Во многих процессах, протекающих на СПГ-объектах Российской Арктики и шельфа, используются погружные насосы. С целью изучения существующих разработок выполнен обзор реализованных и перспективных проектов таких насосов. Приведены их основные характеристики, рассмотрены выполняемые насосами задачи, описана степень освоения данного типа техники.
Проекты по разработке газовых месторождений Арктической зоны и морского шельфа в связи с наращиванием производства СПГ в России приобретают все большую значимость. Для обработки запасов газа и их последующей монетизации создаются заводы различных мощностей и типов. Вместе с тем развивается и сопутствующая инфраструктура, в том числе транспортная, преимущественно представляющая собой суда-газовозы. Данные обстоятельства закономерно обусловливают рост потребности в соответствующих изделиях машиностроения, в том числе насосов для перекачивания СПГ.
Наиболее современные технологии перекачивания СПГ предполагают использование погружных электронасосов. Такие насосы представляют собой уникальный для отечественной промышленности объект техники. Освоение их производства в России продолжается по настоящее время (см., например, [8, 12, 9]). Соответственно, объектом исследования в настоящей статье являются погружные криогенные электронасосы для перекачивания СПГ в контексте освоения месторождений газовых месторождений Арктики и морского шельфа. Цель статьи, в свою очередь, – изучение существующих отечественных разработок в части погружных насосов для перекачивания СПГ для промышленных объектов Арктики и морского шельфа.
Актуальность работы обусловлена усилением роли природного газа в мировом энергетическом балансе, вышеотмеченным развитием проектов по освоению газовых месторождений шельфа и Арктики, а также наличием богатой ресурсной базы для дальнейшего развития соответствующих территорий [11]. Положения, рассматриваемые в настоящей статье, представлялись в ходе 15-й Международной конференция по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ.
Объем исследований, затрагивающих тематику погружных насосов для перекачивания СПГ, увеличивается. Так как большинство оригинальных конструкций создавалось за рубежом [4], по-прежнему одним из основных источников информации при этом остаются зарубежные публикации. Одной из наиболее подробных при этом является работа [5], в которой раскрываются основные аспекты областей применения, назначения и конструктивного исполнения насосов; их материальное исполнение, испытания. Из русскоязычных публикаций наиболее комплексная информация по вопросам оборудования для объектов СПГ приводится в [13], отдельные вопросы раскрываются в работах [7, 10, 6].
Погружные насосы для перекачивания СПГ на шельфовых и арктических месторождениях могут применяться на наземных заводах и комплексах по производству СПГ, плавучих заводах по производству СПГ, терминалах покрытия пикового потребления, хранилищах низкого давления, судах-газовозах. Регазификационные терминалы в Арктической зоне пока практически не представлены. Основные процессы, функционирование которых осуществляется с применением погружных насосов, следующие [1, 10]:
1) Наземные/плавучие заводы СПГ:
– перекачка СПГ в резервуары хранения;
– первичное захолаживание и поддержание температуры емкостей, сосудов и трубопроводов.
– отгрузка СПГ из резервуаров хранения в танки судов-газовозов;
– подкачка СПГ в случае наличия развитых систем и нецелесообразности использования одного мощного насоса;
– циркуляция СПГ в резервуаре.
2) Терминалы покрытия пикового потребления/хранилища низкого давления:
– подкачка СПГ в случае наличия развитых систем и нецелесообразности использования одного мощного насоса;
– выдача СПГ потребителям/на испаритель;
– циркуляция СПГ в резервуаре.
3) Суда-газовозы:
– отгрузка СПГ из танков судов-газовозов в резервуары хранения;
– первичное захолаживание и поддержание температуры танков и других емкостей, трубопроводов;
– питание испарителя судовой энергетической установки.
Одна из основных особенностей погружных насосов для перекачивания СПГ заключается в их полном погружении в перекачиваемую среду, т.е. установке в герметизируемый объем. Таким образом, принципиальные конструктивные отличия между насосами для СПГ-объектов Арктической или шельфовой зоны и СПГ-объектов иного положения практически отсутствуют. Тем не менее данный тип насосов имеет ряд заметных отличий от общепромышленных насосов газонефтехимии. Насосы выполняются, как правило, центробежными, вертикальными, часто – многоступенчатыми. Схематичное изображение типичного погружного насоса СПГ приведено на рисунке 1.
Погружные насосы для перекачивания СПГ характеризуются безопасностью и технологичностью. Так, безопасность обеспечивается погружением электродвигателя в перекачиваемую среду, являющуюся диэлектриком. Погруженный электродвигатель, в свою очередь, имеет лучшие условия охлаждения и небольшие габариты в сравнении с электродвигателями воздушного охлаждения. Кроме того, в конструкции отсутствует подвижное уплотнение между СПГ и атмосферой, что значительно повышает как безопасность, так и надежность насоса. Также полное погружение электродвигателя в перекачиваемую среду увеличивает общую технологичность изделия, позволяя отказаться от сложных и ненадежных соединений ротора электродвигателя и ротора насоса и использовать короткий и жесткий общий вал.
В число других особенностей погружных насосов для перекачивания СПГ входят:
• Наличие шнека (шнекоцентробежной ступени) на входе в насос. Применение шнека позволяет улучшить кавитационные характеристики насоса, увеличивая степень осушения резервуаров и емкостей и повышая тем самым экономическую эффективность системы, будь то грузовая система судна или система хранения завода, и снижая вероятность повреждения насоса в результате кавитации.
• Использование гибридных, металлокерамических шарикоподшипников. Применяемый при производстве тел качения таких подшипников нитрид кремния или цирконий в совокупности с сепараторами из фторопластовых композиций позволяет обеспечить высокую надежность насосов и весьма продолжительный период наработки до первой остановки насосов для замены подшипников [2].
• Использование устройств гидравлической разгрузки с дросселями постоянного и переменного сечения, позволяющих предохранить радиальные подшипники от воздействия осевых нагрузок в течение всего жизненного цикла насоса и на всех расчетных режимах его работы [3].
Как было отмечено выше, создание погружных насосов для перекачивания СПГ в рамках отечественной промышленности как процесс находится на начальном этапе. В то же время многие вновь создаваемые образцы предназначены именно для использования в условиях СПГ-объектов шельфовых и арктических месторождений. К настоящему моменту наиболее широкий модельный ряд погружных насосов для перекачивания СПГ сформирован научно-производственным центром АО «ОКБМ Африкантов», г. Нижний Новгород. На 2021 год в число промышленно реализованных насосов входят насосы типов ЭНК 268/205, ЭНК 1750/188, ЭНК 670/1670, ЭНК 2000/241.
Электронасос ЭНК 268/205 (рисунок 2) предназначен для подачи СПГ из емкости мгновенного испарения в систему хранения. В рамках СПГ-объектов шельфовых и арктических месторождений насос как тип может быть применен в технологических линиях наземных или плавучих заводов. Насос устанавливается внутри емкости в специальном вертикальном корпусе, выполняющем функцию нагнетательного патрубка в верхней части емкости. С целью обеспечения герметизации внутренней полости корпуса на время демонтажа в конструкции предусмотрен донный клапан, расположенный в нижней части корпуса.
Насос ЭНК 268/205 имеет следующие характеристики:
Поставка электронасоса ЭНК 268/205, фактически являющегося первым среднетоннажным отечественным насосом для перекачивания СПГ, была выполнена в августе 2019 г. В настоящее время насосы ЭНК 268/205 в количестве 2 шт. входят в состав 4-й линии завода «Ямал-СПГ», относящегося к числу арктических СПГ-проектов России.
Насос ЭНК 1750/188 (рисунок 3) предназначен для отгрузки СПГ из резервуаров хранения в танки судов-газовозов для последующей транспортировки СПГ морем и имеет следующие характеристики:
В рамках СПГ-объектов шельфовых и арктических месторождений насос как тип может быть применен для отгрузки СПГ и встроен в системы резервуаров хранения как на заводах по производству СПГ, так и в газохранилищах. Для головного образца насоса ЭНК 1750/188 были проведены опытно-промышленные испытания непосредственно на площадке эксплуатации, в ходе которых насос безотказно отработал 750 часов. В настоящее время насос также эксплуатируется на проекте «Ямал-СПГ».
Насос ЭНК 670/1670 (рисунок 4) предназначается для циркуляции СПГ по контуру испытаний жидкостных детандеров нового стенда для испытаний средне- и крупнотоннажного насосного, детандерного и компрессорного оборудования.
В настоящее время насос эксплуатируется в составе вышеуказанного криогенного стенда на площадке АО «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова», г. Санкт-Петербург. В рамках СПГ-объектов шельфовых и арктических месторождений насос как тип может быть адаптирован для использования в процессах сжижения на береговых и плавучих заводах по производству СПГ, процессах выдачи СПГ потребителям или на испаритель на терминалах покрытия пикового потребления.
Основные характеристики насоса ЭНК 670/1670 приведены ниже.
Насос ЭНК 2000/241 (рисунок 5), аналогично насосу ЭНК 1750/188, предназначен для отгрузки СПГ из резервуаров хранения в танки судов-газовозов. Его основные характеристики:
Кроме того, в настоящее время силами АО «ОКБМ Африкантов» разрабатываются опытные образцы новых типов насосов – ЭНК 11/385 и ЭНК 2050/170. Данные насосы предназначены соответственно для питания испарителя судовой энергетической установки и откачки СПГ из танков судов-газовозов. Внешний вид насосов приведен на рисунках 6 (а) и 6 (б). Характеристики насосов приведены в таблице.
Таким образом, из числа технологических процессов, имеющих место на промышленных СПГ-объектах Арктики и морского шельфа, отечественным предложением в части погружных насосов для перекачивания СПГ не охвачены следующие направления:
– первичное захолаживание и поддержание температуры емкостей, сосудов и трубопроводов;
– подкачка СПГ;
– циркуляция СПГ в резервуаре.
При этом необходимо отметить, что задачи первичного захолаживания и поддержания температуры и подкачки могут быть решены путем применения насосов традиционной компоновки (не погружных), а также то, что на практике задача обеспечения циркуляции СПГ внутри резервуаров достаточно часто решается за счет пуска насоса отгрузки на байпасную линию. Следовательно, можно заключить, что освоенные предприятиями отечественной промышленности технологии уже сейчас способны покрыть потребности СПГ-проектов Арктики, морского шельфа и обеспечивающей инфраструктуры в погружных насосах для перекачивания СПГ для подавляющего большинства процессов.
Литература
1. David A. Coyle, Vinod Patel. Processes and pump services in LNG industry. Proceedings of the twenty-second International Pump Users Symposium, Houston, Texas, 2005. P. 179–185.
2. Gabelli, A. Bearings that heal themselves / A. Gabelli, L. Kahlman // SKF Evolution magazine. 1999. – № 3. – PP. 26–29.
3. Geldmacher, M. Balancing act / M. Geldmacher // LNG Industry. – March 2015. URL: https://nikkisocryo.com/articles/balance.pdf (дата обращения: 25.10.2021).
4. Karakas, E. A history of pumps in LNG / E. Karakas, E. Wonhof // LNG Industry. – February 2018. URL: https://www.elliott-turbo.com/Files/Admin/Articles/pumps-in-lng-history.pdf (дата обращения: 25.10.2021).
5. Rush S. Tutorial on cryogenic submerged electric motor pumps / S. Rush, L. Hall // Proceedings of the International Pump 137 Users Symposium (2001): Texas Engineering Experiment Station, 2001. – PP. 101–108.
6. Агафонов А., Вербицкий С., Гуменюк А., Чеснокова И. Оборудование регазификационных терминалов СПГ // Offshore (Russia), 2016. Август. С. 66–72.
7. Бабикова Д.С. Насосы для перекачивания криогенных продуктов: обзор конструкций и перспективы развития. Политехнический молодежный журнал, 2019, № 10 (39). http://dx.doi.org/10.18698/2541-8009-2019-10-537.
8. Валюхов С.Г., Ярославцев С.В. Импортозамещение и локализация производства погружных электронасосных агрегатов для перекачки СПГ на базе ОАО «Турбонасос» // НЕФТЬ. ГАЗ. НОВАЦИИ. 2015. № 5. С. 32–35.
9. Зеленов П.А., Боровков М.Н., Коробов И.Б. Погружные криогенные электронасосы типа ЭНК для перекачивания сжиженных газов // GasWorld. Россия и СНГ. 2019. № 72. С. 50–52.
10. Зеленов П.А., Боровков М.Н., Коробов И.Б. Погружные насосы сжиженных газов на судах транспортного флота // Морской вестник. 2021. № 3. С. 72–75.
11. Климентьев А.Ю., Родичкин И.Г., Богданов Е.В. Арктические горизонты российского СПГ // Газовая промышленность. 2019. № 8 (788). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/arkticheskie-gorizonty-rossiyskogo-spg (дата обращения: 25.10.2021).
12. Криогенное оборудование АО «ЛГМ» для проектов сжижения природного газа // Газовая промышленность. 2017. № 11. С. 112–113.
13. Фёдорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011. – 159 с., ил.
