Nachrüstung einer Raffineriepumpe steigert die Produktion

Jul 15, 2023

Querschnitt des Pumpenzylinders und der Innenteile, zeigt die Reduzierung von 10/9 Stufen (Bildquelle: Sulzer)

Matt Kinney, Hydraulik-Retrofit-Spezialist bei Sulzer, untersucht ein Beispiel in Texas, wo ein Retrofit-Projekt die Erreichung neuer Ziele ermöglichte.

Durch Änderungen der nationalen Vorschriften in den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Diesel mit extrem niedrigem Schwefelgehalt (ULSD) deutlich gestiegen. Infolgedessen mussten Raffinerien ihre Prozesse anpassen und innovative Lösungen finden, um ihre Kapazität zu erhöhen. In Texas führte die Situation dazu, dass sich eine Raffinerie an das Odessa Service Center von Sulzer wandte, um nach möglichen Lösungen zu suchen.

Im Mittelpunkt des Projekts standen zwei 10-stufige Dieselladepumpen vom Typ BB5, die die Förderleistung um über 47 % steigern mussten. Die BB5 des American Petroleum Institute (API) ist eine Fasspumpe, die ein mehrstufiges, axial geteiltes Innenbündel mit einer entgegengesetzten Laufradkonfiguration umschließt.

Da die Druckgrenze radial geteilt ist, sind diese Pumpen typischerweise für Hochtemperatur- und/oder Hochdruckanwendungen ausgelegt. Mit der Fähigkeit, Drücke und Temperaturen von bis zu 6.250 psi (431 bar) bzw. 800 °F (427 °C) zu bewältigen, ist die API BB5 eine hervorragende Pumpenauswahl für Anwendungen wie Wassereinspritzung, Ölexport, Kesselspeisung, und Gebührenservice.

Neue Ziele festlegen Die ursprünglich im Jahr 2006 installierten Pumpen hatten eine Nennleistung von 1.110 gpm (252 m3/h) auf 4.014 Fuß (1.223 m). Aufgrund der veränderten ULSD-Nachfrage waren die Zuverlässigkeitsingenieure der Raffinerie jedoch an einer Kapazitätserhöhung auf 1.628 gpm (370 m3/h) bei 3.450 Fuß (1.052 m) interessiert. Das Ziel von Sulzer bestand darin, die wirtschaftlichste und zeitnahste Lösung zu finden, um die Bedürfnisse des Kunden zu erfüllen.

Unter diesen Umständen gab es drei mögliche Optionen. Kaufen Sie zunächst eine neue Pumpe, die den neuen Kapazitätsanforderungen entspricht. Alternativ können Sie die ursprünglichen Pumpen modifizieren oder neu dimensionieren oder beide vorhandenen Pumpen parallel mit 100 % Nennleistung betreiben (abhängig von der Systemkurve des Kunden).

Jede dieser Optionen hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Beispielsweise wäre ein Parallelbetrieb eindeutig am kostengünstigsten, um die Durchflusssteigerung zu erreichen. Allerdings ist die fehlende Systemredundanz im Fehlerfall riskant und kann oft sehr kostspielig in Form von Produktionsausfällen sein.

Eine neue Pumpenauswahl, die zur Anwendung passt, könnte im Hinblick auf die Effizienz vorteilhaft sein, aber lange Vorlaufzeiten, die Kosten für die Neuverlegung von Rohrleitungen und Grundplatten-/Fundamentänderungen können diese Option weniger attraktiv machen. Es gab eigentlich keine Nachteile, die Pumpen neu zu bewerten, außer dass die gewünschte Leistung bei der gegebenen Rahmengröße möglicherweise nicht immer erreichbar ist. Wenn dies jedoch möglich ist, ist eine Neubewertung oft schneller und wirtschaftlicher.

Design-Einfachheit Angesichts der Bedeutung dieser Dienstleistung für den Gesamterfolg der Raffinerie war die Möglichkeit einer Neubewertung von großem Interesse. Zur Unterstützung des Kunden führten die Sulzer-Ingenieure eine gründliche Machbarkeitsstudie sowohl hydraulisch als auch mechanisch durch, um festzustellen, ob das Ziel erreichbar ist.

Eine auf einer bestimmten Geschwindigkeit (Ns) basierende Suche in der umfangreichen hydraulischen Datenbank von Sulzer ergab ein bestehendes, bewährtes Design, das den Anforderungen des Kunden gerecht werden würde – vorausgesetzt, die Laufräder passten physisch und die Bereiche der Spiraldüsen im Innengehäuse konnten ausreichend vergrößert werden ermöglichen, dass das Laufrad die vorgesehene Leistung erbringt. Eine Durchsicht der Entwicklungszeichnungen der Spirale ergab die Gewissheit, dass beide Punkte erfüllt werden konnten.

Sulzer entschied sich dafür, den Ansatz so einfach wie möglich zu halten, um die Gesamtprojektzeit zu minimieren. Dies wurde durch die Auswahl einer vorhandenen Standard-Laufradhydraulikkonstruktion erreicht, die für die gewünschte Leistung geeignet war und sich durch mindestens zwei Werkstests bewährt hatte. Darüber hinaus stellte das Unternehmen sicher, dass die Gehäusemodifikationen an das neue Laufrad angepasst werden konnten, und bestätigte, dass die Düsenfläche ausreichend vergrößert werden konnte, um die Leistung der Referenzpumpe nachzuahmen.

Im Idealfall hätte Sulzer nach Abschluss dieser Arbeiten einen Werkstest durchgeführt, aber der Zeitplan des Projekts ließ dies angesichts der vereinbarten Frist leider nicht zu. Daher war es wichtig, dass die vorgeschlagene Modernisierung durch interne, empirische Daten und Erfahrungen gestützt wurde, um Vertrauen in die Genauigkeit der vorgeschlagenen Designänderungen zu schaffen. Es war notwendig, dass der prognostizierte Laufradtrimm beim ersten Versuch korrekt berechnet wurde.

Optimierte LösungDa eine große Auswahl an Laufradhydraulikkonstruktionen zur Verfügung standen, konnten die Sulzer-Ingenieure eine vorhandene Konstruktion auswählen, die der neuen Förderhöhe und der für die Anwendung erforderlichen Kapazität entsprach.

Eine mechanische Kürzung wurde vorgenommen, um sowohl eine Vergrößerung der Düsenfläche als auch des Lippendurchmessers zu erreichen. Basierend auf empirischen Daten würde die Vergrößerung der Düsenfläche es der neuen Laufradauswahl ermöglichen, den neuen Auslegungspunkt zu erreichen. Durch die Vergrößerung des Spirallippendurchmessers konnten die Konstrukteure einen ausreichenden Lippenspielraum erreichen. Dies und die Tatsache, dass die Kürzung „abgewinkelt“ war, trugen zur Reduzierung der Flügeldurchlaufpulsationen und der Gesamtvibrationsamplituden bei.

Die Auslassschaufeln des Laufrads wurden unterfeilt, um die Auslassfläche zwischen den Schaufeln (OABV) zu vergrößern und die Leistungskurve abzuflachen. Dadurch wurde auch der Best Efficiency Point (BEP) verschoben, um höhere Durchflussmengen zu erreichen.

Der Designprozess machte deutlich, dass die neue Leistungsstufe nicht alle 10 Stufen erforderte. Eine Stufe wurde entfernt, damit die Laufradverkleidung nahezu den vollen Durchmesser erreichen konnte. Dies kam sowohl der Effizienz als auch dem BEP-Standort der Pumpe zugute. Mit der Stufenreduzierung wurde die Auswirkung auf Richtung und Größe des Axialschubs analysiert; Die Größe der inneren Buchsen wurde geändert, um sicherzustellen, dass die Axiallast für das Drucklager akzeptabel war.

Die Herausforderungen meistern Bei einer größeren Umrüstung wie dieser kann es ziemlich schwierig sein, ein neues, relativ großes Laufrad mit hoher Kapazität in das vorhandene Spiralgehäuse einzubauen. Dies liegt daran, dass mehrstufige Pumpen wie diese mit möglichst kurzen Stufenabständen konstruiert sind, um die Gesamtlänge der Pumpe zu begrenzen.

Glücklicherweise waren die Pumpen in diesem Beispiel ursprünglich mit einem Rotor mit relativ geringem Durchfluss im Vergleich zu ihrer Rahmengröße ausgestattet, der mehr Platz zum Arbeiten bot. Um der vergrößerten Laufradaustrittsbreite gerecht zu werden, mussten die Seitenwände der Spirale verbreitert oder „abgeflacht“ werden, um einen ausreichenden Seitenraumabstand zu gewährleisten, der für Kreiselpumpen äußerst wichtig ist.

Darüber hinaus wurde der Durchmesser der Leitungsbohrung im Innengehäuse vergrößert, um dem größeren Durchmesser des Laufradauges Rechnung zu tragen. Die Bohrung wurde auf den maximal zulässigen Wert vergrößert, wobei eine ausreichende Wandstärke zwischen ihr und den Wasserstraßen sowie die strukturelle Integrität des Innenbündels erhalten blieben.

Die erhöhte Pumpenleistung erforderte mehr Leistung, als der ursprüngliche Motor mit 1.250 PS (932 kW) liefern konnte, sodass ein neuer Motor erforderlich war, um diesen Bedarf zu decken. Es waren jedoch keine Änderungen an der Grundplatte erforderlich, da die Rahmengröße für den Motor mit höherer Nennleistung gleich blieb.

Die erforderliche positive Nettosaughöhe (NPSHr) hatte sich mit dem neu gewählten Sauglaufrad erhöht. Dies stellte jedoch kein Problem dar, da die verfügbare Netto-Positivsaughöhe (NPSHa) ausreichend war.

Vorteile liefern Die Entscheidung, die vorhandenen Pumpen neu zu bewerten, statt neue zu kaufen, war in diesem Fall für den Kunden von großem Vorteil. Das Re-Rating-Projekt war wirtschaftlicher, zumal allein der Außenlauf ein sehr hochpreisiges Bauteil ist.

Durch die Neubewertung waren keine Änderungen an der Grundfläche der vorhandenen Pumpe erforderlich, was wertvolle Zeit bei der Fertigstellung des Projekts sparte. Wäre eine neue Pumpe vorgesehen gewesen, wären Änderungen an der Grundplatte und die Neuverlegung der Saug- und Druckleitungen erforderlich gewesen.

Die hydraulischen Modifikationen beschränkten sich alle auf das Innenbündel, sodass das Außenrohr in der Raffinerie verrohrt bleiben konnte. Dies wirkte sich deutlich positiv auf die Gesamtlieferzeit des Projekts aus und der deutlich kürzere Fertigstellungstermin erwies sich für den Kunden als sehr attraktiv.

Projektergebnis Nach Fertigstellung wurde die Pumpe neu installiert und in Betrieb genommen. Aufgrund des hohen Vertrauens in Design und Technik wurden die Leistungstests vor Ort durchgeführt. Die Pumpe übertraf die ursprünglichen Durchfluss- und Förderhöhenanforderungen, was die Erwartungen des Kunden übertraf. Sowohl die Vibrationswerte als auch die Lagertemperaturen lagen deutlich innerhalb der akzeptablen Grenzen.

Dieses Projekt war ein großer Erfolg und der Kunde war mit dem Gesamtergebnis zufrieden. Der letzte große Vorteil bestand darin, dass die Amortisationszeit für die Kosten dieses Projekts in der sehr kurzen Zeit von nur 35 Tagen erreicht wurde.

Quelle: Sulzer Ltd.