Высокоэффективные винтовые насосы

Винтовые насосы

История винтовых насосов, широко применяемых в различных отраслях промышленности, весьма обширна. При постоянном росте эксплуатационных требований разработчики насосов вынуждены искать новые пути их усовершенствования. В результате появились насосы с большим предельным давлением и расходом, с повышен- ной износоустойчивостью, коррозийной стойкостью, более высоким КПД и с меньшими потерями утечек.

Считается, что первый винтовой насос был сконструирован еще по рисунку Архимеда и мог поднимать значительный объем воды на небольшую высоту. Подобные насосы производятся до сих пор и предназначены для тех же целей.

В отличие от центробежных, винтовые насосы обладают очень высокой производительностью при перекачивании вязких жидкостей, таких как тяжелая нефть, флотский или топочный мазут и низко сернистое топливо. При подаче жидкостей вязкостью более 20 сСт центробежные насосы заметно уступают по своей эффективности винтовым (рис. 1). Использование винтовых насосов обеспечивает не только экономию энергии, но и снижение первоначальных затрат на системы управления, пусковую систему и кабельную сеть.

По словам Дюшуанта Мехра, аналитика консалтинговой компании Frost & Sullivan, «в настоящее время все усилия разработчиков нефтегазовых насосов направлены на повышение их производительности при минимальных затратах на энергию» [1]. В стремлении достичь большей продуктивности насосных установок предприятия используют самые эффективные технологии, предпочитая винтовые насосы центробежным. На рис. 2 можно увидеть, что их производительность остается чрезвычайно высокой при широком диапазоне давлений на выходе. В винтовых насосах каждый виток винтовой нарезки формирует новую ступень повышения давления. Насосы высокого давления состоят из 5-12 ступеней, или витков, в то время как в низконапорных насосах их может быть всего лишь 2 или 3. Эта зависимость предельного давления от количества ступеней представлена на рис. 3. Для увеличения напора насоса в нем объединяют несколько винтов. История винтовых насосов, широко применяемых в различных отраслях промышленности, весьма обширна. При постоянном росте эксплуатационных требований разработчики насосов вынуждены искать новые пути их усовершенствования. В результате появились насосы с большим предельным давлением и расходом, с повышенной износоустойчивостью, коррозийной стойкостью, более высоким КПД и с меньшими потерями утечек.

Считается, что первый винтовой насос был сконструирован еще по рисунку Архимеда и мог поднимать значительный объем воды на небольшую высоту. Подобные насосы производятся до сих пор и предназначены для тех же целей.

В отличие от центробежных, винтовые насосы обладают очень высокой производительностью при перекачивании вязких жидкостей, таких как тяжелая нефть, флотский или топочный мазут и низкосернистое топливо. При подаче жидкостей вязкостью более 20 сСт центробежные насосы заметно уступают по своей эффективности винтовым (рис. 1). Использование винтовых насосов обеспечивает не только экономию энергии, но и снижение первоначальных затрат на системы управления, пусковую систему и кабельную сеть. По словам Дюшуанта Мехра, аналитика консалтинговой компании Frost & Sullivan, «в настоящее время все усилия разработчиков нефтегазовых насосов направлены на повышение их производительности при минимальных затратах на энергию» [1]. В стремлении достичь большей продуктивности насосных установок предприятия используют самые эффективные технологии, предпочитая винтовые насосы центробежным. На рис. 2 можно увидеть, что их производительность остается чрезвычайно высокой при широком диапазоне давлений на выходе. В винтовых насосах каждый виток винтовой нарезки формирует новую ступень повышения давления. Насосы высокого давления состоят из 5-12 ступеней, или витков, в то время как в низконапорных насосах их может быть всего лишь 2 или 3. Эта зависимость предельного давления от количества ступеней представлена на рис. 3. Для увеличения напора насоса в нем объединяют несколько винтов.

Назначение

Современные двухвинтовые насосы высокоэффективны, обеспечивают производительность до 4 000 м3/ч и давление нагнетания до 100 бар, и, кроме того, могут перекачивать агрессивные жидкости. Благодаря их применению в процессе деасфальтизации тяжелых нефтяных фракций (ROSE), с тало возможным перекачивание жидкостей с температурой до 315 °С. Насос включен в технологическую цепочку следующим образом: распределительные шестерни и подшипники принудительно охлаждаются, в то время как корпус насоса находится в рубашке для обеспечения циркуляции горячей нефти. Это позволяет постепенно адаптировать насос к температуре технологического процесса. Двухвинтовые насосы могут справляться с такими техническими задачами, которые не под силу многим другим типам насосов, в том числе и трехвинтовым. Они незаменимы для оборудования с низким давлением на входе, особенно если при этом необходимо перемещать большие объемы жидкости. Наравне с трехвинтовыми насосами они находят применение в системах трубопроводов сырой нефти, технологиях перемещения вязких жидкостей и мономера для производства синтетического волокна, системах разгрузки барж, нефтяной форсунке и процессах перекачивания котельного топлива. Существуют направления, в которых двух- и трехвинтовые насосы находят уникальное применение:

• производство связующих материалов (адгезивов);
• обработка высокообводненной сырой нефти;
• перекачка светлых нефтепродуктов при высокой температуре;
• производство нитроцеллюлозы;
• перекачка газонефтяной смеси;
• промывка резервуаров с остаточным количеством жидкости;
• удаление смеси жидкостей с балластной водой из корабельных резервуаров.

Устройство и принцип работы

Самая распространенная конструкция двухвинтовых насосов – насос двухстороннего типа. Благодаря симметричности участков винтовой нарезки, направленных навстречу друг другу, возникает взаимная компенсация осевой силы от сил давления перекачиваемой жидкости. Насосные винты не соприкасаются друг с другом и изготовлены из коррозионностойких материалов. Распределительные шестерни синхронизируют винтовое зацепление и передают половину общей подводимой мощности с ведущего ротора на ведомый. Поток жидкости на входе и мощность распределяются поровну между двумя валами. На каждом конце вала установлен опорный подшипник, берущий на себя радиальные гидравлические нагрузки. Распределительные шестерни и подшипники не соприкасаются с перекачиваемой жидкостью, поэтому ее свойства, например смазывающая способность или чистота, не имеют для них никакого значения. Они изолированы от внутренней среды четырьмя уплотнениями по валу и не испытывают на себе воздействия внешних условий.

На рис. 4 показано действие радиальных сил на ротор двухвинтового насоса в зависимости от перепада давлениям. Они распределяются равномерно вдоль всей длины участков винтовой нарезки, что приводит к их прогибу, поэтому в корпусе насоса обязательно предусматривается рабочий зазор. Величина прогиба должна быть сведена к минимуму, поскольку увеличение деформации приводит к большему рабочему зазору, и, как следствие, к утечкам или объемным потерям. Чрезмерный прогиб может повредить корпус и ускорить накопление усталости от вращения в искривленном состоянии, что неизбежно повлечет поломку вала. Увеличению прогиба препятствуют валы большого диаметра и большого сплошного сечения вала.

В зависимости от направления нарезки винтов (влево или вправо) и направления вращения валов, их прогиб определяется в процессе проектирования. Нагрузки от прогиба воспринимаются роликовыми подшипниками с наружной смазкой. Радиальные нагрузки прямо пропорциональны дифференциальному давлению в насосе. Меньший угол подъёма винтов (меньший шаг нарезки) может сократить эти нагрузки, но в то же время снизит и производительность. Подшипники, как правило, подбираются таких типоразмеров, чтобы обеспечить срок службы до 25 000 часов или более при максимально допустимых радиальных нагрузках и максимально возможной скорости перекачивания жидкостей. Благодаря такой схеме смазки подшипников, работающих изолированно от перекачиваемой жидкости, двухвинтовые насосы с наружными распределительными шестернями могут наравне со светлыми нефтепродуктами, водой и прочими жидкостями качать и газожидкостную смесь Двухвинтовые насосы производятся из самых разнообразных материалов, включая нержавеющую сталь. Если существует большая вероятность появления коррозионного налет, а между смежными деталями насоса, то зазор между ними увеличивают, чтобы максимально сократить риск соприкосновения в случае нарушения технологического режима. Кроме того, отверстия в корпусе, в которых вращаются винты, могут быть покрыты слоем твердого хрома, что также сокращает опасность коррозионного налета и обеспечивает большую износостойкость. После покрытия канавки подвергаются процедуре внутреннего шлифования для обеспечения нужной точности и создания необходимых зазоров.

Если насос предназначен для перекачки жидкостей с высоким содержанием абразивных примесей, то на внешнюю поверхность винтов наносятся твердосплавные покрытия, повышающие стойкость к истиранию. Чаще всего для этого используются такие сплавы, как карбид вольфрама, стеллит, оксид хрома, диоксид алюминия и титана и др. Винтовые насосы прекрасно справляются с целым рядом технологических задач, например, с перекачиванием средне- и высоковязких жидкостей. Однако они мало подходят для подачи маловязких жидкостей при высоком давлении нагнетания и небольшом расходе (менее 100 м3/ч) При подобном сочетании условий заметно снижается их эффективность. А именно такой режим характерен для трубопровода перекачки сырой нефти, где и прибегают к помощи поршневых насосов, прекрасно справляющихся с этой задачей. Поршневые насосы обязательно оснащены ресиверами для гашения пульсации на входе и выходе из насоса. Это дает возможность избежать чрезмерных пульсаций давления в системе трубопровода, что может представлять опасность для окружающей среды в случае его разрыва от пиковых давлений и усталостных нагрузок. Сейчас ведутся активные разработки по усовершенствованию поршневых насосов, в результате чего появятся модели с повышенной производительностью и лучшими рабочими параметрами, способные справляться с более широким кругом задач. Винтовые насосы незаменимы для многих отраслей нефтегазовой промышленности и гарантированно окупают затраты на приобретение и эксплуатацию благодаря высокой производительности, запасу устойчивости, компактности, они не требуют больших затрат для поддержания в рабочем состоянии.