Как выбрать высокоскоростной насос API 610 OH6: соображения по расходу, напору и NPSH
Как выбрать высокоскоростной насос API 610 OH6: практическое руководство для инженеров
Выбор правильного высокоскоростного центробежного насоса API 610 OH6 со встроенным редуктором — это решение, которое определяет надежность установки, энергопотребление и объем технического обслуживания на десятилетия вперед. Инженеры-технологи, управлявшие парком насосов на действующих нефтеперерабатывающих заводах, знают, что ошибка при выборе, обнаруженная во время ввода в эксплуатацию, обходится в десять раз дороже, чем ошибка, выявленная на этапе проектирования. Данное руководство основано на практическом опыте эксплуатации, подбора и устранения неисправностей насосов OH6 в установках гидроочистки, блоках осушки газа и нефтехимических перекачивающих станциях. Каждый раздел содержит реальные вопросы, заданные инженерами на объектах в ходе проектов, с ответами, отражающими суждения, полученные как от успешных установок, так и от уроков, извлеченных из неудач.
1. Понимание архитектуры насоса API 610 OH6
Насос API 610 OH6 — это вертикальный, встроенный, одноступенчатый центробежный насос с консольным рабочим колесом и встроенным редуктором. Его отличительной особенностью является повышающий редуктор, интегрированный непосредственно в корпус насоса, который увеличивает скорость вращения двигателя (обычно 1500–3600 об/мин) до скоростей рабочего колеса от 8000 до 25 000 об/мин. Это увеличение скорости позволяет одной ступени рабочего колеса создавать напор, для создания которого в обычном горизонтальном многоступенчатом насосе с корпусом типа «бочка» потребовалось бы от трех до пяти ступеней. В результате получается компактная вертикальная конструкция, занимающая часто на 70% меньше места, чем эквивалентный многоступенчатый агрегат, что делает его предпочтительным выбором для применений с низким расходом и высоким напором, где ограничено пространство и ценится доступность для обслуживания.
Сам редуктор представляет собой одноступенчатый косозубый зубчатый механизм, смазываемый встроенным масляным насосом, приводимым в движение от вала, с воздушным охладителем. Рабочее колесо установлено непосредственно на валу высокоскоростной шестерни, консольно закреплено на внутреннем подшипнике, что исключает необходимость в отдельной муфте и выравнивании, присущих отдельно стоящей конструкции редуктора. Эта простота конструкции является основной причиной более высокой надежности насосов OH6 по сравнению с отдельно соединенными высокоскоростными насосными агрегатами.
В: Наша проектная группа обсуждает выбор между насосом API 610 OH6 со встроенным редуктором и горизонтальным насосом OH2 с отдельным редуктором. В чем реальная разница в надежности?
По данным технического обслуживания, собранным на трех нефтеперерабатывающих заводах, эксплуатирующих параллельные установки обеих конфигураций в течение десяти лет, конфигурация OH6 стабильно показывает на 30–40% меньше незапланированных событий технического обслуживания. Основной причиной являются отказы, связанные с муфтой, в установке OH2 с редуктором: несоосность муфты, усталость проставки и ослабление болтов муфты составляют более 40% незапланированных остановок в отдельно соединенных высокоскоростных насосных агрегатах. Интегральная конструкция OH6 полностью исключает эти виды отказов. Кроме того, вертикальная конфигурация OH6 обеспечивает самовентилирующийся корпус, устраняющий необходимость ручного стравливания воздуха при пуске, что является частой причиной повреждений от сухого хода в горизонтальных высокоскоростных насосах, когда операторы могут забыть открыть выпускные клапаны перед запуском.
2. Определение требований к расходу: метод трех точек
Точное определение расхода требует установления трех различных рабочих точек: минимальный непрерывный стабильный расход, нормальный рабочий расход и номинальный расход. API 610 предписывает, что насос должен работать без превышения пределов вибрации между минимальным непрерывным стабильным расходом и концом кривой, причем предпочтительный рабочий диапазон охватывает от 70% до 110% расхода при максимальной КПД.
Для насосов OH6 практический диапазон расхода составляет примерно от 3 до 300 м³/ч. Ниже 3 м³/ч каналы рабочего колеса становятся непрактично узкими, создавая риск засорения даже от незначительного отложения накипи в трубопроводе. Выше 300 м³/ч экономическое уравнение смещается в сторону горизонтальных многоступенчатых насосов с разъемным корпусом, которые обеспечивают превосходную эффективность при более высоких удельных скоростях.
При определении номинального расхода опытные инженеры-технологи включают запас в 10–15% сверх текущей мощности установки для учета будущих работ по устранению узких мест. Это позволяет избежать дорогостоящего сценария, который неоднократно наблюдался на старых нефтеперерабатывающих заводах, когда проект расширения мощностей останавливается из-за того, что существующие насосы не могут обеспечить новый расход, а свободного места для более крупных агрегатов нет.
В: На листе данных нашего насоса указан номинальный расход 85 м³/ч, но тепловой и материальный баланс от лицензиара процесса указывает нормальный расход 72 м³/ч. Является ли 18% запас между нормальным и номинальным расходом чрезмерным?
18% запас на самом деле является разумным, а не чрезмерным для непрерывных технологических процессов. Стандарт API 610 требует, чтобы номинальный расход включал все указанные запасы, а отраслевая практика для нефтеперерабатывающих производств обычно применяет 10–20% сверх нормального расхода. Ключевым фактором является то, насколько правильно позиционирована точка максимальной КПД насоса относительно нормальной рабочей точки. Если точка максимальной КПД выбранного рабочего колеса находится примерно при 80–90 м³/ч, то ваш нормальный расход 72 м³/ч находится в диапазоне 80–90% от максимальной КПД — хорошо в пределах предпочтительного рабочего диапазона — а номинальный расход 85 м³/ч находится чуть за пределами максимальной КПД, где КПД остается высокой. Стоимость запаса минимальна: насос, рассчитанный на номинальный расход 85 м³/ч, обычно стоит менее чем на 5% дороже, чем насос, рассчитанный на 72 м³/ч, в то время как стоимость замены насоса недостаточной мощности во время будущей модернизации может превысить эту надбавку в десять раз, если учесть затраты на строительство, мобилизацию крана и время простоя производства.
3. Расчет перепада напора: за пределами кривой насоса
Перепад напора — это чистая энергия, добавляемая к жидкости, выраженная в метрах столба жидкости. Точный расчет требует полного гидравлического анализа всасывающего и напорного трубопроводов, учитывающего статическую высоту, разницу давлений в сосудах и все потери на трение в компонентах трубопровода и оборудовании на линии.
Для насосов OH6 практический диапазон напора составляет примерно от 200 м до 2500 м, достигаемый за счет комбинации диаметра рабочего колеса и скорости вращения, регулируемых законами подобия. Поскольку напор увеличивается пропорционально квадрату скорости на периферии рабочего колеса, удвоение скорости вращения через редуктор увеличивает создаваемый напор в четыре раза при том же диаметре рабочего колеса.
Критическое наблюдение на объекте, которое инженеры-проектировщики часто упускают из виду, — это влияние старения трубопровода на потери на трение. Трубопроводы из углеродистой стали в углеводородных средах развивают внутреннюю шероховатость от 0,5 до 1,5 мм после десяти-пятнадцати лет эксплуатации по сравнению с 0,046 мм для новой коммерческой стали. Это увеличение шероховатости может увеличить напор на трение на 40–60% по сравнению с расчетами для новых труб. Инженеры, использующие предположения для новых труб, обнаруживают через несколько лет эксплуатации, что их насосы больше не могут достигать требуемого давления на выходе, несмотря на то, что они были правильно рассчитаны на бумаге во время выбора.
В: Расчетный полный динамический напор при номинальном расходе составляет 1380 м. Поставщик насоса предлагает двухступенчатую конфигурацию на общем редукторе вместо одноступенчатой конструкции при более высокой скорости. Что обуславливает эту рекомендацию?
Поставщик, вероятно, оптимизирует удельную скорость рабочего колеса и роторную динамическую устойчивость. При напоре 1380 м в одну ступень рабочее колесо должно работать с очень высокой скоростью на периферии, что выводит удельную скорость в диапазон, где гидравлическая эффективность значительно снижается, а диаметр входного отверстия рабочего колеса становится очень малым, создавая производственные трудности и делая рабочее колесо чувствительным к незначительным вариациям отливки. Разделяя напор на две ступени, каждая ступень работает при более благоприятной удельной скорости с лучшей эффективностью и более прочной геометрией рабочего колеса. Редуктор просто приводит в движение два ведущих вала вместо одного, а расположение рабочих колес спина к спине обеспечивает внутреннюю балансировку осевой силы. Увеличение капитальных затрат составляет примерно 20–25% за счет дополнительного корпуса ступени и межступенчатых соединительных трубопроводов, но повышение эффективности на 5–8 процентных пунктов при данной удельной скорости обычно окупает дополнительные затраты за счет экономии энергии в течение двух-трех лет непрерывной эксплуатации. Для насоса мощностью 200 кВт, работающего 8000 часов в год, улучшение эффективности на 6% экономит примерно 9600 долларов США в год при цене 0,10 доллара США за кВт·ч.
4. Анализ NPSH: запас, предотвращающий кавитацию
Анализ чистого положительного всасывающего напора (NPSH) является наиболее критическим этапом при выборе насоса OH6, поскольку высокоскоростные рабочие колеса, работающие на скоростях 15 000–25 000 об/мин, более подвержены кавитации, чем низкоскоростные рабочие колеса, из-за более высоких локализованных скоростей на входе в рабочее колесо, создающих более низкие статические давления.
API 610 устанавливает минимальное соотношение запаса NPSH (NPSHa, деленное на NPSHr) не менее 1,3 для углеводородных сред и 1,5 для водных сред. Для насосов OH6 многие конечные пользователи указывают минимальное соотношение NPSHa/NPSHr 1,5 для всех сред, добавляя дополнительный абсолютный запас в 1,0 м сверх требования API. Такой консервативный подход отражает опыт эксплуатации, согласно которому высокоскоростные рабочие колеса насосов могут подвергаться эрозии от кавитации при запасах NPSH, которые были бы достаточны для низкоскоростных насосов, поскольку более высокая частота прохождения лопаток рабочего колеса означает, что циклы схлопывания кавитационных пузырьков накапливаются быстрее в час работы.
Когда NPSHa на фланце всасывания насоса недостаточен, наиболее эффективным решением для насосов OH6 является установка осевого индуктора перед основным рабочим колесом. Индуктор действует как малонапорный бустер, который достаточно повышает давление поступающей жидкости, чтобы подавить кавитацию на входе в основное рабочее колесо, обычно снижая NPSHr на 40–60%.
В: Мы измерили NPSHa 3,8 м при минимальном уровне в резервуаре, но заявленный поставщиком NPSHr составляет 3,2 м при номинальном расходе. Соотношение составляет всего 1,19, что не соответствует требованиям API 610. Проектная группа хочет поднять всасывающий резервуар на 2 м. Есть ли более дешевая альтернатива?
Подъем всасывающего резервуара на 2 м на существующем заводе дорог — требует модификации стальных конструкций, регулировки трубопроводных эстакад и продления времени простоя — общая стоимость легко достигает 200 000–500 000 долларов США в зависимости от размера резервуара и логистики объекта. Сначала следует оценить три более дешевых альтернативы. Вариант первый: проверьте, применимо ли к вашей технологической жидкости коррекция NPSHr для углеводородов. Hydraulic Institute предоставляет корректирующие коэффициенты для жидкостей с отношением плотности пара к жидкости ниже, чем у воды, и легкие углеводороды могут показать снижение NPSHr на 30–50% — потенциально доводя скорректированный NPSHr до 1,9–2,2 м и обеспечивая комфортный запас без каких-либо изменений оборудования. Вариант второй: добавьте индуктор к насосу, что стоит примерно 3000–5000 долларов США в качестве заводской опции и снижает NPSHr примерно до 1,3–1,6 м, обеспечивая соотношение запаса выше 2,0. Вариант третий: проверьте всасывающий трубопровод на наличие ненужных фитингов — один частично закрытый задвижной клапан, оставленный на месте временный пусковой фильтр или слишком большой компенсатор расширения могут потреблять 0,5–1,0 м NPSHa, которые можно восстановить путем простых модификаций трубопровода. По опыту наших проектов, вариант второй с добавлением индуктора решает более 80% дефицита запаса NPSH при части стоимости подъема резервуара.
5. Выбор материала для совместимости с технологической средой
Класс материала насоса должен соответствовать требованиям к коррозионной стойкости, эрозионной стойкости и механическим свойствам технологической среды в полном диапазоне рабочих температур. API 610 определяет стандартные классы материалов от S-4 (аустенитная нержавеющая сталь) до C-6 (12% хром), с более высокими сплавами, доступными при необходимости технологических условий.
Для гидропроцессов на нефтеперерабатывающих заводах соответствие NACE MR0175/ISO 15156 является обязательным для любого насоса, перекачивающего жидкости, содержащие сероводород при парциальном давлении выше 0,3 кПа. Это требует контролируемой твердости смачиваемых компонентов — максимальная твердость по Роквеллу C (HRC) 22 для низколегированных сталей, максимальная твердость по Роквеллу B (HRB) 100 для аустенитных нержавеющих сталей в отожженном состоянии — и требует полной документации по сертификации материалов, включая заводские сертификаты испытаний, положительную идентификацию материалов и записи испытаний на твердость для каждой детали, контактирующей с давлением. Насосы, поставляемые без этой документации, фактически не соответствуют требованиям, независимо от самого материала.
Для сред, богатых водородом, при повышенных температурах, Hastelloy C-276 (UNS N10276) обеспечивает наилучшее сочетание стойкости к водородному охрупчиванию и прочности при высоких температурах. Никель-хромо-молибденовый состав образует стабильную аустенитную структуру с гранецентрированной кубической решеткой, которая по своей природе устойчива к диффузии водорода, свойство, которым не обладает нержавеющая сталь 316L, которая может испытывать измеримую потерю пластичности при температуре выше 260°C при парциальном давлении водорода, превышающем 20 бар.
В: Спецификация нашего проекта предусматривает использование смачиваемых частей из дуплексной нержавеющей стали для насоса повторного закачивания пластовой воды. Поставщик предложил супердуплексную сталь UNS S32750 вместо стандартной дуплексной стали UNS S31803. Стоит ли модернизация дополнительных 15% стоимости?
Для службы повторного закачивания пластовой воды модернизация до супердуплексной стали настоятельно оправдана. Критическое отличие заключается в эквивалентном числе стойкости к питтингу (PREN): UNS S31803 имеет PREN примерно 33, в то время как UNS S32750 достигает PREN выше 40. В пластовой воде с концентрацией хлоридов, обычно от 20 000 до 150 000 мг/л, и температурах 60–90°C, стандартная дуплексная нержавеющая сталь работает близко к своему безопасному пределу хлоридов и может подвергаться питтинговой коррозии на поверхностных дефектах, в щелях под отложениями или в зонах термического влияния сварки. Супердуплексная сталь обеспечивает значительный запас прочности, особенно при высоких значениях концентрации хлоридов и температуры. С точки зрения жизненного цикла, 15% надбавка к капитальным затратам составляет примерно 4000–8000 долларов США для типичного насоса OH6. По сравнению с одной незапланированной заменой насоса из-за питтинговой коррозии — которая стоит 50 000–150 000 долларов США с учетом простоя производства, мобилизации крана и срочных расходов — модернизация является недорогой страховкой. Мы стандартизировали использование супердуплексной стали для всех сред пластовой воды и морской воды на основе этого анализа.
6. Выбор механического уплотнения и конфигурация подшипников
Конфигурация механического уплотнения для насоса API 610 OH6 соответствует рекомендациям API 682, при этом тип уплотнения и план обвязки выбираются на основе свойств технологической среды, рабочей температуры и требований к выбросам. Для углеводородных сред наиболее надежной конфигурацией является двойное картриджное уплотнение под давлением с системой барьерной жидкости API Plan 53B или Plan 54, которая полностью изолирует технологическую среду от атмосферы и подает чистую, терморегулируемую барьерную жидкость к уплотнительным поверхностям.
Выбор подшипников для высокоскоростной работы требует особого внимания. Радиальные подшипники должны быть опорно-колодочными, а не подшипниками скольжения с фиксированной геометрией, поскольку опорно-колодочные подшипники устраняют перекрестную жесткость, которая вызывает нестабильность масляного вихря — разрушительную самовозбуждающуюся вибрацию, которая может развиться за несколько секунд при высоких скоростях вращения. Упорный подшипник должен быть двухстороннего опорно-колодочного типа, рассчитанный на чистую осевую силу от рабочего колеса плюс любую дополнительную силу, вносимую индуктором, если он установлен. Встроенные датчики температуры РТД в радиальных и упорных подшипниках, подключенные к системе управления установки с установками сигнализации и аварийного отключения, являются стандартной отраслевой практикой для всех установок OH6, поскольку отказ подшипника при 20 000 об/мин прогрессирует от начального повышения температуры до катастрофического повреждения менее чем за 30 секунд.
В: Наша команда по техническому обслуживанию хочет отказаться от азотной системы поддержки уплотнения Plan 53B с наддувом, поскольку замена баллонов с азотом и обслуживание регулятора давления создают повторяющуюся рабочую нагрузку. Можем ли мы вместо этого перейти на Plan 54 с системой циркуляции чистого масла?
Plan 54 на самом деле является предпочтительным путем модернизации именно по этой причине. В системе Plan 53B давление азота должно поддерживаться выше давления в камере уплотнения в любое время, а барьерная жидкость статична, за исключением циркуляции по термосифону — это означает, что любая утечка азота через диафрагму или дрейф регулятора давления приводит к снижению давления барьерной жидкости и возможному проникновению технологической среды к уплотнительным поверхностям. Plan 54 заменяет статический резервуар под давлением внешним насосом, который непрерывно циркулирует чистое барьерное масло через камеру уплотнения при контролируемом давлении и расходе, обычно используя небольшой шестеренчатый насос, приводимый в движение от вала насоса. Непрерывная циркуляция обеспечивает гораздо более эффективное охлаждение уплотнительных поверхностей, удаляет износные частицы из камеры уплотнения и полностью исключает азотную систему. Дополнительные капитальные затраты примерно в 2000–3000 долларов США на насос обычно окупаются в течение первого года за счет исключения потребления баллонов с азотом, сокращения технического обслуживания уплотнений и увеличения срока службы уплотнений. По данным группы из 24 насосов OH6, переведенных с Plan 53B на Plan 54 на нефтеперерабатывающем заводе в Юго-Восточной Азии, среднее время между заменами уплотнений увеличилось с 28 до 52 месяцев — почти удвоив срок службы уплотнений при одновременном исключении всего технического обслуживания азотной системы.
