Номинальное давление нагнетания описывает границу. Работоспособность определяется на всасывающем фланце — фазовым состоянием, запасом переохлаждения, теплопритоком и составом среды.

Большинство запросов на насосы для закачки CO₂ начинаются с максимального давления нагнетания. Этот параметр решает меньше, чем почти любая другая строка в спецификации, а насос, способный выдержать номинальное давление, — ещё не насос, который стабильно закачивает.

Закачка CO₂: насос или компрессор? Решает фаза на всасывании

CO₂ достигает критической точки при 31,0 °C и 73,8 бар^*1. Ниже этой температуры жидкость сжижается только за счёт давления: при 20 °C давление насыщения составляет около 57,3 бар, а плотность насыщенной жидкости — около 773 кг/м³^*1,2.

Следовательно, поток при 20 °C и 60 бар уже является жидкостью, и подъём его до давления закачки — это задача перекачивания: небольшое объёмное сжатие почти несжимаемой среды, повторяющееся с высокой частотой. Работа компрессора начинается тогда, когда на входе газ и задача состоит в том, чтобы провести среду через границу фазовой области.

Факт: фазовые границы чистого CO₂ определяются термодинамикой. Мнение: насос следует подбирать от условий на входе, а не от номинала.

Переохлаждение насоса CO₂: почему NPSH в метрах недостаточно

Жидкий CO₂ при 20 °C существует только потому, что что-то удерживает его при 57 бар. Нескольких бар, потерянных на фильтре или наполовину открытой задвижке, достаточно для вскипания, а возвратно-поступательный насос этого не прощает: постоянный объём означает, что газ в камере прекращает подачу и приводит к работе сальниковой набивки «насухую».

Поэтому NPSH в метрах — не та единица. Нормировать нужно запас переохлаждения на фланце насоса, в барах или кельвинах, относительно давления насыщения в самой холодной точке всасывающей системы, и уже под него проектировать обвязку: короткий всасывающий трубопровод большого диаметра, фильтр низкого сопротивления с контролем перепада давления, подпор (статический напор или бустерный насос) и блокировку, которая останавливает насос, а не просто выдаёт предупреждение.

Кавитация насоса CO₂: почему теплоприток важнее номинального давления

При мощности на валу 1,5 МВт и механическом КПД 95 % около 75 кВт остаётся в среде. Для 20 м³/ч жидкого CO₂ — 4,3 кг/с при удельной теплоёмкости около 5 кДж/(кг·К)^*3 — подъём температуры за один проход составляет около 3,5 К. В диапазоне 20–30 °C давление насыщения растёт примерно на 1,5 бар на кельвин^*1, поэтому 3,5 К поднимают его примерно на 5 бар. Если запас на всасывании составлял 5 бар, среда, доходящая до сальника, уже на границе кипения: насос кавитирует при 60 бар, хотя его номинал не превышен.

Вблизи критической точки цифры меняются — при 30 °C плотность около 598 кг/м³, удельная теплоёмкость около 36 кДж/(кг·К)^*3, — поэтому подъём температуры уменьшается, но плотность становится резко переменной. Решения остаются механическими: низкие внутренние потери, теплоизоляция, байпас минимального расхода с холодильником и измерение температуры как на всасывающем фланце, так и на нагнетании.

Материалы насоса CO₂: риск коррозии — не в сухом газе

Сухой CO₂ не разрушает углеродистую сталь; её разрушает свободная вода в CO₂. Растворённый CO₂ образует угольную кислоту, и измеренные скорости коррозии углеродистой стали в насыщенных условиях достигают порядка 20 мм/год^*4 — это отказ, а не межремонтный интервал. Поэтому осушка является основным средством защиты от коррозии.

ISO 27913:2024 рассматривает качество среды как свойство системы: единая спецификация, согласованная между улавливанием, транспортом и хранением, плотная фаза определяется плотностью, осушка — порядка 50 ppm в газовой и 100 ppm в плотной фазе^*5, и отсутствие водной фазы в любой точке.

Механический ответ консервативен: кованые головки из нержавеющей стали, цельные внутренние детали без покрытия, керамические плунжеры^*6 и сальниковый узел с вторичным уплотнением, чтобы утечка обнаруживалась, а не скрывалась. Исполнение на −50 °C — это вопрос материалов, а не настройки термостата.

Спецификация насоса CO₂: 5 входных данных до запроса цены

Пульсация также должна быть в спецификации: API 674 рассматривает её как требование к конструкции^*7, поскольку волна давления, безвредная в воде, в CO₂ может пересечь границу фаз. Остальное определяют пять параметров — давление и температура на входе, запас переохлаждения, давление нагнетания и диапазон регулирования, состав и содержание воды, а также стандарт и уровень документации (API 674 и ISO 13710)^*8.

Часто задаваемые вопросы

Нужен компрессор или насос для закачки CO₂?

Решается по состоянию на входном фланце. Жидкость или плотная фаза на всасывании плюс задача поднять давление — это плунжерный насос; газ на всасывании и необходимость пересечь границу фазовой области — работа компрессора.

Почему насос CO₂ кавитирует ниже номинального давления?

Номинал ограничивает гидроузел, а не запас на всасывании. Среда, удерживаемая вблизи насыщения, теряет давление во всасывающем трубопроводе и получает тепло внутри насоса.

Проектируете спецификацию насоса для закачки CO₂ в плотной фазе?

Weifang Shengli Petrochemical Machinery Co., Ltd. выпускает насосы для жидкого и плотного CO₂, высоконапорные плунжерные насосы, а также головки насосов и уплотнительные компоненты. Пришлите условия на входе, расход, давление нагнетания и состав среды; мы скажем, какой из этих параметров сейчас ограничивает проект.

Литература

Надстрочный индекс *n соответствует пронумерованным источникам ниже.

*1  National Institute of Standards and Technology. Carbon dioxide — phase change data (Tc = 304.18 K, Pc = 73.80 bar). NIST Chemistry WebBook, SRD 69. https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Mask=3FBF

*2  National Institute of Standards and Technology. REFPROP — Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties, Version 8.0, User's Guide (CO₂ at 20.0 °C: Psat = 5.7291 MPa, saturated-liquid density 773.39 kg/m³). https://www.nist.gov/system/files/documents/srd/REFPROP8.PDF

*3  The Engineering ToolBox. Carbon Dioxide — Liquid Properties (saturated liquid: 20 °C, cp ≈ 5.0 kJ/(kg·K); 30 °C, ρ ≈ 598 kg/m³, cp ≈ 36.4 kJ/(kg·K)). https://www.engineeringtoolbox.com/carbon-dioxide-d_1000.html

*4  Choi, Y.-S., Nešić, S., et al. Wellbore integrity and corrosion of low alloy and stainless steels in high pressure CO₂ geologic storage environments: An experimental study. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2014 (carbon steel ≈ 20 mm/y at 30–80 bar pCO₂, 60 °C). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1750583614000322

*5  ISO 27913:2024, Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Pipeline transportation systems, 2nd edition, ISO/TC 265 (water content ≤ 50 ppm in gaseous and ≤ 100 ppm in dense phase; no free aqueous phase at any point). https://www.iso.org/obp/ui#iso:std:iso:27913:ed-2:v1:en

*6  TWI Ltd. Selection of materials for high pressure CO₂ transport (alloy selection and rapid gas decompression of elastomers). https://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/selection-of-materials-for-high-pressure-co2-transport

*7  API Standard 674, Positive Displacement Pumps—Reciprocating, 3rd edition, December 2010 (errata April 2015; reaffirmed November 2016). Washington, DC: American Petroleum Institute.

*8  ISO 13710:2004, Petroleum, petrochemical and natural gas industries — Reciprocating positive displacement pumps. Geneva: International Organization for Standardization.