачки жидкостей с различным уровнем вязкости, коррозионная стойкость предопределили широкое их распространение.
В предыдущем номере мы постарались осветить области применения и принцип работы двухвинтовых насосов, и сейчас остановимся на следующей разновидности этого класса - трехвинто-вых насосах Colfax/Allweiler, Imo. Они ►
Рис. 2 Figure 2. A heavy crude three screw pump on pipeline service in Western Canada.
Designs are now available in sealless configurations, such as magnetic drives and canned arrangements, to allow customers to reduce emissions and meet government guidelines. Three screw pumps are renowned for their low noise levels, high reliability, ease of repair and long life (see Figure 2). Design and Operation
Three screw pumps are manufactured in two basic styles, single suction and double suction (see Figure 4). The single suction design is used for low to medium flow rates and low to very high pressure. The double suction design is really two pumps in parallel in one casing, used for medium to high flow rates at low to medium pressure.
Three screw pumps generally have only one mechanical shaft seal and one, or perhaps two, bearings that locate the shaft axially. Internal hydraulic balance is such that axial and radial hydraulic forces are opposed and cancel each other. Thus, bearing loads are very low.
Another common characteristic of three screw pumps is that all but the smallest, low pressure designs incorporate replaceable liners in which the pumping screws rotate. Minor repair kits (seals, gaskets, bearing) and major repair kits (all wearing parts, including those in the minor repair kit) allow easy field repair of most three screw pumps. So field repair is a simple matter and the piping does not have to be disturbed.
The center screw, called the power rotor, performs all the pumping. The meshed outside screws, called idler rotors, cause each liquid-holding chamber to be separated from the adjacent one, except for running clearances. This effectively allows staging of the pump pressure rise. Because the center screw is performing all the pumping work, the drive torque transferred to the idler rotors is only necessary to overcome viscous drag of the cylindrical rotor spinning within its liner clearance.
The theoretical flow rate of these pumps is a function of speed, screw set diameter and the lead angle of the threads. Basically, flow rate is a function of the cube of the center screw diameter. Slip flow is the volumetric inefficiency due to clearances, differential pressure and viscosity. It is a function of the square of the power rotor diameter, resulting in larger pumps being inherently more efficient than smaller pumps. In crude oil pipeline service, the power savings is greatest compared to centrifugal pumps.
Speed is ultimately limited by the applications/system capability to deliver flow to the pump inlet at a sufficient pressure to avoid cavitation. This is true of all pumps. Three screw pumps tend to be high speed pumps, not unlike centrifugal pumps. Two pole and four pole motors are most commonly used.
Slower speed may be necessary when dictated by large flows, very high viscosities or low available inlet pressures. High speed operation is desirable when handling low viscosity liquids since the idler rotors generate a hyd-rodynamic liquid film in their load zones that resists radial hydraulic loads, very similar to hydrodynamic sleeve bearings found in turbomachinery.
To achieve the highest pressure capability from three screw pumps, it is necessary to control the shape of the screws while under hydraulic load. Five-axis NC profile grinding accomplishes this best, through complete dimensional control and a high degree of repeatability. Opposed loading of the idler rotor outside diameters on the power rotor root diameter dictate that these surfaces be heat treated to withstand the cyclic stress.
Again, profile thread grinding produces the final screw contour while leaving the rotors quite hard, in the order of 58RC. This hard surface better resists abrasive wear from contaminants and extends the service life.
Because some three screw pump applications range to pressures of 4500-psi (310-bar), pumping element loading due to hydrostatic pressure can be quite high. With hydraulic balance, the forces are balanced in two planes such that bearing loads are minimal to increase operating life.
Single ended pumps use two similar but different techniques to accomplish axial hydraulic balance. The center screw, or power rotor, incorporates a balancing piston at the discharge end of the screw thread (see Figure 5). The area of the piston is made about equal to the area of power rotor thread exposed to discharge pressure.
Consequently, equal opposing forces produce zero net axial force due to discharge pressure and place the power rotor in tension. The balance piston rotates within a close clearance stationary bushing, which may be hardened or hard coated to resist erosive wear. The drive shaft side of the piston is normally internally or externally ported to the pump inlet chamber. Balance leakage flow across this running clearance flushes the pump mechanical seal, which remains at nominal pump inlet pressure.
The two outer screws, idler rotors, also have their discharge ends exposed to discharge pressure. Through various arrangements, discharge pressure is introduced into a hydrostatic pocket area at the inlet end of the idler rotors (see Figure 6).
The effective area is just slightly less than the exposed discharge end area, resulting in approximately equal opposing axial forces on the idler rotors. The idler rotors are therefore in compression. Should any force cause the idler rotor to move toward discharge, a resulting loss of pressure acting on the cup shoulder area or hydrostatic land area tends to restore the idler rotor to its design running position.
The upper view in Figure 6 shows a stationary thrust block (cross hatched) and a stationary, radial self locating balance cup. Discharge pressure is brought into the cup via internal passages within the pump or rotor itself. The lower view shows a hydrostatic pocket machined into the end face of the idler rotor. It, too, is fed with discharge pressure. The gap shown is exaggerated and is actually only a few thousandths of an inch.
For some contaminated liquid services, the hydrostatic end faces of the idler rotors are gas nitride hardened or manufactured from solid tungsten carbide and shrink fitted to the inlet end of the idler rotors. When the cup design is used, the cup inside diameter and shoulder area are normally gas nitride hardened. Both techniques are used
отличаются наибольшей производительностью, однако мало подходят для работы с агрессивными жидкостями и оборудованием с низким давлением на входе, оставляя эти задачи в компетенции двухвинтовых насосов.
ТРЕХВИНТОВЫЕ НАСОСЫ COLFAX/ALLWEILER, IMO. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Среди всех видов винтовых насосов трехвинтовые получили самое широкое распространение в промышленности. Наиболее часто они используются в гидравлических подъемниках, при подаче мазута к форсункам, в системах смазки машинного оборудования, в качестве гидравлических компонентов силового привода, а также на нефтеперерабатывающих заводах для перекачки горячих вязких жидкостей - битума, гудрона и мазутного топлива. Кроме того, трехвинтовые насосы Colfax находят широкое применение в трубопроводных системах перекачки сырой нефти (фото 1), в системах заполнения барж и кораблей, в качестве насосов подачи топлива в камеру сгорания газотурбинных двигателей.
Современные трехвинтовые насосы Colfax могут создавать давление нагнетания жидкости более 310 бар при расходе 750 куб.м/ч. Они очень надежны в эксплуатации и обладают чрезвычайно высоким КПД. Благодаря последним разработкам, в производстве появились герметичные бессальниковые насосы с электромагнитными приводами. Они позволяют производителям существенно сократить объемы вредных выбросов и не выходить за предельно допустимые нормы, установленные законодательством. Трехвинтовые насосы Colfax неприхотливы в эксплуатации, они отличаются высокими показателями надежности и длительным сроком службы, а также обеспечивают низкий уровень шума и удобный доступ для ремонта ко всем элементам конструкции (рис. 2). УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Трехвинтовые насосы Colfax проектируются в двух основных конфигурациях: одностороннего и двухстороннего всасывания. Насосы первого типа используются при низком или среднем расходе жидкости, но могут развивать любой напор. Второй вид, представляющий собой два параллельных насоса в одном корпусе, предназначен для относительно большого расхода жидкости при напоре не выше средних показателей.
Конструкция трехвинтовых насосов Colfax предусматривает только одно механическое уплотнение вала, на котором
установлены один или два подшипника, удерживающие вал. Осевые и радиальные гидравлические силы направлены навстречу друг к другу и взаимно компенсируются, обеспечивая внутренний гидравлический баланс, благодаря чему нагрузка на подшипник сводится к минимуму.
Все насосы этого типа, за исключением самых маленьких моделей, не способных развивать большой напор, оснащены сменными втулками, в которых вращаются винты. Мелкие и капитальные ремонтные работы уплотнений и подшипников, а также всех частей, подверженных износу, могут быть оперативно проведены на месте без остановки технологического процесса.
Центральный ведущий винт берет на себя всю нагрузку по перекачке жидкости. Два других ведомых винта совместно с центральным приводом образуют отделенные друг от друга полости между нарезками и обоймой, в которые поступает жидкость. Это обеспечивает постепенное нарастание давления. Однако полости изолированы друг от друга не полностью - между роторами предусмотрены зазоры, через которые происходят утечки. Поскольку весь процесс подачи жидкости обеспечивается работой центрального винта, крутящий момент, передаваемый на ведомые роторы, расходуется только на преодоление вязкой среды при передвижении жидкости в канале.
Форма винтов, находящихся под воздействием гидравлических сил, влияет на величину напора, развиваемого насосом. Заданную форму винтам придают обработкой на 5-координатном станке с ЧПУ, которая обеспечивает трехмерное управление и высокую точность изготовления. Силы от воздействия внешних диаметров ведомых роторов на внутренний диаметр главного ротора направлены навстречу друг другу, поэтому данные участки необходимо подвергнуть термообработке, чтобы в процессе работы они могли выдержать циклическое нагружение. В дальнейшем профили винтов подвергаются дополнительной термообработке до твердости 58 HRc, благодаря чему детали насоса становятся более стойкими к истиранию от содержащихся в жидкости примесей и дольше служат.
Теоретически напор подобных насосов зависит от скорости вращения винтов, их диаметра и угла подъема резьбы. Однако главным образом их производительность определяется кубической степенью диаметра ведущего винта. При этом обратные перетоки, возникающие из-за неизбежных ►
зазоров, перепада давления и конечной вязкости, приводят к объемным потерям. Они прямо пропорциональны квадрату величины диаметра центрального ротора, и это обстоятельство делает использование больших насосов более эффективным по сравнению с маленькими. В целом же винтовые насосы, в отличие от центробежных, позволяют существенно сократить энергозатраты в трубопроводных системах перекачки сырой нефти.
Скорость работы всех видов насосов зависит от напора подаваемой жидкости на входе, который должен быть достаточным для избежания кавитации. Трех-винтовые насосы, как и центробежные, отличаются высокой скоростью перекачивания жидкости, при этом чаще всего используются двухполюсные и четырех-полюсные электродвигатели. Однако они справляются и с такими задачами, где требуется сохранять низкую скорость процесса перекачки, например при большом расходе и степени вязкости среды или в случае, если на входе допускается только малое давление.
Высокая скорость работы насоса необходима при подаче маловязких жидкостей. Во время перемещения таких сред на участках ведомых винтов, подверженных нагрузкам, образуется гидродинамическая пленка жидкости, оказывающая сопротивление радиальным гидравлическим силам. По такой же схеме работают и гидродинамические подшипники скольжения, применяемые в турбостроении.
В некоторых случаях трехвинтовые насосы должны перекачивать жидкость под давлением 310 бар, вследствие чего различные части насоса испытывают на себе влияние больших нагрузок. Благодаря гидравлическому балансу создается равновесие воздействующих сил в двух плоскостях, что сводит к минимуму нагрузки на подшипники и обеспечивает оборудованию больший срок службы.
Для достижения гидравлического баланса осевых сил в насосах одностороннего типа используют прием компенсатора, который может подаваться в двух местах. В первом случае на центральном винте, с
нагнетательной стороны винтовой нарезки устанавливается уравновешивающий поршень (фото 3). Диаметр поршня подбирается в соответствии с диаметром нарезки ведущего винта, воспринимающей давление нагнетания. В результате противодействующие силы взаимно уравновешивают друг друга, что позволяет насосу работать в режиме баланса сил. Уравновешивающий поршень вращается в неподвижной втулке, в которой предусматривается небольшой зазор. Втулка изготавливается из прочных металлов и имеет покрытие, защищающее от эрозии. Ведущая сторона вала внутренне или внешне присоединяется к входному каналу насоса. При этом механическое уплотнение, воспринимающее номинальное давление на входе насоса, очищается от загрязняющих частиц благодаря утечкам через рабочий зазор.
Во втором случае выходное давление концентрируется на нагнетательных сторонах ведомых винтов. С помощью различных приспособлений оно подается к небольшим разгрузочным полостям на входе ведомых роторов (рис. 4). Таким образом, создается противодавление, уравновешивающее осевые силы в насосе и обеспечивающее осевой баланс.
Эффективное пространство лишь немного уступает площади выхода, поэтому встречные осевые силы, воздействующие на ведомые винты, приблизительно равны. Вследствие этого дополнительные винты работают на сжатие. Если под воздействием какой-либо силы они передвигаются к области разгрузки, то снижение давления на область уплотнительного кольца и заплечика или гидростатической площади контакта возвращает их в исходное положение. На фото 4 представлен стационарный силовой узел (заштрихованная область) и закрепленная радиальная балансирующая втулка, которая сама находит необходимое для работы местоположение. Давление на выходе подается к втулке через внутренние каналы в насосе или в самом роторе. Внизу виден гидростатический кармашек, выполненный в торцовой поверхности ведомого винта. К нему также подводится давление ►
to resist wear due to the fine contaminants.
In a radial direction, three screw pumps achieve power rotor hydraulic balance due to symmetry. Equal pressure acting in all directions within a stage or wrap results in no radial hydraulic forces since there are no unbalanced areas. The power rotor frequently has a ball bearing to limit end float for proper mechanical seal operation, but it is otherwise under negligible load. Idler rotor radial balance is accomplished through the generation of a hydrodyna-mic liquid film, in the same fashion as a journal or sleeve bearing (see Figure 7).
The eccentricity of the rotating idler rotors sweeps liquid into a converging clearance, resulting in a pressurized liquid film. The film pressure acts on the idler rotor outside diameters in a direction opposing the hydraulically generated radial load (see diagonally opposing arrows indicating direction of loading).
Increasing viscosity causes more fluid to be dragged into the pressurized film, causing the film thickness and thus pressure supporting capability to increase. The idler rotors are supported in their respective housing bores on liquid films and have no other bearing support system. Within limits, if differential pressure increases, the idler rotor moves radially towards the surrounding housing bores.
The resulting increase in eccentricity increases the film pressure and maintains radial balance of the idler rotors. For high suction pressure applications (as in boost stations) special balancing techniques, such as changing the balance piston area or double extending the power rotor, can reduce radial forces to a minimum.
As versatile as three screw pumps are, they are still not suitable for some applications. While many advances in materials engineering are taking place, state-of-the-art three screw pumps have too great a galling tendency on very corrosion resistant materials, such as high nickel steels. A twin screw pump should be considered for corrosive liquid applications in order not to lose the efficiency advantage of screw pumps.
Twin Screw Pumps: Principle Applications
Two screw or twin screw pumps can handle applications that are well beyond many other types of pumps, including three screw designs. Twin screw pumps are especially suited to very low available inlet pressure applications, and more so if the required flow rates are high.
Services similar to three screw pumps include crude oil pipeline, viscous product processing, synthetic fiber processing, barge unloading, fuel oil burner and fuel oil transfer. Unique applications include:
• Adhesive manufacturing
• High water-cut crude oil
• Light oil flush of hot process pumping
• Paper pulp production needing to pump over about
10 percent solids
• Nitrocellulose explosive processing
• Multiphase (gas/oil mixtures) pumping
• High air content tank stripping service
• Cargo off-loading with ballast water as one of the
fluids
Design and Operation
The vast majority of twin screw pumps are of the double suction design (see Figure 8).The opposed thread arrangement provides inherent axial hydraulic balance due to symmetry. The pumping screws do not touch each other, thereby lending themselves to manufacture from corrosion resistant materials. The timing gears serve to synchronize the screw mesh as well as transmit half the total power input from the drive shaft to the driven shaft.
Each shaft effectively handles half the flow and thus half the power. Each end of each shaft has a support bearing to overcome the radial hydraulic loads, which
are not otherwise balanced. The timing gears and bearings are external to the liquid pumped. They need not rely upon the lubricating qualities of the pumped liquid nor its cleanliness. Four mechanical shaft seals keep these bearings and timing gears isolated and operating in a controlled environment.
Figure 9 illustrates hydraulic radial forces on a twin screw pump rotor due to differential pressure. These forces are uniform along the length of the pumping threads and cause deflection for which running clearance must be provided in the surrounding pump body.
Deflection must be kept to a minimum because greater deflection requires larger clearances, resulting in more slip flow or volumetric inefficiency. Excessive deflection damages the surrounding body and/or contributes to rotating bend fatigue, which ultimately results in shaft breakage. Large diameter shafts and screw root sections are used to maintain minimum deflection.
Depending on the machining direction of the threads (left or right hand) and the direction of shaft rotation, the pump manufacturer can cause deflection in either of the two radial directions, up or down for a horizontal pump. These radial deflection loads are absorbed through externally lubricated antifriction bearings.
Radial loads are proportional to differential pressure across the pump. Higher differential pressure produces higher radial loads or forces. Smaller lead angles of the screw set reduce these radial loads and reduce the flow rate. Larger lead angles increase the flow rate as well as the radial loading. Bearings are usually sized to provide 25,000 or more hours L10 bearing life at maximum allowable radial loading and maximum design operating speed. Because of this pumpage-independent bearing system, twin screw pumps with external timing gears and bearings can handle high gas content as well as light oil flushes, water, etc.
Twin screw pumps are manufactured from a broad range of materials, including 316 stainless steel. When extreme galling tendencies exist between adjacent running components, a slight increase in clearance is provided to minimize potential for contact during upset conditions. In addition, the stationary bores in which the screws rotate can be provided with a thick industrial hard chrome coating that further reduces the likelihood of galling and also provides a very hard, durable surface for wear resistance.
Such coatings do, however, require the capability of inside diameter grinding to achieve finished geometry within tolerances. For highly abrasive services, the outside diameter of the screws can be coated with various hard facings to better resist wear. Among these coatings are tungsten carbide, stellite, chrome oxide, alumina titanium dioxide and others.
Medium and high viscosity operations are not the only regions where multiple screw pumps bring advantages to the end user. Low viscosity combined with high pressure and flows less than approximately 450-gpm (100-m3/h) are excellent screw pump applications. The combination of modest flow, low viscosity and high pressure is a difficult service. This is a typical application for reciprocating pumps in crude oil pipelines.
Reciprocating pumps require pulsation suppression devices in the suction/discharge to avoid excessive vibration on the piping system, which is a potential environmental concern. Ongoing research and development efforts will further extend the capabilities/capacities of these machines, allowing better performance over a broader range of applications.
Multiple screw pumps are uniquely suited to many of the applications in the oil and gas market and offer long term benefits to their users, including higher efficiency, pulseless flow, smaller footprints and equipment that is easily maintained.
на выходе. Зазор на рисунке сильно преувеличен, в действительности его величина лишь несколько тысячных дюйма.
Для гидростатических торцовых по-верхностей ведомых роторов предусматривается специальная защита от коррозии, возникающей при перекачивании загрязненных жидкостей. Для придания большей прочности их подвергают процессу азотирования либо изготавливают из стойкого к коррозии карбида вольфрама. Затем их подбирают к размеру входа ведомых винтов, при этом обязательно остается запас на деформацию. Втулка по внутреннему диаметру и область заплечика также укрепляются азотированием. Оба технологических приема предназначены для повышения износостойкости деталей от мельчайших частиц абразивных примесей.
В трехвинтовых насосах Colfax, благодаря симметричному расположению винтов, нагрузки на центральный ротор сбалансированы в радиальном направлении. Внутри каждого витка давление распространяется равномерно, и радиальные силы перестают действовать, поскольку все участки воспринимают одинаковую нагрузку. На ведущем винте, как правило, устанавливается шариковый подшипник, чтобы сократить осевой зазор и обеспечить бесперебойную работу торцевого уплотнения, однако нагрузки на него несущественны.
Радиальный баланс ведомых винтов достигается благодаря образованию гидродинамической жидкостной пленки, выполняющей функцию подшипников (фото 5). Отклонение ведомых винтов от соосности приводит к тому, что жидкость перетекает в сужающийся зазор и образуется заторможенный слой. Он оказывает давление на внешние диаметры винтов в направлении, противоположном радиальной гидравлической нагрузке (на фото 5 диагональными стрелками обозначены направления нагрузок).
Чем выше вязкость, тем больше
толщина пограничного слоя и тем больший перепад давления может держать зазор. Благодаря пленке, ведомые роторы удерживаются в положении в отверстиях корпуса, что снимает необходимость в системе подшипников. Если перепад давления увеличивается, то винты перемещаются радиаль-но к стенкам окружающих отверстий. Большее отклонение от насоосности приводит к увеличению давления на пограничный слой и сохраняет радиальный баланс ведомых винтов. Когда давление на входе очень высоко, например на промежуточных усилительных станциях в системах трубопровода нефти, используются специальные технологии обеспечения баланса, например изменение площади уравновешивающего поршня. Они позволяют свести радиальные силы к минимальному значению.
При всей своей универсальности и гибкости в применении трехвинтовые насосы могут использоваться все же не во всех случаях. Так, они сильно подвержены коррозийному износу, несмотря на то что изготавливаются из самых прочных на сегодняшний день материалов, таких как никелевая сталь. Здесь им на помощь приходят двухвинтовые насосы Colfax / Warren, Houttuin, которые прекрасно справляются с задачей перемещения агрессивных жидкостей и также обеспечивают высокую производительность.
В дополнение к названным выше преимуществам, винтовые насосы Colfax обладают и целым рядом других достоинств. Они обеспечивают пропорциональную подачу жидкости, неизменность продукта в процессе перемещения, ровный поток на выходе и минимальный уровень шума. Кроме того, насосы позволяют изменять направление перекачки, обладают простой конструкцией и не загрязняют окружающую среду. Благодаря своей эффективности и неприхотливости в эксплуатации, винтовые насосы Colfax незаменимы для решения многих промышленных задач. ■
