Подбор криогенного насоса: центробежный или поршневой

Подбор криогенного насоса начинается с одного вопроса: вам нужен расход или давление. Центробежные насосы дают большой расход при умеренном давлении нагнетания и подходят для перекачки объемов и слива автоцистерн. Поршневые дают высокое давление при меньшем расходе и подходят для наполнения баллонов. Дальше решают NPSH, захолаживание и режим работы.

Многим криогенным установкам насос вообще не нужен. Давление в резервуаре само перемещает жидкость там, где требуемое давление отпуска умеренное, а расстояние небольшое, и обычно это более простое и дешевое решение.

В руководстве разобрано, когда насос становится необходимым, чем различаются два семейства машин, почему кавитация в криогенной службе ведет себя иначе и что указать в заявке, чтобы поставщик предложил правильную машину.

Действительно ли вам нужен криогенный насос?

Криогенный резервуар может вытеснять жидкость собственным давлением паров. Контур подъема давления забирает жидкость из нижней части резервуара, испаряет ее и возвращает газ в паровое пространство, повышая давление в резервуаре так, что жидкость выходит под собственным напором. Ограничение в том, что давление в резервуаре не может превышать MAWP сосуда, поэтому доступное давление отпуска ограничено классом давления, а подъем давления нагревает жидкость и расходует продукт.

Передавливания обычно достаточно там, где требуемое давление отпуска заметно ниже MAWP резервуара, потребность в расходе умеренная и периодическая, потери в линии невелики, а принимающий сосуд находится под меньшим давлением, чем питающий резервуар.

Насос становится необходимым, когда

• Требуемое давление нагнетания превышает то, что дает класс давления резервуара
• Вы наполняете баллоны или моноблоки высокого давления
• Нужен большой расход в узком временном окне, например слив полуприцепа по графику
• Вы питаете газификатор высокого давления для подачи газа под повышенным давлением
• Повторяющийся подъем давления расходовал бы слишком много продукта
• Принимающий сосуд находится под таким же или большим давлением, чем питающий резервуар

Если ограничением оказывается класс давления резервуара, а не расход, проверьте это до выбора насоса. Руководство по MAWP и классу давления криогенного резервуара объясняет, как давление отпуска задается на стороне резервуара.

Чем центробежный криогенный насос отличается от поршневого?

Центробежный насос вращающимся рабочим колесом сообщает жидкости кинетическую энергию, которая на нагнетании превращается в давление. Поршневой насос вытесняет поршнем или плунжером фиксированный объем за ход против того давления, которое есть на нагнетании. Эта разница определяет все остальное.

Центробежные криогенные насосы

• Подходят для большого расхода при умеренном давлении нагнетания, дают ровную непрерывную подачу с малой пульсацией
• Типовые задачи: перекачка объемов, слив полуприцепов и танк-контейнеров, перекачка из резервуара в резервуар, питание газификаторов низкого и среднего давления
• Расход меняется с сопротивлением системы, поэтому рабочая точка перемещается по характеристике
• Многоступенчатые исполнения повышают напор там, где одной ступени мало
• В целом проще механически, меньше изнашиваемых деталей в тракте жидкости

Поршневые криогенные насосы

• Подходят для высокого давления нагнетания при меньшем расходе, дают пульсирующую подачу, которую должен учитывать проект трубопроводов
• Объемного действия, подача задается ходом и частотой, а не давлением нагнетания
• Типовые задачи: наполнение баллонов и моноблоков, подача газа высокого давления через газификатор, наполнение трубных полуприцепов
• Требуют предохранительного устройства на нагнетании, поскольку объемный насос против закрытого клапана продолжает наращивать давление
• Больше изнашиваемых деталей, поэтому обслуживание уплотнений и сальников входит в план эксплуатации

На некоторых станциях применяют оба типа: центробежный для перекачки объемов и поршневой для наполнения под высоким давлением. Это нормальная схема, а не избыточность, потому что одна машина, вынужденная закрывать обе задачи, обычно плохо справляется с обеими.

Что определяет подбор криогенного насоса под конкретную задачу?

Подбор, это разговор о рабочей точке, а не о насосе. Определите, что должна делать система, и машина найдется. Перечисленные ниже параметры спросит поставщик.

• Рабочая среда: LIN, LOX, LAR, LNG или LCO2, поскольку свойства и требования к материалам различаются
• Требуемый расход, средний и пиковый, и нужна ли непрерывная подача или работа партиями
• Требуемое давление нагнетания в точке потребления, а не на насосе
• Условия на всасывании: давление в резервуаре, диапазон уровня жидкости и геометрия всасывающей линии
• Режим работы: непрерывный, частые пуски или эпизодическое применение, и допустимое время захолаживания
• Схема привода, электроснабжение и классификация взрывоопасных зон на площадке

Два пункта стоит подчеркнуть. Машину подбирают по пиковому, а не по среднему расходу, а требуемый напор определяется давлением в точке потребления после учета потерь в линии и в газификаторе. Кислородная служба добавляет свои правила: смачиваемые детали должны быть кислородосовместимыми и очищенными по кислороду, только с допущенными смазками и уплотнениями, как объясняет руководство по безопасности и подбору резервуаров для жидкого кислорода.

Что такое NPSH и почему кавитация важна в криогенной службе?

NPSH, это кавитационный запас на всасывании, разница между давлением жидкости, приходящей на всасывание насоса, и давлением ее насыщенных паров при этой температуре. Если запас исчезает, жидкость вскипает внутри насоса, а образующиеся и схлопывающиеся пузырьки пара разрушают поток. Это и есть кавитация, которая губит характеристики и повреждает машину.

В криогенной службе это сложнее, чем на воде, по одной причине: жидкость в резервуаре находится при температуре кипения или около нее для давления в резервуаре. Она уже насыщена, поэтому любой малый приток тепла или падение давления по пути к насосу может начать парообразование во всасывающей линии. Признаки в работе, это шум и вибрация на насосе, нестабильное или падающее давление нагнетания и расход, который уходит без изменения потребления.

• Располагаемый NPSH задается системой: давлением в резервуаре, высотой столба жидкости над насосом и потерями во всасывающей линии
• Требуемый NPSH задается насосом и берется у изготовителя для выбранной машины и частоты вращения
• Располагаемый NPSH должен превышать требуемый с запасом во всем рабочем диапазоне
• Устанавливайте насос ниже уровня жидкости в резервуаре везде, где возможно, чтобы статический напор работал на вас
• Держите всасывающую линию короткой, прямой, с запасом по диаметру и в вакуумной рубашке
• Предусмотрите линию сброса или возврата, чтобы пар из всасывающей линии уходил обратно в резервуар
• Проверяйте худший случай, обычно это минимальный уровень в резервуаре при максимальном расходе

Одно противоречие стоит назвать: подъем давления в резервуаре увеличивает располагаемый NPSH, но одновременно повышает температуру насыщения, а более теплая жидкость легче вскипает. Ответом является грамотно спроектированная система всасывания, а не просто более высокое давление в резервуаре.

Зачем криогенному насосу захолаживание перед пуском?

Криогенный насос при температуре окружающей среды мгновенно вскипятит первую же порцию поступившей жидкости, поэтому машина будет перемещать пар вместо жидкости, не даст полезной подачи и может быть повреждена. Захолаживание охлаждает насос и его всасывающую линию до температуры жидкости перед пуском, а также защищает машину механически, поскольку криогенные детали сжимаются при охлаждении, а зазоры рассчитаны на холодное состояние.

• Откройте всасывающий клапан и дайте жидкости пройти через насос при открытой линии сброса или возврата
• Дайте пару, образующемуся при охлаждении, уходить обратно в резервуар, а не в линию нагнетания
• Дождитесь, когда через возврат пойдет жидкость, а не пар, это признак того, что корпус насоса охладился
• Только после этого запускайте привод на систему нагнетания
• Выдерживайте время захолаживания, указанное изготовителем, а не привычную оценку на глаз

Время захолаживания, это реальные эксплуатационные издержки. На станции с частыми короткими переливами машина, которую нужно охлаждать перед каждым пуском, снижает пропускную способность, и это часто подталкивает проект к тому, чтобы держать насос холодным или разделить задачи. Тот же принцип относится к резервуару при первом наливе, что описано в руководстве по пусконаладке криогенного резервуара.

Какие задачи закрывают насосы на наполнительных станциях и при сливе?

Слив полуприцепов и танк-контейнеров

Слив, это задача с большим расходом и умеренным давлением, ограниченная временем, поскольку машина ждет. Часть автоцистерн везет собственный насос, и тогда принимающей площадке насос может не понадобиться, поэтому уточняйте заранее, работает ли доставляющая машина насосом или передавливанием. Если насос ставит площадка, обычно выбирают центробежную машину, как объясняет обзор танк-контейнеров для перевозки криогенных газов.

Наполнение баллонов и моноблоков

Наполнение баллонов высокого давления, это классическая задача для поршневого насоса. Насос поднимает давление жидкости, газификатор высокого давления переводит ее в газ, и газ наполняет баллоны. Расход умеренный, давление высокое, работа повторяющаяся, поэтому защита предохранительным устройством на нагнетании обязательна.

Станции LNG и подача на процесс

Станции LNG сильно различаются. Одни работают на давлении резервуара и газификаторе вовсе без насоса, другие используют насос для выдачи топлива или для питания блока регазификации высокого давления, причем к оборудованию применяется классификация взрывоопасных зон. Чек-лист оборудования газораспределительной станции LNG описывает полный состав. Там, где клиентская станция подает газ на процесс при умеренном давлении, обычно достаточно давления резервуара через газификатор атмосферного типа.

Что еще нужно предусмотреть вокруг насоса?

Насос, это элемент системы. Большинство заявленных проблем с насосами на криогенных площадках связаны со всасывающей линией, автоматикой или регламентом работы, а не с самой машиной.

• Всасывающий трубопровод с вакуумной рубашкой или хорошей изоляцией, с запасом по диаметру и минимальной длины
• Линия сброса или возврата в резервуар для захолаживания и отвода пара
• Предохранительное устройство на нагнетании, обязательное для насосов объемного действия
• Защита предохранительными устройствами любого участка линии, отсекаемого с двух сторон, поскольку запертая криогенная жидкость нагревается и расширяется
• Отсечная арматура, позволяющая обслуживать насос без опорожнения резервуара
• Приборы давления на всасывании и нагнетании и регулирование частоты вращения там, где нужен переменный расход

Включайте насос в общий план обслуживания площадки, а не рассматривайте его отдельно. График обслуживания криогенного резервуара описывает интервалы для смежного оборудования, включая рекомендацию замерять вакуум каждые 6, 12 месяцев.

Чем KAF Cryogenics помогает при подборе криогенного насоса?

KAF Cryogenics поставляет оборудование вокруг насоса: резервуары для хранения LIN, LOX, LAR, LNG, LCO2 и LPG, газификаторы атмосферного типа и технологическое оборудование, емкости MicroBulk и транспортную технику. Для подбора криогенного насоса это важно, потому что именно класс давления резервуара, схема всасывания и нагрузка на газификатор изначально задают требования к насосу. Правильные решения здесь часто снижают нагрузку на насос, а иногда снимают потребность в нем полностью.

• Класс давления резервуара подбирается под давление отпуска, которое реально нужно вашему процессу
• Производительность газификатора рассчитывается под потребление газа и климатические условия вашей площадки
• Компоновка резервуара и положение подключений позволяют выполнить короткую всасывающую линию с малыми потерями
• Оборудование новое по спецификации или сертифицированные единицы б/у, прошедшие осмотр, NDT, вакуумные и пневмогидравлические испытания, с комплектом документации и письменной гарантией
• Сертификация подбирается под рынок назначения: PED 2014/68/EU с EN 13458 или ASME там, где применяется американский код
• Отгрузка со склада за недели по сертифицированным единицам б/у против месяцев на новое изготовление

Пришлите задачу: среду, расход, давление в точке потребления и то, что должна делать станция. Мы подскажем, как должна выглядеть сторона резервуара и газификатора и где насос оправдан.

Часто задаваемые вопросы

Читайте также

• MAWP и классу давления криогенного резервуара
• безопасности и подбору резервуаров для жидкого кислорода
• танк-контейнеров для перевозки криогенных газов
• Чек-лист оборудования газораспределительной станции LNG
• График обслуживания криогенного резервуара
• газификаторы атмосферного типа и технологическое оборудование