Помпи за нефтената и газовата индустрия

Независимо дали става въпрос за сондажна площадка, терминал за втечнен природен газ (LNG) или тръбопровод за суров петрол, помпите са неизменен компонент от нефтената и газовата индустрия. Преобразувайки механичната енергия, помпите се използват за ускоряване и транспортиране на флуиди от едно място или процес към друг, като размерът на помпата е пропорционален на премествания обем.

Основните видове помпи, широко прилагани в сектора, са обемни и центробежни. Те се използват често като част от три- или многофазни помпени системи, при които един или повече типа помпи работят с всички флуиди - процес, предлагащ намалени разходи за оборудване, улеснена инсталация, подобрена производителност и по-малък отпечатък.

Почти всички видове помпи попадат в споменатите две категории, като центробежните са най-разпространени. Обемните помпи обаче са налични в повече разновидности - зъбни, лобови, перисталтични, винтови и др.

Обемни помпи

Обемните помпи се подразделят на бутални и ротационни, като по-често срещани в нефтения и газовия сектор са буталните. Основни елементи на буталните помпи са бутало, пръстени, клапани и цилиндри. Смукателните клапани се отварят, позволявайки навлизането на нефт или природен газ в цилиндъра при движение на буталото назад.

Тези клапани се затварят, а изпускателните се отварят при придвижването на буталото напред, изтласквайки флуида с повишено налягане в тръбопроводната линия. Уплътнителните елементи, разположени върху буталото, предотвратяват изтичането на нефт или природен газ между буталото и стената на цилиндъра.

При друг вид бутални помпи вместо бутало се използва плунжер, който също се движи назад и напред в цилиндър, но действа само в едно направление. За разлика от помпите с бутало, тук уплътняващите елементи се монтират върху стената на цилиндъра, а не върху плунжера.

В резултат на периодичното изтласкване на флуида от буталата и плунжерите в тръбопровода възникват пулсации в налягането и дебита. За преодоляване на този проблем се инсталират многоцилиндрови агрегати и демпфери, които елиминират пулсациите и намаляват свързаните с тях нежелани вибрации.

Най-често използваните видове ротационни помпи са зъбните и винтовите. Вторият тип ротационни помпи се характеризират с успоредно разположени на малко разстояние един от друг винтове. При въртенето им нефтът или газът се придвижват по продължение на оста на винтовете.

Зъбните помпи работят на същия принцип, но вместо винтове използват зъбни колела. Зъбни и винтови компресори се използват в приложения както с нефт, така и с природен газ с високо налягане. Тези видове помпи понякога намират приложение в линиите за нефт с висок вискозитет, тъй като той не може да се придвижи гладко през цилиндрите на буталните помпи.

Управление на обемни помпи

Обемните помпи са машини с константна производителност - с всеки ход или оборот се изтласква еднакво количество нефт, създавайки достатъчно налягане за преместване на определеното количество флуид. Този вид помпи се управляват с цел постигане на съответствие с необходимите дебити и изходни налягания, както и за осигуряване на безопасна експлоатация.

При нефтопроводите обемните помпи се управляват и за увеличаване и намаляване на смукателното налягане. Ако стойността му падне под парното налягане на нефта, част от него ще се изпари и в помпата ще навлязат мехурчета от пара. При повишаване на налягането от помпата тези мехурчета преминават отново в течно състояние, като енергията, която се освобождава при този процес, може да увреди помпата (кавитация).

Сред най-често прилаганите методи на управление на обемните помпи е контролът на скоростта - помпата изтласква същото количество флуид на един ход или оборот, като се изменя само изпомпваният обем за единица време.

Друг метод е добавянето на регулиращ вентил и линия за рецикъл към изпускателния тръбопровод. С помощта на вентила към смукателната линия се пропуска точно определеното количество нефт, така че да се контролира изходното налягане. Всъщност при рецикъла чрез регулиране на налягането индиректно се контролира дебитът.

Центробежни помпи

Както е известно, този вид помпи използват принципа на центробежната сила за нагнетяване на нефта или природния газ, като основен техен елемент е работното колело. В зависимост от броя на работните колела те се делят на едностъпални, двустъпални и т. н. Работното колело се монтира на хоризонтално или вертикално ориентиран вал. Повечето от големите центробежни помпи и компресори в нефтената и газовата индустрия са хоризонтални.

Вертикалните помпи обикновено се използват като бустерни, за повишаване на смукателното налягане, в случаите когато стойността му не съответства на изискванията на по-големите хоризонтални помпи.

При многостъпални вертикални помпи първото стъпало е позиционирано в началото на поредицата от работни колела, на височина, по-малка от тази на първото стъпало на хоризонтална помпа. По този начин се намалява въздействието на гравитацията върху налягането в системата.

Придаваното от центробежните помпи налягане зависи от два основни фактора - скоростта, с която флуидът напуска работното колело, и теглото на флуида. Скоростта на изходящия флуид се определя от радиуса на въртящия се елемент и скоростта на ротация. При въртенето на работното колело външната му част се движи по-бързо от която и да е точка по-близо до центъра му. Следователно флуидът се ускорява при движението си от центъра към външността и скоростта му се определя от скоростта на въртене на работното колело.

Тъй като обаче външният край на работни колела с по-голям диаметър се движи по-бързо от този на такива с по-малък диаметър, скоростта и налягането зависят и от диаметъра на работното колело.

По отношение на по-леките и по-тежките флуиди в системата, при движение с еднаква скорост по-тежките флуиди имат по-голям момент. Това не е от особено значение за центробежните компресори за природен газ, но е ключов фактор при центробежните помпи за нефт. Помпа, изпомпваща по-тежък продукт (например дизелово гориво), генерира по-високо налягане (напор) в сравнение със същата помпа, изпомпваща например бензин.

Управление на центробежни помпи

Както обемните помпи, и центробежните се управляват с цел постигане на зададените в работните планове параметри и гарантиране на безопасна експлоатация. Ако смукателното налягане стане прекалено ниско, отново възникват проблеми, свързани с кавитация.

Дроселирането и контролът на скоростта са двата най-често прилагани подхода за управление на центробежните помпи. Първият метод изисква инсталирането на регулиращ вентил на изпускателния тръбопровод, като тук обаче няма линия за рецикъл. Вместо това вентилът генерира допълнителни загуби от триене чрез намаляване на дебита.

Контролът на скоростта включва изменяне на скоростта на въртене на работното колело, като увеличаването й с 10% повишава дебита с 10%, изходния напор с 21% и спирачната мощност с 33%. Други два метода за промяна на работните характеристики на центробежните помпи са редуциране на диаметъра на работното колело или отстраняване на едно или няколко работни колела от многостъпални помпи.

Приложения

В преработвателните предприятия от сектора помпите се използват за широка гама от приложения - транспортиране на въглеводородни продукти и питателна вода за котли, охлаждане, пренос и отчитане на обема на химикали, пречистване от киселинни газове и повишаване на налягането.

При добива на нефт помпите намират приложение и за отстраняване на утайки, разделяне на компоненти, източване на резервоари и др. В терминалите за втечнен природен газ се използва голямо разнообразие от специализирани помпи - центробежни, високоскоростни центробежни, обемни, дозиращи и криогенни. Помпите за разтворители в инсталацията за отстраняване на киселинни газове често са сред най-големите съоръжения на терминалите.

Процесът обикновено е разделен на две части - първата включва нисконапорна помпа при висока температура, а втората - високонапорна помпа, работеща при температура, близо до тази на околната среда. Използването на нисконапорната помпа при висока температура спомага за избягване на кавитационни проблеми.

Наситеният с вода от разтворителя газ се дехидратира, след което преминава към скруберна колона, където многостъпална пропанова система охлажда газа до температура -30°C. При тази температура се отделят тежките течни фракции (най-вече бензен и други ароматни съединения).

След това газът постъпва в основния криогенен топлообменник, където се охлажда до -160°C и се втечнява при атмосферно налягане. Помпите за втечнен природен газ в този процес са специално проектирани за криогенни условия и се монтират заедно с двигателите си в контейнер, който се запълва с LNG при експлоатация.

Основни съображения

Процесите в нефтената и газовата индустрия - добив, транспортиране и рафиниране, налагат използването на най-висококачествено и надеждно оборудване. Често помпите трябва да работят в екстремни условия на околната среда, например много високи или ниски налягания и температури в зависимост от приложението.

Поради това помпите следва да бъдат конструирани от материали, които издържат на широк диапазон от работни условия и не взаимодействат с който и да е от химикалите, с които встъпват в контакт. Изборът на конструкционен материал обикновено се определя от фактори като предотвратяване на корозия, окисление и натрупване на отлагания по компонентите на помпата. Понякога е необходимо помпите да позволяват работа и с абразивни или летливи материали.

В повечето случаи както помпите, така и останалото оборудване за нефтената и газовата промишленост, са високоспециализирани за конкретно приложение и трябва да съответстват на редица стандарти. Работата с взривоопасни продукти определя като основен приоритет в проектирането и конструирането на помпите издръжливостта на корпуса им.

Възникването на неизправност при тези помпи е свързано с огромни разходи и риск от въздействие върху околната среда, поради което надеждността и безопасността се превръщат в изключително важни фактори.

Други съображения от водещо значение включват точност при измерване, гъвкавост при експлоатация, ефективност и изисквания за поддръжка. В някои случаи се налага помпите да бъдат и преносими, тъй като понякога е необходимо преместването им от една производствена площадка до друга.

Това са само някои от важните елементи, които трябва да бъдат взети предвид при специфицирането на помпи и оборудване за нефтения и газовия сектор. Като индустрия, в която толерансът към грешки е малък, качеството, съответствието с конкретното приложение и надеждността на помпените системи са жизнено важни за осигуряването на ефективна, безопасна и икономична работа.