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.

Насосы для криогенных жидкостей произвели революцию в различных отраслях промышленности благодаря своим замечательным применениям, выведя сферу науки и техники на новые горизонты. Эти насосы стали незаменимыми, начиная с освоения космоса и заканчивая развитием медицинских технологий. Давайте окунемся в увлекательный мир насосов для криогенной жидкости и рассмотрим их разнообразные применения и последние достижения.

Одно из основных применений центробежных криогенных насосов связано с исследованием космоса. Эти насосы играют ключевую роль в приведении в движение ракет, эффективно перекачивая и повышая давление криогенного топлива (жидкий водород или сжиженный природный газ) и окислителя – жидкого кислорода. Надежность криогенных центробежных насосов имеет решающее значение для обеспечения успеха космических миссий. Достижения в области технологии криогенных центробежных насосов внесли значительный вклад в разработку космических ракет-носителей, повысив их эффективность и сократив время между запусками. Впечатляет экономически обоснованное, эффективное применение сжиженного природного газа как топлива ракет-носителей в компании Илона Маска.

Помимо космической инфраструктуры и различных отраслей промышленности (химия, металлургия, энергетика, здравоохранение, автомобильный, морской и железнодорожный транспорт) криогенные центробежные насосы нашли широкое применение в развивающейся области возобновляемых источников энергии, особенно в сфере сверхпроводниковой передачи энергии. Центробежные насосы обеспечивают охлаждение сверхпроводящих кабелей, которые являются неотъемлемыми компонентами систем передачи энергии нового поколения. Эффективная работа криогенных центробежных насосов жизненно важна для поддержания сверхпроводящего состояния кабелей, тем самым сводя к минимуму потери энергии при передаче электроэнергии. Поскольку глобальный спрос на устойчивые энергетические решения продолжает расти, достижения в области технологии криогенных насосов могут сыграть значительную роль в формировании будущей инфраструктуры чистой энергии. Применение центробежных криогенных насосов охватывает самые разные отрасли: от освоения космоса и совершенствования технологий медицинской визуализации до продвижения решений в области возобновляемых источников энергии. Постоянное развитие технологии криогенных насосов стимулирует инновации и расширяет границы в этих областях. Когда мы смотрим в будущее, универсальность и надежность криогенных насосов могут стать основой для дальнейших прорывов, делая их незаменимыми в стремлении к научно-техническому прогрессу.

Насосы для сжиженного природного газа выпускаются уже более 50 лет. Опыт применения подтверждает надежность конструкций, безопасность работы и доступность моделей разной производительности.

Идея использования центробежной силы для подачи жидкостей возникла ещё в XV веке. Несколько эскизов центробежных машин сделано рукою великого Леонардо да Винчи. Воплотить идею применения центробежной силы в жизнь в начале XVII века удалось французскому инженеру Бланкано. В 1657 году он построил насос, состоящий из двух вращающихся на общей раме наклонных трубок, нижние концы которых опущены в воду, а верхние расположены над круговым сосудом (рис.1).

Рис.1. Насос Бланкано

В 1705 году другой французский инженер Дени Папен создал насос, приближающийся по виду к современным (Рис.2). Папен впервые применил спиральный кожух с постепенно увеличивающимся по направлению вращения сечением.

Рис. 2. Центробежный насос Папена

В 1754 году проблемами, связанными с лопастными насосами и турбинами, называемыми также турбомашинами, заинтересовался великий математик Леонард Эйлер. На основе впервые сформулированного им континуального подхода к математическому описанию движения сплошной среды и общих законов механики он получил основное уравнение теории турбомашин, которое положило начало созданию математических моделей этих машин.

В 1818 году на основе разработок Папена американская насосная фабрика в штате Массачуcетс начала производство центробежных насосов с открытым рабочим колесом, имеющим прямолинейные лопасти. В 1831 году фирма «Blake Co» приступила к выпуску вертикальных насосов с полуоткрытым рабочим колесом. Приблизительно в это же время Джон Эппольд проводит серию экспериментов для определения наилучшей формы рабочего колеса.

В России первые центробежные машины для подачи воздуха и воды (под названием «водогон») были созданы инженером, генерал-лейтенантом А. А. Саблуковым в 30-х годах XIX века (Рис.3). Жидкость в этой машине традиционно перемещалась от центра к периферии.

Рис. 3. Центробежный насос Саблукова

В 1851 году, когда появились высокооборотные паровые машины и были разработаны основы гидромеханики, на Всемирной промышленной выставке в Лондоне было представлено несколько образцов центробежных насосов, которые могли заметно потеснить область использования хорошо известных с древности поршневых насосов. Лучшая конструкция принадлежала Джону Эппольду. Его насос с двухсторонним колесом и лопатками, загнутыми назад по отношению к направлению вращения, имел коэффициент полезного действия 68 процентов (Рис.4). Еще лучших результатов добился несколько лет спустя Джеймс Томсон, за счет рационального профилирования спирального отвода с коническим выходным патрубком.

Рис. 4. Центробежный насос Эппольда

Криогенные центробежные насосные установки предназначены для перекачивания криогенных жидкостей - кислорода, азота, аргона, метана и углекислоты. Криогенные насосные установки используются на СПГ-терминалах, автомобильных заправочных станциях и других производственных объектах, где производятся и применяются сжиженные газы.

По конструкции различают погружные и консольные, одноступенчатые и многоступенчатые криогенные насосы. Выбор количества ступеней определяется необходимым напором. По режиму работы различают насосы для периодической и непрерывной эксплуатации, в зависимости от технологического режима эксплуатации системы.

Приводом для консольного насоса (Рис. 5), как правило, служит электродвигатель с наружным устройством принудительного охлаждения. Также в качестве привода может выступать гидравлический мотор. На выходном валу двигателя закреплено рабочее колесо насоса, помещенное в корпус – улитку, выполняющую функцию направляющего аппарата. Вход рабочей среды осуществляется вдоль оси насоса, нагнетание – перпендикулярно. Для герметизации вращающегося вала используется механическое уплотнение. Такие насосы обладают более простой конструкцией по сравнению с погружным, но требуют особых условий эксплуатации и регулярного обслуживания торцевого уплотнения. Также существуют консольные насосы с лабиринтным газовым уплотнением, рассчитанные на продолжительную непрерывную работу в течение двух лет. Такие насосы используются на воздухоразделительных установках (ВРУ). При необходимости установки комплектуются дополнительными узлами автоматизации и средствами безопасности.

Рис. 5. Центробежная криогенная насосная установка ЦНУ-60/160 для перекачивания сжиженного природного газа из стационарного резервуара в транспортную цистерну. Номинальная подача 1000 л/мин, номинальный напор 160 м.

Конструкция консольного центробежного насоса может включать мультипликатор для повышения частоты вращения рабочего колеса насоса. Такое решение позволяет уменьшить габариты холодной части.

Погружной насос (Рис. 6) совмещен с электродвигателем в едином корпусе, устанавливается в криостат и лишен недостатков насоса в консольном исполнении. Такой герметичный насос требует минимум времени на повторный запуск и всегда обеспечен наличием жидкости на всасывании. Вертикальное расположение обеспечивает равномерную нагрузку и продолжительный срок службы. Двигатель, погруженный в рабочую жидкость и изолированный от атмосферного воздуха, охлаждается потоком перекачиваемой жидкости и идеально подходит для применений на СПГ, этане, азоте и аргоне. Стоит отметить, что применять погружные насосы на кислород нельзя из-за прямого контакта электродвигателя с рабочей средой.

В зависимости от задачи, насосные установки могут быть изготовлены как в стационарном исполнении, так и в мобильном исполнении в составе оборудования криогенной перекачивающей системы передвижной автоцистерны.

Рис. 6. Центробежная криогенная насосная установка ЦНУ-П-12/10 с погружным насосом TC-34 для перекачивания СПГ в составе криогенного передвижного автомобильного газового заправщика (КриоПАГЗ). Номинальная подача 200 л/мин, номинальный перепад давления 10 бар

Насосные установки торговой марки MV&F в стандартном исполнении содержат: центробежный насос; трубопроводы и металлорукава; арматуру (ручные клапаны и клапаны с приводом) на напорной и дренажной линиях; предохранительный клапан и фильтр на линии всасывания, обратный клапан на напорной линии; манометры, датчики давления и температуры; электрошкаф с преобразователем частоты.

Рис. 7 . Центробежная насосная установка ЦНУ-П 8,2/220 с погружным криогенным насосом TC-34 для выдачи СПГ в автомобильные заправочные колонки. Номинальная подача 135 л/мин, номинальный напор 220 м.

Наиболее популярными являются установки, выполненные во взрывозащищенном исполнении, так как потребность в сжиженном природном газе не теряет своей актуальности, а темпы строительства заправочных станций и заводов по производству СПГ только растут.

Центробежные насосные установки MV&F успешно используются на стационарных газозаправочных станциях. Например, такую установку, можно встретить на КриоАЗС «Окуловка», на трассе М-11 (Рис. 8).

Рис.8. Насосные установки с центробежным насосом TC-34 и c поршневым насосом P2K в эксплуатации на КриоАЗС в г. Окуловка

Насосные установки могут состоять из двух насосов, работающих поочередно или одновременно (Рис. 9).

Рис.9. Центробежная насосная установка ЦНУ-60/90 на базе двух насосов DCP-220 для перекачивания СПГ в криогенных системах промышленного назначения с одним резервным насосом. Номинальная подача 1000 л/мин, номинальный напор 90 м.

Помимо СПГ, устойчивый спрос наблюдается на насосные установки для перекачивания иных сред, среди которых выступает кислород, аргон и углекислый газ. Компания ООО «МВиФ» имеет многолетний опыт изготовления насосных установок для перекачивания жидкого кислорода (Рис. 10,11).

Рис. 10. Центробежная насосная установка ЦНУ-15/140 для перекачивания жидкого кислорода. Номинальная подача 250 л/мин, номинальный напор 140 м.

Рис 11. Центробежная насосная установка ЦНУ-12/235 для перекачивания жидкого кислорода. Номинальная подача 200 л/мин, номинальный напор 235 м.

Насосные установки имеют широкий спектр производительности от нескольких кубических метров в час до нескольких десятков кубических метров жидкого продукта в час.

Характеристики доступных модификаций центробежных насосных установок торговой марки MV&F отражены в заказном коде: