Dr Stanisław Łuczyński E-mail: sluczyn@agh.edu.pl Procesy technologiczne w terminalach i instalacjach LNG Pompy i układy pompowe Dr Stanisław Łuczyński E-mail: sluczyn@agh.edu.pl

Uproszczony schemat rozładowywania metanowca

Pompy zbiornikowe LNG

Kompresory

Regazyfikacja LNG z zastosowaniem wody morskiej Pompy wodne LNG

Podział maszyn 1. Ze względu na ściśliwość płynu: maszyny hydrauliczne (wodne, olejowe, ...) maszyny cieplne (wiatrowe, parowe, gazowe). 2. W zależności od kierunku zamiany energii: maszyny robocze, silniki. Maszyny robocze służą do zamiany energii mechanicznej silnika na energii płynu: pompy, wentylatory, dmuchawy, sprężarki (kompresory). Silniki służą do zamiany energii płynu na energię mechaniczną. Są to silniki spalinowe oraz turbiny: wodne, wiatrowe, parowe, gazowe.

pompy sprężarki (kompresory) silniki Maszyny wyporowe Maszyny wyporowe charakteryzują się cyklicznym przemieszczeniem dawki płynu. Działanie polega na przetłaczaniu objętości cieczy lub na zmianie objętości gazu z przestrzeni ssawnej do przestrzeni tłocznej przez ruch organu roboczego (tłoka, przepony, koła zębatego, wirnika śrubowego). Są to: pompy sprężarki (kompresory) silniki Ze względu na zasadę działania (cykliczne czy ciągłe): - maszyny wyporowe, - maszyny przepływowe www.sprezarki.biz.pl

a) o ruchu postępowo-zwrotnym i obrotowo-zwrotnym tłokowe przeponowe skrzydełkowe a) o ruchu postępowo-zwrotnym i obrotowo-zwrotnym b) o ruchu obrotowym (rotacyjne) zębate

wielotłoczkowe łopatkowe śrubowe

  Maszyny przepływowe Maszyny przepływowe charakteryzują się ciągłym przepływem płynu. Maszyny przepływowe są to w zasadzie maszyny wirnikowe, w których energia mechaniczna przekazywana jest od silnika do płynu, lub od płynu do generatora za pośrednictwem ułopatkowanego wirnika. Do maszyn przepływowych niewirnikowych zalicza się strumienice, silniki odrzutowe

Podział maszyn wirnikowych w zależności od kształtu wirnika i kierunku przepływu płynu:  mieszane (przepływ osiowo – promieniowy), diagonalne, helikoidalne promieniowe (przepływ jest odśrodkowy lub dośrodkowy), osiowe (przepływ jest osiowy, równoległy do osi obrotu wirnika),

Stopień maszyny wirnikowej. Aparat wirnikowy - wirnik z umieszczonymi na nim łopatkami o odpowiednich profilach (wirnikowy układ łopatkowy, wirnikowa palisada łopatkowa). Aparat kierowniczy - stojanowy układ łopatkowy związany z kadłubem. Aparat kierowniczy i współpracujący z nim aparat wirnikowy tworzą stopień maszyny wirnikowej.

Kinematyka przepływu przez wirnik C - wektor prędkości bezwzględnej określony jest w układzie współrzędnych związanym z aparatem stojanowym. W - wektor prędkości względnej wyznaczony jest w układzie współrzędnych wirującym z układem łopatkowym wirnika. Oba wektory związane są zależnością (ω = const): C = W + ω x r = W + U U - prędkość unoszenia Trójkąty prędkości Założenia jednowymiarowego modelu przepływu: - czynnik przepływający jest nieściśliwy i nielepki, - wirnik ma nieskończoną ilość nieskończenie cienkich łopatek, - w przepływie przez wirnik zachodzi symetria osiowa przepływu,

Stopień reakcyjności wirnika wirnik reakcyjny R = 0, wirnik akcyjny

Palisada łopatkowa maszyny osiowej

Równanie Eulera dla maszyn przepływowych   Rozwiązaniem równania zachowania momentu ilości ruchu jest równanie:  które nosi nazwę podstawowego równania maszyn przepływowych (wirnikowych). Strumień energii przekazywanej czynnikowi równy jest mocy N potrzebnej do napędu wirnika maszyny przepływowej: lub praca jednostkowa

W teorii maszyn hydraulicznych bardzo często zamiast pracy jednostkowej używane jest pojęcie wysokości hydraulicznej (słupa cieczy) H: g - przyśpieszenie ziemskie. Wprowadzając do równania relacje z trójkątów prędkości (twierdzenie cosinusów) otrzymujemy:   Jest to inna postać podstawowego równania maszyn przepływowych, uzależniająca pracę jednostkową od prędkości w przekrojach 1-1 i 2-2.

Podobieństwo przepływów Liczby podobieństwa   Liczba Strouhala: Liczba Froude’a: Liczba Eulera: Liczba Macha: Liczba Reynoldsa:

Liczby podobieństwa stosowane w maszynach przepływowych Liczba wydajności Liczba ciśnienia Liczba mocy Liczba szybkobieżności Liczba średnicy  

Pompy Pompy są to maszyny robocze służące do podnoszenia cieczy (lub mieszanin cieczy z ciałami stałymi) z poziomu niższego na wyższy, albo też do przetłaczania cieczy ze zbiornika ssawnego o ciśnieniu niższym do zbiornika tłocznego o ciśnieniu wyższym. Pompa jest maszyną hydrauliczną zamieniającą energię mechaniczną na kinetyczną lub potencjalną cieczy. Działanie pompy polega na wytwarzaniu różnicy ciśnień pomiędzy stroną ssawną (wlotem) i tłoczną (wylotem).

Pompy dzielą się na: pompy wyporowe, (np. pompy tłokowe), Energia mechaniczną przekazywana jest cieczy za pomocą organu roboczego, którym może być wirnik, tłok lub membrana. Pompy dzielą się na: pompy wyporowe, (np. pompy tłokowe), pompy wirowe (przepływowe) W większości przypadków, by pompa mogła pracować, musi być zalana. Wyjątkiem od tego są pompy samozasysające. www.all-pumps.pl

Pompy wyporowe (objętościowe) Przekazywanie energii mechanicznej w hydrauliczną odbywa się poprzez zmianę rozmiarów (objętości) lub przesunięcie przestrzeni pompy, w której znajduje się płyn za pośrednictwem ruchu: tłoka membrany, kół zębatych, śruby, elastycznych ścian pompy lub specjalnie ukształtowanych przestrzeni itp

Pompy tłokowe Pompa tłokowa typu TKE Q = 10 ÷ 25 m3/h H = 20 ÷ 60 m n = 1500 obr./min http://www.gzut.nazwa.pl

Pompa zębate cechują się prostą konstrukcją i duża niezawodnością. Pompa membranowa charakteryzuje się brakiem przecieków, używana jest do pompowania cieczy zanieczyszczonych i toksycznych.

Pompy krzywkowe stosowane są do pompowania cieczy ekstremalnie gęstych, takich jak ropa naftowa, mazut, olej spożywczy, miód. Pompy śrubowe (ślimakowe, statorowe) dzięki łagodnemu przepływowi cieczy przez pompę, bardzo dobrym własnościom samozasysającym, oraz konstrukcji bezzaworowej dają możliwość przenoszenia cieczy o bardzo dużej lepkości i gęstości bez zniszczenia struktury produktu.

Pozioma pompa wirowa LAM Pompa samozasysająca LAM Pompy wirowe Pompy wirowe krętne. Pompy wirowe krążeniowe (samozasysające). www.pompywirowe.pl Pozioma pompa wirowa LAM Pompa samozasysająca LAM http://wiki.luman.biz/kat http://www.megawatt.pl http://www.hydro-vacuum.com.pl/

Pompy jednostopniowe Pompy wielostopniowe http://www.lowara.pl

Pompa odśrodkowa Pompa wirowa krętna o wirniku odśrodkowym i o pojedynczej lub przestrzennej krzywiźnie łopatek. Wirnik (zwykle o poziomej osi obrotu) umieszczony jest w spiralnym korpusie. Dopływ cieczy jest osiowy, zaś odpływ promieniowy. Przepływ cieczy przez wirnik jest promieniowy. Konstrukcja wirnika i materiał z jakiego jest wykonany mogą być różne. Miniaturowe pompki wykonywane są w całości z plastiku. Pompy do pompowania zawiesin, szlamów lub cieczy agresywnych wyposażone są zwykle w wirniki gumowe.

Układy pompowe Skład układu pompowego: Zespół pompowy (pompa, silnik, sprzęgło), Przewód ssawny (dolotowy), Przewód tłoczny (odpływowy), Zbiornik dolny (dopływowy), Zbiornik górny (odpływowy). Klasyfikacja układów pompowych: ssący (Hsz > 0, Htz = 0, ps < pd, pt = pa), tłoczący (Hsz = 0, Htz > 0, ps = pa, pt > pg), lewarowy (Hsz > 0, Htz < 0, ps < pd, pt < pa), ssąco-tłoczący (Hsz > 0, Htz > 0, ps < pd, pt > pg), zamknięty (Hz = 0, ps < pt)

Układ pompowy Wysokości podnoszenia pompy: Niwelacyjne (geometryczne) wysokości: ssania Hsz , tłoczenia Htz Niwelacyjna (geometryczna) wysokość podnoszenia Hz = Hsz+ Htz+ em = zg - zd.   Manometryczne wysokości: ssania Hsm  , tłoczenia Htm Manometryczna wysokość podnoszenia Hm Wysokość ssania pompy Hs Wysokość tłoczenia pompy Ht Użyteczna (efektywna) wysokość podnoszenia Hu Teoretyczną wysokością podnoszenia pompy Hth Hth = Hu+hp

Wydajność teoretyczna pompy - natężenie przepływu w pompie idealnie szczelnej, poza króćcem tłocznym i przy teoretycznej wysokości podnoszenia Hth . Wydajnością rzeczywistą pompy - natężenie przepływu w przekroju króćca wylotowego. ( < ). Wydajność nominalna pompy jest wyznaczona przez producenta. Wydajność optymalna pompy. Wydajnością wewnętrzną pompy Qi nazywamy natężenie przepływu przez wirnik pompy wirowej Wydajność pompy

Moc i sprawność pompy Teoretyczna moc pompy N = gHthQth Moc użyteczna (efektywna) Nu = gHuQrz Moc na wale (sprzęgle) pompy Nw = 1,3  N Moc silnika napędzającego pompę musi być jeszcze większa ze względu na sprawność silnika. Ne = 1,2 Nw Sprawność hydrauliczna (0,80 ÷ 0,96 ) Sprawność objętościowa ( 0,85 ÷ 0,99 ) Sprawność mechaniczna ( 0,98 ÷ 0,99 ) Sprawność całkowita Dla pomp odśrodkowych η = 0,7 ÷ 0,9. Dla pomp tłokowych η = 0,88 ÷ 0,96

Kawitacja Kawitacja przypomina obłok piany. Wzrost pęcherzyków gaza w cieczy i ich zanikanie (implozja) – rzędu 0,001s. Ciśnienie przy implozji pęcherzyka – rzędu kilkuset MPa. Oznaki kawitacji: - hałas (nieregularne trzaski i szumy), - drgania kadłuba kanału przepływowego, - wyraźne słyszalne odgłosy, jakby uderzenia. Przyczyny powstania kawitacji: - duża wysokość ssania, duża prędkość obrotowa wirnika (przekroczenie nominalnej wydajności), zbyt duża lepkość czynnika roboczego, - nieprawidłowe zasilenie wirnika (zły kształt kanału wlotowego, nierówna powierzchnia kanału.

Skutki kawitacji: wywołuje wzrost strat energii strumienia cieczy, obniża wysokość podnoszenia i sprawność pomp, powoduje erozję materiałów konstrukcyjnych. Charakterystyczne niszczenie materiału konstrukcyjnego wirnika pompy w postaci kawern (wżerów) i porów Sposoby zapobiegania kawitacji: - zapewnienie możliwie małej wysokości ssania lub dużego napływu, - eksploatacja w pobliżu nominalnej wydajności, - zabezpieczenie przed wzrostem temperatury pompowanej cieczy, - zapewnienie jak najmniejszych oporów w przewodzie ssawnym (usuwanie zanieczyszczeń smoka bądź kosza ssawnego).

Prawidłowo zaprojektowana instalacja pompowa musi spełniać warunek: http://www.rynekinstalacyjny.pl gdzie: – ciśnienie na wlocie do pompy, – ciśnienie parowania cieczy w danej temperaturze. Prawidłowo zaprojektowana instalacja pompowa musi spełniać warunek:

W pompie nie wystąpi kawitacja, jeżeli będzie spełniony warunek: gdzie: Cs i ps – odpowiednio prędkość i ciśnienie odniesione do przekroju wlotowego pompy. W rzeczywistości praca pompy poza obszarem kawitacji wymaga nieco większej nadwyżki: Antykawitacyjna nadwyżka ciśnienia (Net Positive Suction Head), stanowi zapas wysokości ciśnienia w przekroju wlotowym pompy ponad wysokość ciśnienia pary nasyconej w danej temperaturze: Dla każdego układu pompowego można określić tzw. rozporządzalną nadwyżkę antykawitacyjna NPSHav:

Uderzenie hydrauliczne Szybkiemu zatrzymaniu przepływu cieczy w rurociągu, na przykład poprzez gwałtowne zamknięcie zaworu (zatrzymanie wirnika pompy), towarzyszy zjawisko nazywane hydraulicznym uderzeniem. Zmiany wartości ciśnienia wywołane są siłami bezwładności. Po nagłym wzroście (spadku) ciśnienia następuje spadek (wzrost) ciśnienia cieczy i seria tłumionych jego oscylacji. Zapobieganie i osłabienie: - zmniejszenie długości przewodu, wydłużenie czasu zamykania (otwierania) zaworu, budowa zaworów bezpieczeństwa, zbiorników powietrznych itp. v – prędkość fali uderzeniowej, d – średnica przewodu,  - grubość ścianek,  - ciężar właściwy cieczy, Eo  moduł sprężystości cieczy, N/m2 E  moduł sprężystości materiału przewodu. Wartość ciśnienia zależy od sprężystości objętościowej cieczy, sprężystości rur, oraz szybkości zatrzymywania przepływu C.

Podstawowe charakterystyki pompy odśrodkowej [4]

Podobieństwo dynamiczne pomp wirowych Własności dynamiczne pomp wirowych określają ich podstawowe parametry: wydajność Q, wysokość podnoszenia H, moc N, sprawność η i prędkość obrotowa n. Niech parametry pompy roboczej będą: a pompy modelowej (podobnej) - Wzajemny stosunek wielkości tych parametrów wyniesie: Te wzory umożliwiają również obliczenie nowych parametrów pracy pompy, której zmieniono prędkość obrotową ( ).

Wyróżniki szybkobieżności Wyróżnik szybkobieżności określa kształt powierzchni prądu przepływu przez wirnik, tym samym określa rodzaj pompy wirowej. kinematyczny wyróżnik szybkobieżności dynamiczny wyróżnik szybkobieżności , , n[obr/min], N[kW] .

Typy pomp wirowych w zależności od wyróżnika szybkobieżności. Wyróżnik szybkobież- ności ns Typ wirnika i pompy Cechy charakterystyczne pompy i obszar zastosowania 10 - 30 Pompa odśrodkowa wirnik odśrodkowy o pojedynczej krzywiźnie łopatek Pompy o dużej wysokości podnoszenia np. wysokociśnieniowe 30 - 50 Pompa odśrodkowa wirnik odśrodkowy o przestrzennej krzywiźnie łopatek Pompy o dużej wysokości podnoszenia, może pracować jako turbina (zob. Turbina promieniowa) 50 - 80 Pompa helikoidalna wirnik helikoidalny zamknięty Pompy o średniej wysokości podnoszenia i wysokiej wydajności, może pracować jako turbina (zob. Turbina helikoidalna) 80 - 150 Pompa diagonalna lub Pompa helikoidalna wirnik diagonalny lub helikoidalny otwarty Pompy o niewielkiej wysokości podnoszenia i wysokiej wydajności, może pracować jako turbina (zob. Turbina diagonalna) 135 - 320 Pompa śmigłowa wirnik śmigłowy Pompy na małej wysokości podnoszenia i bardzo dużej wydajności może pracować jako turbina (zob. Turbina Kapłana)

Racjonalny dobór pomp do instalacji [4] Dobór pompy do konkretnego obiektu pompowego polega na: • wyborze rodziny pomp (wyporowe lub wirowe), • wyborze klasy pomp (np. krętne lub krążeniowe dla rodziny pomp wirowych), • wyborze grupy pomp (np. odśrodkowe, helikoidalne,... dla klasy pomp krętnych), • wyborze typu pompy (np. dla pomp odśrodkowych: pompa jedno- lub wielostopniowa, jedno- lub dwustrumieniowa, pozioma lub pionowa, w określonej wersji konstrukcyjnej, np. pompa do wody czystej zimnej lub gorącej, pompa do cieczy agresywnych chemicznie, pompa do ścieków itp.), • wyborze znamionowej wydajności i znamionowej wysokości podnoszenia, co wiąże się z równoczesnym wyborem liczby pomp współpracujących ze sobą. O wyborze rodziny decydują zwykle własności fizyczne (przede wszystkim lepkość) przetłaczanej cieczy.

Pompę, a ściślej zespół pompowy o parametrach znamionowych charakteryzują następujące właściwości: • charakterystyka przepływu H(Q), • charakterystyka mocy N(Q), • sprawność zespołu pompowego zarówno w punkcie znamionowym jak również w całym obszarze Qmin...Qmax przewidywanej pracy • wymagana przez pompę nadwyżka antykawitacyjna NPSHR(Q), • poziom hałasu emitowanego przez zespół, • wymiary gabarytowe całego zespołu, w szczególności wymiary wyznaczające wielkość fundamentu, średnice i konfiguracja króćców itp., • szczególne właściwości eksploatacyjne, takie jak łatwość montażu i demontażu, niezawodność pracy, wymagane kwalifikacje personelu obsługi itp., • całkowity kształt inwestycyjny, tj koszt samego zespołu pompowego i łączny koszt jego zainstalowania. Inny ważny parametr, to jest prędkość obrotowa n, decydująco wpływa na rozwiązanie konstrukcyjne i wymienione wyżej właściwości pompy jak również na dobór układu napędowego wraz z urządzeniem regulacyjnym.

Pompy odśrodkowe Wysokości podnoszenia takich pomp osiągają 150 m. Wydajności od kilku centymetrów sześciennych na minutę do 7000 m3/h . Przy zastosowaniu pomp wielostopniowych można uzyskać wysokości podnoszenia do kilku kilometrów, co pozwala na zastosowanie takich pomp w instalacjach odwadniających kopalnie. Sprawność pompy odśrodkowej od η = 0.65 (małych) do η = 0.89 (dużych) Pompa, monoblokowa, pozioma, jednostopniowa. Cyrkulacja wody czystej, chlorowanej, morskiej itp. Do basenów sztucznej hodowli ryb. Do nawodnienia ze składnikami rozpuszczalnymi w wodzie. H do 20,5 m. Q do 42 m3/h. N = 0,35 - 2,3 kW. www.belsystem.com.pl

Pompy odśrodkowe Pompy typu KS, KSM służą do pompowania niektórych kwasów, ługów, węglowodorów i innych chemicznie agresywnych cieczy W pompowanym medium dopuszczalna jest zawartość ciał stałych ścierających o wielkości ziaren do 1 mm, w ilości 50g/dm3 cieczy. Q = 1200 l/min P = 10 bar http://www.hydro-vacuum.com.pl Pompy samozasysające SKD przeznaczone są do pompowania paliw ropopochodnych oraz mieszaniny skroplonego propanu z butanem, bez udziału fazy gazowej. H do 310 m Q = 500 l/min, N = 30,0 kW temperatura cieczy – 40 ÷ +180 C

Pompa głębinowa Pompy głębinowe GC, GCA Pompy typu GC, są przeznaczone do pompowania wody ze studzien o średnicy 8". Zawartość piasku maksymalnie 100 g/m3. Wysokość podnoszenia do 640 m. Wydajność 6,0 -165 m3/h. Moc silników: 3,7 – 132,0 kW Temperatura pompowanej cieczy do 30 C Cichobieżna pompa zasysająca, monoblokowa, wielostopniowa, pionowa do wody czystej o temperaturze do 45°C. Wysokość podnoszenia do 108 m. Wydajność do 12 m3/h. Moc silników: 1,1 - 9,0 kW. Pompa głębinowa

Pompy zbiornikowe

Do smarowania łożysk, wykorzystuje się krioprodukt. SUBTRAN — zanurzeniowa pompa odśrodkowa wysokiego ciśnienia przeznaczona jest do pompowania ciekłych gazów LN2, LAr, LNG. Do smarowania łożysk, wykorzystuje się krioprodukt. P = 20 bar (290 PSI) (Hmax = 165 m) Qmax = 340 l/min N = 15 kW http://www.cryostar.com

Modular Centrifugal Pump (MCP) Multi-stage Vertical Pump (VP) Pionowe wielostopniowe pompy VP wysokiego ciśnienia do 130 barów przeznaczone są do pompowania ciekłych gazów: LO2, LN2, LAr, LCO2, LNG. Pompy odśrodkowe MCP o wydajności od 14 l/min do 14 000 l/min. Ciśnienie wylotowe do 20 bar http://www.cryostar.com

do ładowania zbiorników stacjonarnych oraz autocystern Pompy LNG do ładowania zbiorników stacjonarnych oraz autocystern Pompa odśrodkowa typu GBS P = 28 bar (Hmax = 190 m H2O) Q = 280-500 l/min Pionowa pompa odśrodkowa typu VS P = 25 bar (Hmax = 70 m H2O) Q = 500-680 l/min http://www.cryostar.com

do ładowania małych zbiorników stacjonarnych oraz autocystern Pompy LNG do ładowania małych zbiorników stacjonarnych oraz autocystern Pompa typu GBSD Ciśnienie P = 50 bar Qmax = 555 l/min Pompa odśrodkowa typu CSH Ciśnienie P = 50 bar. Pompa odśrodkowa typu CO Ciśnienie P = 36 bar. (Hmax = 160 m H2O) Q = 20-130 l/min Pompy mogą służyć do pompowania ciekłych gazów (LN2, LAr, LCO2, LNG) oraz zwykłej wody lub innych roztworów o niskiej lepkości. http://www.cryostar.com

Układ pompowy Mixtran Zamknięty układ pompowy do autocystern Pompy kriogeniczne (GBS 155/4.5, CBS 185/3 lub CBS 2/155/4.5). Pompa odśrodkowa typu CBS 185/3 P = 50 bar (Hmax = 330 m H2O) Q = 100-400 l/min http://www.cryostar.com

Odśrodkowe pompy LPG niskiego i średniego ciśnienia Pompa VSMP 200 P = 3 bar Q = 1000 l/min Wielostopniowa pompa VSMP 8/140-4 P = 30 bar Q = 150 - 200 l/min Pompa SLLPRP 65 P = 15 bar Q = 35 l/min http://www.ngvrus.ru/kat_lng_cryomek.shtml

Pompy tłokowe (LNG) Pompa tłokowa HPP 5 - cylindrowa (LNG) P = 690 bar Qmax =1135 l/min

Pompy zanurzeniowe LNG Krioprom, OOO PKF, Odessa http://58351.ua.all.biz/pl/cat.php?oid=129573

Pompy tłokowe LNG wysokiego ciśnienia Pompa 3XL-DELTA-N 50/TW14,5 (do 3 modułów) Q = 80 l/min, P = 300 bar http://www.ngvrus.ru/kat_lng_cryomek.shtml

Obliczyć minimalną moc silnika , niezbędnego do napędu pompy przetłaczającej wodę w ilości Q = 300 l/min ze studni na głębokości do zbiornika, znajdującego się na wysokości od pompy. Długość rurociągu ssawnego a rurociągu tłocznego . Przyjąć współczynniki oporów miejscowych , , , sprawność pompy , ciśnienie , wysokość . .

Literatura Stępniewski M.: Pompy. Warszawa, WNT, 1985. PN-85/M-44005. Pompy wirowe. Pomiary wielkości charakterystycznych. PN-86/M-44015. Pompy. Ogólne wymagania i badania. Jędral W.: Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych. Warszawa, 2007. Jędral W.: Pompy wirowe, Warszawa, PWN, 2001 PN EN 9906: 2002 – Pompy wirowe. Przepisy Badań odbiorczych parametrów hydraulicznych. Klasa 1 i 2. Poradnik mechanika, t. II. Praca zbiorowa: WNT, Warszawa 1988.