docInnovative Produktentwicklungen bei Kreiselpumpen für das
download 
Report Transcription
Innovative Produktentwicklungen bei Kreiselpumpen für das
Innovative Produktentwicklungen bei Kreiselpumpen für das Segment HPI ( Erdöl, Gas, Petrochemie ) Innovative Produktentwicklungen bei Kreiselpumpen für das Segment HPI ( Erdöl, Gas, Petrochemie ) • • Sulzer Pumps Sulzer Pumps Mantelgehäusepumpen mit gegenläufiger Laufradanordnung Magnetgekuppelte mehrstufige API-Pumpen ( horizontal und vertikal ) • Magnetgekuppelte API-Pumpen mit Doppelspalttopf für besondere Anwendungen • Einstufige API-Pumpen für kleine Fördermengen und große Förderhöhen • Einstufige Mehrphasenpumpen und Hybrid Pumpen GSG – Design Overview Sulzer Pumps Bolted Cover In Line, Bolted Cover Low Pressure, 110bar 40-180, 50-220, 80-260, 100-300, 125-330, 150360, 200-400 High Pressure, 250bar, 100-300, 125-330, 150360, 200-400 Back to Back max. 400bar Twist Lock Twist Lock or Bolted Cover 50-220, 80-260, 80-310, 100-300, 100350, 125-330, 150-360, 150-390 High Temperatur 400°C, only Bolted Cover GSG Inline – Hauptbauteile Sulzer Pumps Zwischenentnahme möglich Radialgeteilte, identische Stufengehäuse, Lauf und Leiträder Sauglaufräder oder doppelflutige Laufräder vorhanden Wälz- oder Gleitlager vorhanden Auswechselbare Labyrinthe Befestigung Gehäusedeckel mit "Super- nuts" bei hohen Drücken Entlastungskolben und E- Buchse Inline- Rotor mit Einzelradabstützung Radialgeteiltes, geschmiedetes oder gegosenes Gehäuse, gekammerte Dichtungen Vorteile der Back to Back Ausführung Sulzer Pumps API 610 / ISO 13709 verlangt eine stabile Rotordynamik auch bei zweifachem Spaltspiel. Das ist bei der Inline Ausführung nur bis zu einer bestimmten Stufenzahl möglich und begrenzt damit die Förderhöhe bei Pumpen mit Direktantrieb. •Die Mittelbuchse wirkt als hydrostatisches Lager, der Lomakin – Effect bewirkt kontaktfreien Lauf im Betrieb •Hohe Stufenzahlen auch bei niedrigen Viskositäten •Verringerung des Lagerabstandes •Durchbiegung der Welle reduziert, Welle liegt auf der Mittelbuchse auf •Reduzierter Restaxialschub, kleinere Lagergrößen •Druckölschmierung nach API Kriterium •Keine Axialschubbeeinflussung durch Verschleiß der Spaltringe L/2 L/2 L GSG – Axialschub bei Inline Bauweise Sulzer Pumps GSG Inline Fa Total = Fa 1st+Fa nst Fa nst Fa 1st Ps 1st X FDrum ~ 85% Fa Total X Pd 1st Ps nst X X FDrum Pd nst Ps ¾ Unterschiedliche druckbeaufschlagte Flächen vor und hinter dem Laufrad erzeugen eine Axialkraft in Richtung Saugseite ¾ Durch die gleiche Anordnung aller Laufräder summieren sich die Axialkräfte. ¾ Die gesamte Axialkraft wird durch den Entlastungskolben theoretisch ausgeglichen. Das Axiallager nimmt die Restaxialkraft auf. GSG – Axialschub bei Back to Back- Bauweise Axialschub Sulzer Pumps Axialschub Restaxialschub Durch die gegenläufige Anordnung der Laufräder wird der Axialschubes fast vollkommen ausgeglichen. Bei Verschleiss der Spaltringe wird der Restaxialschub nur geringfügig beeinflusst. GSG – Hochtemperaturausführung Sulzer Pumps Spezielle Ausführung für Betriebstemperaturen > 260°C Graphit Abdichtungen dampfbeheizte neue Anordnung der GLRD Mantelgehäuse mit Beheizung Elastische Befestigung der Entlastungsbuchse, verhindert ein verringern des Kolbenspieles Stufengehäuse mit Metallabdichtung erweiterte Spaltspiele GSG – Befestigungsmöglichkeiten der Gehäusedeckel Sulzer Pumps • Supernuts – Anziehen von Hand mit Drehmomentschlüssel, oder, • Stiftschrauben und Muttern – wie bisher – hohe Drehmomente, unsichere Schraubenkraft, oder, • Sulzer Patent, "Twist Lock" Twist- Lock- Druckdeckel, kleinere Gehäusewandstärke – keine Schrauben und Muttern, schnellere Demontage. Deckel installiert Deckel eingeführt und teilweise gedreht Deckel in Position und fixiert GSG back to back, Sleeve-Ball-Lagerung Lagerkühlung, drs. drehrichtungsabhängig Radial-Gleitlager Ringölschmierung Haltering für Schrägkugellager Schrägkugellager, OAnordnung, nur axialbelastet, Ringölschmierung, Sulzer Pumps Lagerkühlung, sgs. drehrichtungsabhängig Konisches Wellenende mit Sicherungsmutter Lagerträger eingestellt und verstiftet Lagerträger axial-geteilt Auswechselbare Lagerabdichtung, IMPRO GSG back to back, Pumpe-Saugseite Sulzer Pumps O-Ring Abdichtung, Druck 2.Stufe Eintritt Entlastungsstrom zur ersten Stufe Anschluss Zirkulation zur Druckseite Anschluss Zirkulation zur Saugseite GSG back to back, Centerbuchse Sulzer Pumps Druckseitige Stufenpaket mit Dehnspalt Centerbuchse elastisch fixiert Saugseitiges Sufenpaket mit Montageschrauben gehalten Laufräder mit leichtem Schrumpfsitz, 0,1mm unterschiedlich Centerhülse Federn zur Anpressung des druckseitigen Stufenpaketes Entleerung Enddruckraum GSG back to back – 3-fach-Gleitringdichtung (Fördermedium Propylen) Anschluss Zirkulation von 2.Stufe NS, von 1.Stufe AS Spülbohrung mit Blende für ausreichenden Druck und Zirkulation Sulzer Pumps Plan 23 Kühlung GLRD Befestigung mit Schrumpfscheibe Einstellhülse für sichere Abstützung gegen geteilten Ring Pumpring GLRD mit dampfbeheizten Räumen Sulzer Pumps Heizräume um die Gleitringdichtung GSGM Pump Features Sulzer Pumps Protection devices Barrel PT100 Outer rotor Inner rotor Balance device Motor with Flange Hollow shaft Safety seal PLB PLB Cover Hydraulic parts from Multistage Programme Containment shell GSGM 50-220/10 Zirkulationsströme Sulzer Pumps Entlastungsstom durch die Welle zur 1. Stufe, Teilstrom durch das Lager NS Zirkulation Magnetkupplung, von 1.Stufe über Magnetkupplung durch die Welle zum Eintritt vor erster Stufe, Teilstrom durch das Lager AS. GSGM Vorteile Sulzer Pumps • Pumpe ist nach API 610 ( ausser E-Scheibe) • Pumpe ist hermetisch dicht • Keine ölgeschmierte Lagerung notwendig • Verringerung der Überwachung, (kein Vorlagesystem für GLRD) • Kürzeres Aggregat • Geringer Lagerabstand, sehr gute Rotordynamik wegen kurzer und dicker Welle, verringerte Vibration und Geräuschemmission • Weniger Instrumentierung Balance Devise for Axial Thrust Compensation Sulzer Pumps PEEK Thrust Ring Balance Disc Balance Counter Disc Split Ring Pump Shaft Safety Seal for Pumps with Magnetic Coupling Sulzer Pumps Dry-running Gas Phase Seal Typ CGSX/35 sealing ring stationary counter ring multi springs Advantages • No maintenace required • Static pressure up to 75bar • No edditional heating sealing casing U-grooves independent of rotational sense • Independent of rotating direction Sealess HPI Pump, Type GSGM back to back Sulzer Pumps Axial / Radial Bearing Hydro dynamic radial bearings High Efficiency Magnet Coupling TTMCM – Anwendung in der Industrie Sulzer Pumps TTMCM Pumpen werden bevorzugt eingesetzt wenn brennbare, explosive, aggressive oder giftige Medien ohne Leckage gefördert werden müssen. Diese Medien haben meist einen geringen Druck über dem Dampfdruck (NPSHA). Der notwendige Zulaufdruck wird durch tiefersetzen des Sauglaufrades erzeugt. Einsatzgebiete Raffinerien Chemische und Petrochemische Industrie In Gasverflüssigungsanlagen In der Kältetechnik Ein großer Vorteil ist auch der geringe Platzbedarf TTMCM Beschreibung Sulzer Pumps Die Sulzer TTMCM-Pumpen sind vertikale, mehrstufige, radialgeteilte Pumpen mit Magnetkupplung Druckbelastete Teile sind nach API 610 ausgeführt Magnetisches Axiallager Axialschubausgleich durch Entlastungsscheibe und - Gegenscheibe Magnetkupplung mit hohem Wirkungsgrad Retrofit von Pumpen mit Gleitringdichtung möglich TTMCM Konstruktions - Details Sicherheitsgasdichtung Produktgeschmierte Gleitlager, Siliciumcarbid / SUME-SOL ( SULZER Patent) Anschluss für Lekageund Druckwächter TTMCM Konstruktions - Details interne Zirkulation durch die Welle Sulzer Pumps NML Magnetkupplung PERMAVOR als magnetisches Axiallager Selbstreinigender Magnetfilter für den Zirkulationsstrom Sulzer Pumps Laufräder,Leiträder und Stufengehäuse vom horizontalen, mehrstufigen Programm Produktgeschmierte Gleitlager, Siliciumcarbid / SUME-SOL ( SULZER Patent) Spezielles Einlaufgehäuse für excellente NPSHR Werte Axialschubausgleich, Entlastungsscheibe/ Gegenscheibe Druckleitung zum Axilschubausgleich TTMCM typische Anwendungen Æ • • • Medium: • Temperatur:-56°C up to 120°C (150°C Auslegungstemperatur) • • • Ausführung: TTMCM Referenz Flüssiggas Sulzer Pumps Propan, Butan, Ethane Ethylene, Propylene Kohlenwasserstoffe ÆBenzin, Benzol, Ethanol Infloor Æ geringes NPSH A Overflow Æ genügend NPSH A Sulzer Pumps Train of TTMCM‘s in a Liquid Gas Plant BASF Germany Reference TTMCM OMV Burghausen Sulzer Pumps Pump size TTMCM 50-180/9 Medium HC + 5% Ethylbenzol Capacity 66,5 m³/h Head 332 m Design pressure 40 bar Operating temp. 25°C Motor Power 90 kW High efficiency containment shell Sulzer Pumps Segmental rings (isolated and sealed) Disc springs preloading the segmental rings Drive Magnets Fixation flange Driven Magnets Containment Shell Slotted outer shell Deep drown Containment shell Advantage: Segmental containment shell has only 20% of the Eddy Currents, compared to the Deep drown containment shell TTMCM - Balance device , disc / counter disc Sulzer Pumps Advantages •No residual axial trust •independent of viscosity Balance Disk •high efficience Pressure Chamber •Axial pre throttle has the effect as an product lubricated bearing Radial throttle gap Axial pre throttle gap TTMCM - Product lubricated bearing Bearing housing Silicon Carbide bushing Bearing sleeve coated with SUME® SOL 220 •Coating can be aplied directly to rotors and stators, easely replacable •maximum sliding wear resistance •high load-bearing capacity SUME® SOL 220 layer Basic sleeve material •solid lubricant dispersion to promote lubrication under extreme conditions Balance Counter Disk Sulzer Pumps Magnetically axial Bearing Sulzer Pumps Axial Forces with 10 Magnetic Rings Rotor displacement [mm] Stator TTMCM - Standard Safety Instrumentation Pressure indicator, shut down the motor if 2bar indicated. PT100-Temperature Monitoring of the circulation fluid, indicate plugged circulating path. Liquide detector on secondary containment (only if the medium vapore pressure < atmosphare) Liquide detector on discharge line, best way to see that the whole pump is filled with medium. Rotor Sulzer Pumps Load Monitor installed in the motor cable, indicate dry running or cavitation by power dropping. Gas phase mechanical seal, dry running, designed for high pressure, allow increase pressure in the secondary containment. Liquide detector on suction line, necessary for fluid gas loading pumps. TTMCM Self purifying Magnetic Strainer Sulzer Pumps 6 Magnetic rings around on the stationary retainer Circulation fluid Rotating Plate Function of the Strainer: Magnetic particles in the circulation fluide will be collect by the stationary magnets. If the clearance between the magnets and the plate is full of particles, the rotating plate will thow avay the particles and open the circulation path. ZEM 50- 450 mit Doppelspalttopf, Sulzer Pumps Zirkulationsanschluss mit Monelrohr Anschluss, Drucküberwachung Spalttopf/Inliner ZE - Bauteile Mitnehmer als Ventilator Gehäusedeckel: Monel Stahl Zwischenstück mit Kühlrippen OHM - Bauteile Magnetkupplung NMB 685 22P–35-4R ND2 + Monell Doppelspalttopf für Magnetkupplung Sulzer Pumps Anschluss zur Drucküberwachung Inliner mit Flansch verschweißt oder verschraubt Inliner: 0,6mm dick Monell 400 oder K-500 Segmentspalttopf in vorhandener Konstruktion Doppelspalttopf, Konstruktionsdetails Sulzer Pumps Ausbau des Inliners Magnetkupplungsprüfstand Nut im Segmentspalttopf für Druckanzeige Überwachungssystem für Doppelspalttopf Sulzer Pumps Drucküberwachung Anschluss zur Warte Testanschluss Secondary Containment Verbindung zum Überwachungsraum Inliner ( rot ) Doppelspalttopf, Vorteile / Nachteile Vorteile • Keine Abdichtung der Spalttopfsegmentringe zum Fördermedium • Schnelles Ansprechen der Überwachung • Geringerer Schaden beim Versagen der Lagerung und Anstreifen des Innenrotors • Einfachere Reparatur des Spalttopfes ( evtl. nur Inliner) • Verzicht auf Gasdichtung • Secondary Containment ist nicht druckbelastet • bei kritischen Medien ist nur der Inliner medienberührt Nachteile: • Höhere Verlustleistung durch die zusätzliche Wand des Inliners • Eventuell niedrigere, zulässige Drücke oder reduziertes Drehmoment Sulzer Pumps Prüffeldaufbau SWB Sulzer Pumps Prüffeldaufbau SWB Sulzer Pumps Low Flow Overhung Development Sulzer Pumps • The low flow range map begins at < 1m3/h and goes to about 50 m3/h • Heads required are similar to those of larger flow overhung pumps. Customers always want more head, so we pushed the limit to see how far we could go in a single, overhung impeller • While ISO 13709 prefers enclosed impellers, they are not practical at such low width to diameter ratios, so a semiopen impeller design was utilized • Barske impeller designs have been used for many, many years. They have many vanes and make much head per stage, but are typically unstable (droop toward zero flow) • Producing a pump with a stable curve, was the challenge. Low Flow Overhung Development • The bearing frame utilized for the low flow pump is the same as for the larger flow rate overhung pumps (for both end suction and vertical inline versions). Only the shaft end under the impeller is different due to the different impeller design required. • ISO 13709 specifies the seal chamber dimensions and ISO 21049 requires use of cartridge type mechanical seals. The low flow pumps utilize the same seal as used in the global overhung pumps. • The hydraulic components are the difference. Sulzer Pumps Low Flow Overhung Development Sulzer Pumps • Several impeller designs were tested with several different casings and diffusers. • We wanted to achieve best available head coefficient, and best achievable efficiency • All those "wants" had to occur while maintaining a stable head – capacity curve • After much prototype testing, we found we were not able to achieve all the requirements in just a circular volute. We looked at bypassing the unstable portion of the curve through internal drillings, but the efficiency was not attractive in larger low flow sizes. • In the beginning, we were unable to achieve stable H-Q curve even with our best impeller and diffuser configurations. It took months of CFD work and more testing before we finally were able to achieve reasonable results – with stable curves. If we build it, we must test it… • • • Impellers are investment cast. Inducer optional on larger sizes Sulzer Pumps ISO 13709 requires performance testing of each pump. Customers often desire NPSH testing if their NPSHa is very close to the pump's NPSHr. The production test loops at some of our factories were not optimized for extremely low flow and very low NPSH testing A new test loop was installed that solved both problems. It allowed us to measure extremely low flow rates with assurance. It allowed us to pump down the test loop much more rapidly in order to do vacuum suppression NPSH testing at low values. Low Flow Overhung Development Sulzer Pumps • ISO 21049 requires that the minimum orifice size used in seal flush piping must be 3mm or larger. • We used that logic to size our minimum diffuser throat - 3mm. That limited how low the Best Efficiency Point flow will be. • The small diffuser throats cause rapid decrease in head beyond BEP. For that reason, we limited the low flow curves to about 105% of BEP. • To achieve world class performance, some of the diffuser throats are not straight lines. With such small dimensions, machining techniques took some time to perfect. • Due to the very low flows and relatively high head generated, the efficiencies are sometimes very low – some at 5% or less – which may be hard to believe, but that is world class for that Nq Low Flow Overhung Development Sulzer Pumps • From the previous example, with 5% efficiency, 95% of the power is going toward heat generation. Many HPI customers don't worry about pump temperature rise since they are adding heat to their process anyway. • However, temperature rise and vapor pressure increase in light hydrocarbons, becomes important. • Such low flow pumps are "partial emission" designs meaning that only a small portion of the fluid circulated by the impeller passes through the diffuser throat and out the discharge. There is much mixing of the fluid from the impeller discharge back into the impeller eye. • On fluids with a rapid increase in vapor pressure for a few degrees temperature increase, consideration must be given to vapor pressure at discharge temperature, but at suction pressures. Low Flow Overhung Development Sulzer Pumps • Some of our low flow single stage sizes will make > 300 m head at 2950 rpm, > 400m at 3560 rpm. Power levels can exceed 300 kW • Even with efficiencies approaching 50% on larger low flow sizes, temperature rise is still a concern in propane, butane, ethane and other light hydrocarbons with steep VP vs T curve. The same pump would run well on water or heavy hydrocarbons with flatter VP vs T curve. Example: Small Propane Pump for 130m head, 6% eff: T. R. (oC) = 0.00981 x Head (m) x [(1/eff) – 1] c (kJ/kg/K) = 0.00981 x 130 x [(1/0.06) – 1] 2.3 = 8.7 oC Low Flow Development Sulzer Pumps • Temperature rise at startup against a closed valve is another concern due to the small liquid volume in the pump casing. Low flow, single stage, high speed pumps have same issue. • It is evident that these pumps may be applied to a number of customer hydraulic requirements. However, they are not the "cure all" and we must understand the limitations to avoid misapplication T.R. degrees/minute at shutoff = T.R.(oC) = kWso x 60 liters x Cp A pump with 11 kW shutoff power, 7.4 liter liquid volume on hydrocarbon with 2.1 cp, will create a T.R. of 42 oC/minute Alternatives Sulzer Pumps • Multistage pumps are more efficient (and more expensive) • They are available in horizontal and vertical configurations • Horizontal multistage are limited on number of stages • High speed pumps are more efficient, but have same issue with small casing and temperature rise at startup – pump could be full of vapor in less than a minute • Positive Displacement pumps are more efficient but depending upon the type, may present sealing or pulsation issues Single Stage Multiphase • For frothy or vapor entrained fluids, we developed a single stage, helicoaxial pump • The hydraulic components are from a stage piece utilized in our large multistage multiphase pumps. • The bearing frame is from the overhung end suction products discussed on the previous slides • Due to small market size, pumps are engineered to order Sulzer Pumps Gas Tolerant Hybrid Pump Sulzer Pumps For higher dP and vapor entrained fluids, the gas tolerant hybrid pump was developed Several stages from our multiphase pump are on the suction end. Those are used to compress the vapor into a small volume or into liquid phase Those are followed by conventional centrifugal, radial flow multistage pieces Note the substantial shaft and bearing system Due to limited market, pumps of this type are engineered to order Questions / Discussion • Questions • Discussion Thank you for your attention ! Sulzer Pumps
