Насосы жидкостные криогенные

Пособие криогенщика

Для формализации опыта по криогенной технике и технологии, а также для его передачи молодым специалистам, которые хотят связать свою профессиональную деятельность с отраслью, мы подготовили подготовил постер с полезной информацией по насосам жидкостным криогенным.

Назначение пособия

• Если читатель знаком с научными основами специальности, то материалы будут полезны для составления дорожной карты для подробного изучения определенной темы;
• Для использования в качестве справочных материалов, чтобы освежить знания при необходимости их использования для решения текущих прикладных задач;
• В качестве раздаточных материалов для обучения или введения в суть дела команды проекта, состоящей из специалистов различных направлений подготовки, далеких от криогенной техники.

Содержание постера

При проектировании и эксплуатации криогенных систем надежность насосного оборудования является одним из ключевых факторов. В представленном материале кратко изложены основные принципы работы, классификация, методы испытаний и практические рекомендации по монтажу центробежных криогенных насосов, используемых для перекачивания жидких агентов. Особое внимание уделено вопросам обеспечения кавитационного запаса (NPSH), подбора параметров и правильной обвязки насосов для стабильной работы в непрерывном и периодическом режимах.

В состав постера по теме Насосы жидкостные криогенные входят следующие темы:

• Классификация криогенных насосов: непрерывного и периодического действия;
• Конструктивные особенности, принцип работы и области применения;
• Методика заводских испытаний (стенд, параметры, пересчёт характеристик);
• Кавитация: определение, параметры NPSHa и NPSHr, последствия;
• Практические требования к монтажу трубопроводов (всасывание, нагнетание, байпас);
• Способы повышения кавитационного запаса системы.

Загрузить постер в оригинальной версии

Пособие криогенщика

насосы жидкостные криогенные

Назначение жидкостных криогенных насосов

Криогенные насосы используются для:

• перекачивания жидких криогенных агентов из танков в автомобильные цистерны, сосуды Дьюара и пр.;
• транспортировки жидких криогенных агентов по трубопроводам (преимущественно в экранно-вакуумной изоляции) потребителям;
• подачи криогенных агентов в расходные емкости (емкости подъема давления) перед продукционными испарителями;
• внутреннего сжатия жидких продуктов разделения воздуха в пределах холодного блока для их выдачи в газообразном виде из установки под давлением, близким к критическому.

Компоновка насоса центробежного жидкостного криогенного непрерывного действия представлена на рисунке 1.

Обозначения на рисунке 1: 1 - клапан отсечной; 2 - клапан прецизионной регулировки давления.

Классификация жидкостных криогенных насосов

Классификация жидкостных криогенных насосов в общем случае представлена на рисунке 2.

Особенности жидкостных криогенных насосов

На практике в силу большей конструктивной надежности и простоты эксплуатации широко используются центробежные жидкостные криогенные насосы. В зависимости от технологических особенностей режимов работы центробежные насосы разделяются на насосы непрерывного и периодического действия.

Насосы непрерывного действия

Насосы непрерывного действия – насосы, функционирующие в рамках некоторого технологического процесса непрерывно в
течение более 8 часов без необходимости останова для отогрева уплотнений.

Для обеспечения непрерывного режима работы в конструкции насосов используются газовые лабиритные уплотнения (см. рисунок 3) с непрерывной подачей уплотняющего газа (чаще сухой азот, реже - очищенный и осушенный воздух).

Газовые уплотнения предотвращают попадание и замерзание влаги из воздуха в зазорах сопряженных деталей и снижают конструктивную сложность обеспечения компенсации линейных температурных расширений при захолаживании и отогреве.

С целью снижения утечек и повышения эффективности насоса конструктивные радиальные зазоры в уплотнениях не превышают 5 мкм, а статическое давление, обеспечиваемое в системе уплотнений, поддерживается прецизионными регуляторами относительно эталонного значения давления за покрывным диском рабочего колеса на уровне 0,1...0,2 бар. Расход уплотняющего газа 10-25 нм3/ч.

Насосы этого типа применяются в качестве технологических для непрерывного перекачивания потоков между аппаратами криогенной системы, а также для реализации внутреннего сжатия перед газификацией в теплообменном аппарате.

Зачастую холодная сторона насосов непрерывного действия помещается в изолированный перлитовым песком кожух (pump box).

Насосы периодического действия

Насосы периодического действия – насосы, функционирующие непрерывно в течение не более 8 часов с последующим принципиально необходимым остановом для отогрева элементов механического уплотнения. Рекомендуемая продолжительность работы насосов периодического действия - не более 3 часов.

Конструкция механического уплотнения представлена на рисунке 4. Принцип действия уплотнения основан на переходе от непосредственно изолирования радиального зазора к обеспечению плотного контакта подвижного (поз. 1) и неподвижного (поз. 2) колец ротора и статора в осевом направлении. Металлы и Фторопласт-4 (Ф-4) образуют антифрикционные пары с высоким показателем износостойкостью.

Обозначения на рисунке 3: 1 - кольцо ротора (Ni); 2 - кольцо статора (Ф-4); 3 - уплотнение осевое (Cu); 4, 6 - уплотнение O-ring (нитрильный каучук), 5 - корпус (аустенитная сталь), 7 - экран противоискровой (аустенитная сталь), 8 - уплотнение (Ф-4); 9 - компенсатор (аустенитная сталь).

Компенсация линейных температурных расширений осуществляется посредством гибкого компенсатора (поз. 9). Работа механического уплотнения может сопровождаться сухим контактом сопрягаемых деталей, поэтому в конструкции предусматривается противоискровой рукав (поз. 7).

Насосы этого типа применяются для слива жидкости из криогенных танков в автомобильные полуприцепы-цистерны или другие емкости. Как правило насосы периодического действия не помещают под тепловую изоляцию для обеспечения возможности визуального контроля состояния элементов машины, в том числе узла механического уплотнения.

Испытания жидкостных криогенных насосов

Основная цель заводских испытаний криогенных насосов - подтвердить работоспособность машины при захолаживании элементов ее конструкции до рабочей температуры. В ходе испытаний выявляются механические дефекты, связанные с отклонением от конструктивных зазоров и повышенным дисбалансом ротора, приводящие к повышенному энергопотреблению, перегреву обмоток статора электродвигателя или заклиниванию ротора.

Схема стенда для испытания криогенных насосов представлена на рисунке 5. Пневматическая обвязка системы уплотнений соответствует центробежному насосу непрерывного действия. На всех участках трубопроводов, отсекаемых запорными клапанами, предусматриваются предохранительные клапаны.

Насосы, работающие со средой жидкого кислорода и аргона, часто испытывают в контуре с жидким азотом в силу его относительной инертности, низкой стоимости и безопасности реализации процесса испытаний.

В процессе испытаний для каждого насоса снимаются гидравлические и энергетические характеристики (см. рисунок 6): напор - расход, КПД - расход, мощность - расход и NPSHr - расход. Изменение расхода в системе обеспечивается за счет «подпора» потока на нагнетании клапаном KV1. Рабочая точка, определенная с опорой на характеристику сети нагнетания, часто находится в центре рабочего диапазона напор-расходной кривой насоса.

Если предусмотрено регулирование частоты питающего тока электродвигателя (40-55 Гц), то для последующего аналитического моделирования насоса необходимо зафиксировать значения в не менее чем трех точках для каждого параметра для не менее трех различных частот питающего тока. Отклонение характеристик в меньшую сторону допускается не более чем на 0,5 % относительно расчетных значений параметров.

Для определения параметра NPSHr при помощи клапана KV2 создают дополнительное сопротивление на всасывающем трубопроводе, что приводит к уменьшению запаса системы по кавитации NPSHa. По резкому изменению давления нагнетания, потере напора, возрастающему шуму и вибрации определяют границу возникновения кавитации. К полученному значению напора, зафиксированному в этом момент, добавляют 3 %, чтобы получить значение NPSHr.

Кривые производительности жидкостных криогенных насосов

Например, испытания кислородного насоса проводятся на азоте. В состав испытательного стенда входит изотермический танк, пары из которого удаляются в атмосферу или реконденсатор азота, а давление над зеркалом жидкости в танке поддерживается регулятором на уровне 150 кПа.

В процессе испытания криогенных насосов контролируется:

• \(P_{т}\) - давление над зеркалом жидкости в танке;
• \(P_{вс}\) - давление на всасывании насоса;
• \(P_{нагн}\) - давление на нагнетании насоса.

Плотность переохлажденного азота \(ρ_{Ν_{2}.вс}=790.2\;кг/м^3\)на входе в насос вычисляется при параметрах:

• давление на входе в насос (\(P_{вс} = 158\;кПа\));
• температура вычисляется для насыщенного состояния при давлении над зеркалом жидкости в танке (\(P_{т} = 150\;кПа → T_s (P_{т}) = 80.8\;K\)).

При аналогичных параметрах определяется плотность среды при условиях эксплуатации - для кислорода \(ρ_{O_{2}.вс}=1121.4 \;кг/м^3\). Давление на нагнетании насоса в процессе испытаний \(P_{нагн} = 2635\;кПа\).

Тогда напор, создаваемый насосом:

В зависимости от типа насоса параметры могут быть связаны следующим образом:

• для центробежных насосов напор одинаков для сред с различной плотностью, т.е. при работе на кислороде насос, испытанный на азоте, обеспечит такой же напор.
• для поршневых (плунжерных) насосов постоянным остается давление на нагнетании, поскольку определяется настройкой срабатывания клапанов.

Пересчет характеристик центробежных насосов

Для жидкостных центробежных насосов пересчет основных характеристик при работе на отличной от проектной рабочей среды  осуществляется следующим образом:

• Напор - остается постоянным для различных сред;
• Давление на нагнетании - \(p_2 = p_1·(ρ_2/ρ_1)\);
• Мощность - \(N_2=N_1·(ρ_2/ρ_1)\);
• Расход - остается примерно постоянным для различных сред;
• КПД - изменение зависит от разницы вязкостей сред;
• NPSHr - остается примерно постоянным для различных сред.

Пересчет характеристик поршневых (плунжерных) насосов

Для жидкостных поршневых (плунерных) насосов пересчет основных характеристик при работе на отличной от проектной рабочей среды  осуществляется следующим образом:

• Напор - \(H_2=H_1·(ρ_1/ρ_2)\);
• Расход - остается примерно постоянным;
• Давление на нагнетании - остается постоянным;
• Мощность - \(N_2=N_1·(ρ_2/ρ_1)\).

Кавитация и кавитационный запас системы с криогенным жидкостным насосом

Кавитация - явление вскипания и последующего схлопывания (имплозии) пузырьков пара в потоке жидкости, возникающее в зонах локального падения давления ниже давления насыщения жидкости при рабочей (текущей) температуре. Негативные последствия, вызываемые кавитацией, - эрозия металла, шум, вибрация, снижение напора, пульсации давления нагнетания, снижение эффективности работы насоса. Для каждой системы с насосом определены параметры NPSHa и NPSHr.

NPSHa (Net Positive Suction Head available) - избыточный (доступный) в системе напор над давлением насыщения, предотвращающий зарождение и развитие процесса кавитации.

NPSHa является характеристикой системы с насосом, т.е. определяется для совокупности аппаратов, трубопроводов, арматуры и непосредственно насоса.

NPSHr (Net Positive Suction Head required) - минимальный напор над давлением насыщения, требуемый непосредственно насосом во всасывающем патрубке для предотвращения зарождения и развития кавитации.

NPSHr является характеристикой насоса и определяется в процессе его испытаний.

Для более плотных сред значение NPSHr выше. Например, для азота и кислорода (800...1100 кг/м3) типовое значение NPSHr = 1,2 м, а для аргона (1370 кг/м3) NPSHr = 1,7 м. К значению NPSHr, снятому с характеристики насоса, рекомендуется дополнительно прибавлять напор 0,5...1,5 м для компенсации неучтенных гидравлических и других потерь.

В зависимости от технологических особенностей системы с насосом для нее могут быть определены запасы по кавитации относительно нескольких уровней жидкости в криогенном танке (см. рисунок 7):

• NPSHa, обеспечиваемый относитель минимального инструментального уровня жидкости в танке, т.е. значения уровня (\(H_{иснтр}\)), принятого в качестве минимальной уставки для сигнализации оператору.
• NPSHa, обеспечиваемый относитель минимального во внутренней емкости жидкости в танке, т.е. значения уровня (\(H_{емк}\)), при котором последняя капля жидкости будет слива из внутреннего сосуда криогенного танка.
• NPSHa, обеспечиваемый относитель уровня сливного штуцера танка, т.е. значения уровня (\(H_{шт}\)), при котором последняя капля жидкости будет слива из сливных трубопроводов криогенного танка.

Методы обеспечения запаса системы по кавитации

Конструктивные методы

Трубопровод всасывания должен:

• быть как можно более коротким;
• иметь минимальное гидравлическое сопротивление;
• быть помещен в тепловую изоляцию;
• иметь уклон в сторону насоса.

Патрубок всасывания должен быть помещен в тепловую изоляцию, сохраняющую свои свойства с учетом проектных нагрузок на штуцеры.

Клапаны, установленные на линии всасывания, должны иметь проходной диаметр большего значения, чем основной трубопровод.

Количество клапанов, установленных на линии всасывания, должно быть минимальным.

Технологические методы

Увеличение инструментального уровня жидкости в танке для повышения нивелирного напора относительно патрубка всасывания насоса.

Снижение температуры жидкости в танке за счет отвода паров над зеркалом жидкости.

Повышение давления над зеркалом жидкости в изотермическом танке (наддув) за счет газификации части жидкости в испарителе подъема давления.

Рекомендации по обвязке криогенных жидкостных насосов

При обвязки криогенных насосов следует выполнять ряд рекомендаций, которые увеличат срок службы машины и снизят вероятность возникновения кавитации в систем (см. рисунок 7 и рисунок 8).

На стороне всасывания

1. Диаметр патрубка слива жидкости из танка должен быть меньше, чем диаметр патрубка всасывания.
2. Трубопроводы должны быть как можно более короткими, особенно на стороне всасывания.
3. Необходимо предусматривать уклон трубопровода от патрубка слива жидкости из танка в сторону патрубка всасывания насоса.
4. Следует применять эксцентриковые переходы для изменения диаметра трубопроводов для исключения образования паровых (газовых) мешков и нарушения нормальной работы насоса.
5. Насосы, установленные параллельно, должны иметь равные по длине трубопроводы всасывания и одинаковое гидравлическое сопротивление.
6. Отсечные клапаны параллельно подключенных насосов на каждом всасывающем трубопроводе должны быть установлены как можно ближе к точке разветвления.

На стороне нагнетания

1. Диаметр байпасной линии должен быть меньше или равен диаметру патрубка нагнетания.
2. Все трубопроводы, особенно на стороне всасывания и байпасной линии, должны быть помещены под тепловую изоляцию для предотвращения образования паровой фазы.
3. Диаметр нагнетательного трубопровода по возможности должен быть равен диаметру патрубка нагнетания насоса.
4. В верхней точке нагнетательного трубопровода необходимо устанавливать спускной клапан для ускорения захолаживания системы. Диаметр спускной линии должен быть на 1-3 калибра меньше, чем диаметр патрубка нагнетания.
5. Ближайшее колено на нагнетательном патрубке должно располагаться как можно дальше от улитки насоса. Рекомендуется выдерживать не менее 5 калибров нагнетательного патрубка (5D) и не менее 250 мм.
6. На стороне нагнетания должен быть установлен прибор контроля давления, при превышении значений на котором выше значения уставки, частота питающего тока должна быть уменьшена или должен быть остановлен электродвигатель насоса.