В последние годы в России введено множество объектов по производству и использованию сжиженного природного газа (СПГ). Фактически можно говорить о том, что российская СПГ-отрасль сформировалась как самостоятельный и равноправный сегмент российской промышленности. Производство СПГ в России – в числе приоритетных задач национальной экономики, при этом изначально отрасль в своем развитии опиралась на западные инвестиции и технологии. На данный момент уже сформирована программа развития отрасли и даже разработана отечественная технология сжижения газа.
Динамическое оборудование – и в особенности насосно-компрессорная группа – является одной из наиболее критичных как с точки зрения надежности, так и с точки зрения эффективности. В данной статье рассмотрены особенности и различные конструкции криогенных насосов.
В настоящее время существуют различные технологии для перекачки СПГ из комплексов производства СПГ потребителям, а также с судов в резервуары СПГ, а затем из резервуаров хранения СПГ в испарители с помощью насосов высокого давления на терминалах хранения СПГ и регазификации.
СПГ – природный газ (преимущественно метан, CH4), искусственно сжиженный путем охлаждения до минус 160 °C для удобства хранения или транспортировки, т.к. при сжижении объем газа уменьшается в 600 раз. На практике это означает, что в одинаковом объеме содержится СПГ в 3 раза больше, чем компримированного природного газа (КПГ) при давлении 20 МПа.
СПГ-терминал – это специальный регазификационный терминал для приема СПГ и подготовки газа к использованию. Регазификация служит для преобразования газа из жидкого состояния (СПГ) в газообразное, после чего природный газ становится пригодным для обычного использования и подается по газопроводам потребителям или закачивается в газовые баллоны.
Общая технологическая схема типичного берегового терминала для хранения и испарения СПГ приведена на рис. 1. По прибытии на терминал СПГ перекачивается из танкеров-газовозов в резервуары для его хранения в сжиженном виде. Разгрузочные насосы обычно имеют производительность 550–2000 м3/ч и давление на нагнетании 5–7,5 бар изб. Новые газовозы могут оснащаться насосами с более высокими значениями напора.
Испарение СПГ обычно осуществляется при высоких давлениях, варьирующихся от 40 до 80 бар изб. в зависимости от диапазона рабочего давления в трубопроводе. На большинстве береговых терминалов СПГ откачивается из резервуаров-хранилищ с помощью установленных в резервуаре погружных насосов относительно низкого давления (прибл. 10 бар), а затем давление повышается до требуемого высокого давления (прибл. 80 бар) с помощью бустерных насосов. Часть или весь сжиженный природный газ низкого давления направляется через конденсатор для повторного сжижения отпарного газа, образующегося в резервуарах во время нормальной эксплуатации или разгрузки судна.
Насосы СПГ выпускаются уже более 50 лет. Опыт применения подтверждает надежность конструкций, безопасность работы и доступность моделей разной производительности. Существует несколько различных исполнений криогенных насосов.
Выбор насосов СПГ
Следующие базовые параметры должны быть учтены при выборе криогенных насосов и сопутствующего оборудования:
· надежность;
· ремонтопригодность;
· защита окружающей среды;
· капитальные и эксплуатационные затраты;
· сроки реализации проекта;
· конструктивные особенности;
· опыт применения.
Вследствие уникальной конструкции насосов СПГ и требуемых рабочих температур они не могут быть испытаны с использованием воды и должны испытываться с использованием СПГ для проверки характеристик, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации. Испытания на СПГ в условиях, близких к расчетным, позволяют проверить:
- работоспособность электродвигателя и способность к запуску в криогенной жидкости;
- центровку;
- рабочие характеристики насоса, включая проверку значения кавитационного запаса насоса (NPSHr);
- отсутствие внутренних утечек вследствие деформации или усадки при нагрузке на компоненты в реальных условиях эксплуатации.
Конструктивные исполнения насосов СПГ
Традиционно для откачки жидкости из резервуаров используются либо полностью погружные моноблочные насосы (для которых насосная часть и двигатель погружены в перекачиваемую среду), либо полупогружные насосные агрегаты. Наиболее подробно конструкция и различные исполнения полупогружных насосов рассмотрены в стандарте API 610 / ISO 13709 / ГОСТ 32601 (см. рис. 2).
Плюсами полупогружного исполнения насосного агрегата являются более высокие (по сравнению с погружным исполнением) значения КПД ввиду более высоких КПД традиционных электродвигателей «сухой» установки, более низкая стоимость оборудования и запасных частей и простота технического обслуживания двигателя и торцевого уплотнения (т.к. они находятся в прямом доступе).
Однако из-за большой разницы температуры перекачиваемой среды (СПГ) и температуры окружающего воздуха достаточно сложно обеспечить надежность такой конструкции. Поэтому, несмотря на перечисленные плюсы полупогружного исполнения, такие насосы для перекачки СПГ хоть и существуют, но не получили широкого распространения в криогенных применениях.
В настоящее время типовой конструкцией для насоса СПГ стало погружное моноблочное исполнение, при котором электродвигатель также омывается перекачиваемой средой (СПГ). Многие криогенные жидкости не проводят электричество, поэтому двигатель можно погружать в сжиженный газ без риска короткого замыкания обмоток двигателя. Поскольку в резервуаре для сжиженного газа и в корпусе насоса отсутствует кислород, такая конструкция обеспечивает безопасные условия для работы насоса. Т.к. весь насосный агрегат, включая двигатель, погружен в перекачиваемую среду, то отсутствует проблема с утечкой через уплотнения.
Погружная конструкция электродвигателя и исполнение насоса и двигателя на одном валу устраняют проблемы с нагревом двигателя и смазкой подшипников. Такие насосы монтируются как в емкости, так и в колонне.
Насосы СПГ оснащаются либо шарикоподшипниками из нержавеющей стали, либо керамическими шарикоподшипниками. Керамические шариковые подшипники обеспечивают до 5 раз более длительный срок службы до плановой замены. Поскольку демонтаж насоса является сложной и дорогостоящей операцией, выбор керамических подшипников предпочтителен.
На подшипниках и на корпусе насоса, как правило, устанавливаются датчики контроля вибрации. Уплотнение кабельного ввода насоса должно быть обеспечено непрерывной продувкой азотом и ее контролем для обеспечения безопасной работы насоса.
Технические характеристики насоса рассматриваются в качестве основного критерия в процессе выбора оборудования. Все вышеперечисленные факторы учитываются при выборе насосного оборудования.
Часто для максимального опорожнения резервуара/колонны в конструкции насоса предусматривают шнек, повышающий кавитационные характеристики насоса.
Двигатели насосов большой мощности могут быть оснащены устройством плавного пуска или частотно-регулируемым приводом для изменения и регулирования параметров насоса.
В целом для перекачки СПГ на терминалах чаще всего используются следующие типы насосов:
1. Насосы погрузки/разгрузки СПГ и зачистные насосы – центробежные погружные насосы с электроприводом, установленные в резервуаре;
2. Бустерные насосы СПГ высокого давления – центробежные погружные насосы с электроприводом, смонтированные в емкости с приемным патрубком.
Рассмотрим каждый тип насоса подробнее.
Насосы погрузки/отгрузки СПГ и зачистные насосы СПГ – центробежные погружные насосы с электроприводом, установленные в резервуаре
Высота резервуаров СПГ как на судах, так и на наземных сооружениях может достигать 50 м. В таких резервуарах предусмотрена колонна, в которую монтируется погружной насосный агрегат. Насосные агрегаты (см. рис. 3) при этом могут погружаться на различную глубину с помощью подъемного троса; питание электродвигателя осуществляется с помощью гибких криогенных кабелей. Откачка СПГ через боковые стенки резервуара не допускается.
Насосы (см. рис. 4), монтируемые в колоннах в резервуарах, как правило, оснащаются обратными клапанами, поставляемыми производителем насоса. Обратный клапан предотвращает попадание СПГ в насосную колонну, когда насос поднимается для его извлечения из резервуара. Перед демонтажом насоса для технического обслуживания предусмотрена его продувка газообразным азотом для слива СПГ в резервуар.
Резервуары для сжиженного газа после продувки и охлаждения остаются в эксплуатации в течение всего срока службы резервуара. Большие береговые резервуары для сжиженного газа крайне редко выводятся из эксплуатации для внутреннего технического обслуживания или проверки – только в аварийном случае. Поэтому так важно, чтобы конструкция насосной колонны была пригодна для эксплуатации в течение всего срока службы резервуара, который может составлять до 40 лет. Обратный клапан насоса на дне резервуара также должен работать без какого-либо технического обслуживания в течение всего срока службы резервуара.
Также важно, чтобы смонтированные в резервуаре насосы были способны откачивать СПГ до максимально низкого уровня, чтобы свести к минимуму остаточные запасы в резервуаре. Современная конструкция насосов предусматривает наличие предвключенного шнека на всасе для достижения более низких значений кавитационного запаса насоса (NPSHr).
Резервуары для транспортировки сжиженного природного газа обычно снабжены отдельным зачистным насосом (см. рис. 4) для опорожнения судового резервуара цистерны для ее периодического внутреннего осмотра. Зачистные насосы также используются для подачи СПГ в резервуар во время первоначального процесса охлаждения, для охлаждения грузового резервуара во время балластного рейса до прибытия на погрузочный терминал и для выработки дополнительного отпарного газа по мере необходимости. Также они используются для опорожнения судовых резервуаров для хранения в сухом доке через регулярные промежутки времени в соответствии с правилами классификации судна.
Конструктивно эти насосы аналогичны разгрузочным/отгрузочным насосам СПГ, но производительность их значительно меньше. Меньший размер насосов позволяет снизить уровень жидкости в резервуарах до значительно более низкого, чем при использовании более крупных разгрузочных насосов. Как правило, такие насосы одно- или двухступенчатые, производительностью до прибл. 50 м3/ч, напором до прибл. 150 м, потребляемая мощность – до 20–25 кВт. Такие насосы характеризуются еще более низкими значениями кавитационного запаса насоса (NPSHr). Двигатели распылительных и/или зачистных насосов, как правило, низковольтные с частотой вращения 3000 об/мин. Габариты таких насосов обычно не превышают 1 м в высоту, а вес – более 200 кг.
Многоступенчатые насосы для сжиженного природного газа (см. рис. 5) среднего и высокого давления широко используются на терминалах хранения и регазификации сжиженного природного газа. Типовая рабочая точка для такого насоса – расход 500 м3/ч и давление нагнетания 80 бар изб.
Питание электродвигателей для таких насосов, как правило, осуществляется от высоковольтной линии (6 кВ, 10 кВ). Энергопотребление составляет до прибл. 1 МВт; типовое значение КПД – прибл. 75 %.
Насос устанавливается во всасывающем резервуаре, где насос и двигатель полностью погружены в СПГ, что позволяет избежать проблем с утечкой газа, смазкой подшипников и охлаждением двигателя. Эти насосы оснащаются балансировочными механизмами, шнеком на всасе и системой продувки кабельного уплотнения азотом.
Насосы устанавливаются снаружи резервуаров для хранения сжиженного природного газа. СПГ на всас насоса поступает из конденсатора для повторного ожижения и из основного потока после насосов СПГ низкого давления.
Конструкция всасывающего резервуара из нержавеющей стали определяется максимальным напором, который может создаваться насосами низкого давления в резервуаре, и настройками предохранительных клапанов для защиты оборудования и трубопроводов на установке.
