Fehlerbehebung bei einer fehlerhaften API-Pumpe

Jul 29, 2023

Eine Solefeld-Injektionspumpe ist ein wichtiger Bestandteil jedes Sole- oder Salzanlagenbetriebs, der Lösungsbergbau für Rohstoffe betreibt.

In den zwei Jahren, für die Aufzeichnungen vorlagen, fiel alle zwei Monate eine dieser beiden 4 x 3 x 16 Zoll großen Kreiselpumpen mit 400 PS (PS) und 3.600 Umdrehungen pro Minute (U/min) aus (Bild 1, oben). Die Wartungskosten waren vorhersehbar und hoch.

Jeder Ausfall stellte eine Prozessunterbrechung bei der Herstellung von Sole für eine Salzanlage dar und verursachte Wartungs- und Auftragnehmerkosten. Warum es sich jedoch um eine so problematische Pumpe handelte, war ein Rätsel, und die hohen Kosten konnten nicht toleriert werden.

Das damalige Prozessdesign war in Bild 2 dargestellt. Soweit irgendjemand wusste, stammte dieses Design aus dem Jahr 1984, als dieses Pumpen- und Prozessdesign zum Recycling von Entlüftungen übernommen wurde.

Aufgrund des Prozessdesigns und der Konfiguration der vorgeschalteten Rohrleitungen kann die Pumpleistung von 1 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3) bei Wasserbetrieb bis zu 1,20 g/cm3 (100 % Salzgehalt) bei einem Schwall vollständig gesättigter Sole schwanken. Die durchschnittliche Dichte im Laufe der Zeit betrug etwa 50 % Salzgehalt oder 1,10 g/cm3, aber die Pumpe erkannte nicht so sehr den Durchschnitt als vielmehr die Abweichungen.

Die nachgelagerten Rohrleitungen waren ein weiterer Teil der Geschichte, da die Solebrunnen 2.500 Fuß tief waren. Dabei handelte es sich um ein U-Rohr-Design mit Pumpleistung unterschiedlicher Dichte auf der linken Seite und gesättigter Sole mit 1,20 g/cm3 auf der rechten Seite.

Als ob das Prozessdesign nicht schon eine große Herausforderung für die Pumpe darstellte, hatten die Betreiber als bevorzugte Praxis eine Drosselung nach der Kaverne eingeführt. Dies war eine neue Entwicklung der letzten Jahre und hat die bereits problematische Situation noch verschärft. Aus diesem Grund mussten die Pumpen alle zwei Monate ausgetauscht werden.

Die Kombination aus Prozessdesign und Betriebspraxis führte dazu, dass die Pumpe einen Zyklus mit nahezu totem Kopfbetrieb links vom Best-Efficiency-Point (BEP) durchlief und dann den BEP überquerte, um ganz rechts vom BEP in Kavitation zu arbeiten.

Die Drosselung nach der Kaverne wurde von den Betreibern aufgrund der Logik, dass „die Sole nach dem Ausfall einer Pumpe noch lange nachfließen würde, bevorzugt.“ Den Betreibern war nicht bewusst, dass diese Praxis das Frequent-Failure-Syndrom begünstigte.

Wenn man sich die Aufzeichnungen über den Systembetrieb ansieht, verraten die Hoch- und Niedrigdurchflussaufzeichnungen während eines Monats einen Teil der Geschichte. Es gab eine große Abweichung vom niedrigsten über den durchschnittlichen zum höchsten Durchfluss. Bei vielen der täglichen Messungen wird der Durchfluss auf einen Wert geschätzt, der zu weit vom BEP entfernt wäre.

Das Problem war nicht nur ein hoher oder niedriger Durchfluss, sondern beides (das zu unterschiedlichen Zeiten auftrat). Die Pumpe schwankte entlang ihrer Leistungskurve hin und her, von nur 100 Gallonen pro Minute (gpm) bis zu einer hohen Geschwindigkeit von 860 gpm, die jenseits des Endes der Leistungskurve lag und bei der das Kavitationsgeräusch stark war.

Die vom Motor verbrauchte Leistung erzählte eine überraschendere Geschichte. Der Motor befand sich häufig in einem überlasteten Zustand, mit Stromstärken von bis zu 60 – weit über der auf dem Typenschild angegebenen Nennleistung von 52.

Diese wiesen darauf hin, dass ein übermäßiger Fluss hochdichter Flüssigkeiten auch unter dem Gesichtspunkt der Motorbelastung ein ernstes Problem darstelle, und dass all diese Energie in die Pumpe gespeist werde und alle zwei Monate zur Selbstzerstörung führe.

Warum sollte so viel Varianz auftreten? Einige Daten zur Pumpdichte helfen, die Geschichte zu konkretisieren. Der gemessene Salzgehalt schwankte bei mehr als 200 Messwerten zwischen 8 % und 86 % und die Durchschnittswerte lagen bei etwa 50 % (Bild 4). Schwankungen des Salzgehalts in Kombination mit dem Prozessdesign zwangen die Pumpe, über ihren gesamten Durchflussbereich hinweg zu variieren.

Betrachtet man das gesamte System, könnte es entweder mit zwei in Betrieb befindlichen Brunnen (einer rein, einer raus), drei Brunnen (zwei rein, einer raus oder umgekehrt) oder vier Brunnen (zwei rein, zwei raus) betrieben werden, die die Pumpen versorgen je nach Konfiguration zu deutlich unterschiedlichen Austritts-Reibungsverlusten.

Für die unterschiedlichen Situationen wurden hydraulische Modelle entwickelt. Die Pumpe eignete sich für die Situation, in der nur Wasser gepumpt wurde, und die Strömung gelangte nicht in die Kavitationszone (Bild 7).

Bei der Betrachtung der Systemleistung mit der schwachen Sole mit niedrigem Salzgehalt von 27 % (1,05 g/cm3) stellen Benutzer fest, dass das System bei geringer Auslassreibung (vier Brunnen) in Überlauf und Kavitation geraten kann, wenn es nicht gedrosselt wird.

Die statische Fallhöhe aus der Höhe wurde durch die Umschaltung des Dreiwegeventils weg vom Seewasser reduziert. Der statische Druck aufgrund des Dichteunterschieds wurde aufgrund der Flüssigkeit mit höherer Dichte von 497 Fuß auf nur 349 Fuß reduziert. Die Systemleistungskurven verschieben sich nach rechts und fallen gegenüber der Leistungskurve der Pumpe ab (Bild 5).

In ähnlicher Weise wird bei einer höheren Pumpdichte bei schwacher Sole mit einem Salzgehalt von 82 % (1,16 g/cm3) die statische Förderhöhe aufgrund der Dichtedifferenz weiter verringert, wodurch die Systemkurven weiter nach außen auf der Pumpenkurve verschoben werden. Bei einer so hochdichten Flüssigkeit beträgt die statische Förderhöhe Der Dichteunterschied sinkt auf nur 81 Fuß, und alle drei Abflusssituationen führen zu einer Kavitationsströmung weit rechts vom BEP (Bild 8).

Das oben Genannte ist alles theoretisch, aber schauen Sie sich an, was die tatsächliche Pumpe tat. Die Beobachtung zeigte, dass die Pumpe einen sich wiederholenden Zyklus durchlief, bei dem die Pumpe über ihre Pumpenkurve lief, frei von Kavitation bei mehr als 750 gpm bei heißer Flüssigkeit und dann wieder ganz links vom BEP (Bild 6).

Beim Umschalten von Seewasser auf schwache Solepumpe durch das Dreiwegeventil stiegen Durchfluss, Druck und Leistung, da die Dichte zusammen mit dem Einlassdruck von -5 auf +50 Pfund pro Quadratzoll (psi) gestiegen war. Dies wird als Zeit = 0 eingestellt. Dann, beginnend bei etwa 13 Minuten, kam ein Schwall hochdichter Sole durch und Durchfluss und Leistung nahmen weiter zu.

Der Druck nahm jedoch aufgrund eines stromabwärtigen Effekts ab, da Sole mit höherer Dichte die Bohrlochtiefe füllte. Kavitationsgeräusche begannen, als die hochdichte und heiße Sole durch die Pumpe strömte, und die Kavitation hielt an, bis das Dreiwegeventil nach etwa 52 Minuten nach Beginn des Zyklus wieder auf Seewasser umschaltete. Es kam erneut zu Transienten, als Wasser zuerst die Rohrleitung und dann den Brunnen füllte. Der Durchfluss nahm ab und wurde stabil, als das System vollständig mit Wasser gefüllt war. Dann, nach 98 Minuten, schaltete das Dreiwegeventil um und der Zyklus wiederholte sich.

Wie können Benutzer das Problem der häufigen Fehler beheben? Beseitigen Sie die Ursachen für Abweichungen und sorgen Sie dafür, dass die Pumpe stabil läuft, indem Sie:

Diese Änderungen sind in Bild 3 dargestellt, dem geänderten Prozessdesign in der überarbeiteten Fassung.

Dann wurde die von dieser Pumpe erwartete Langlebigkeit erreicht, und die Lebensdauer der Dichtungen wurde zum begrenzenden Faktor und nicht zum Lagerausfall. Die Lebensdauer wurde weiter verlängert, als das Laufrad zur Energieeinsparung getrimmt wurde, zunächst von 16,0 auf 14,5 Zoll Durchmesser, dann auf 14,0 Zoll und schließlich auf 13,75 Zoll. Es wurde viele Jahre lang in diesem Modus betrieben. Die Pumpe war zu einem zuverlässigen Teil des Salzherstellungsprozesses geworden und nicht mehr alle zwei Monate ein Albtraum.

Der frühere Antrieb hatte eine Spannung von 4.160 Volt (V) und war nicht ohne weiteres geschwindigkeitsgeregelt. Als die Anlagenanforderungen eine höhere Kapazität erforderten, wurde das Laufrad mit einem Frequenzumrichter (VFD) auf 16,0 Zoll zurückgestellt und trieb einen neuen 480-V-Antrieb an einem neuen Standort an. Ein weiterer Vorteil für die Langlebigkeit der Pumpe war die Senkung der Betriebsgeschwindigkeit, um sie an die Prozessanforderungen anzupassen, und der Wegfall jeglicher Ventildrosselung.

David Crea ist ein ehemaliger Chemieingenieur und aktueller Berater. Er schloss sein Studium an der University of Idaho ab. Crea ist jetzt im Ruhestand und lebt in Watkins Glen, New York. Er kann unter [email protected] erreicht werden.