Výber čerpadla v rafinérii alebo petrochemickom závode nie je katalógovým cvičením. A petrochemické procesné čerpadlo pracuje v podmienkach, ktoré kombinujú vysokú teplotu, vysoký tlak, horľavú alebo toxickú kvapalinu a nepretržité pracovné cykly. Nesprávny výber spôsobuje neplánované odstávky, zlyhania tesnenia a bezpečnostné incidenty. Táto príručka zahŕňa typy čerpadiel, požiadavky API 610, výber materiálu, systémy mechanických upchávok a postupy spoľahlivosti na úrovni špecifikácií požadovaných procesnými inžiniermi a veľkoobchodnými nákupcami zariadení.
Čo je to petrochemické procesné čerpadlo?
A petrochemické procesné čerpadlo je stroj na manipuláciu s kvapalinami navrhnutý špeciálne na použitie v rafinácii, chemickom spracovaní a príbuznom uhľovodíkovom priemysle. Prenáša kvapaliny, ktoré môžu byť horúce, studené, viskózne, abrazívne, prchavé alebo chemicky agresívne. Čerpadlo musí obsahovať kvapalinu bez úniku, musí spoľahlivo fungovať počas dlhších období medzi plánovanými intervalmi údržby a spĺňať bezpečnostné požiadavky inštalácie.
Prevádzkové prostredie a vlastnosti kvapaliny
- Procesné kvapaliny zahŕňajú ropu, ťažký benzín, benzén, toluén, xylén, kyselinu sírovú, lúh sodný, skvapalnené plyny a vysokoteplotné teplonosné oleje.
- Prevádzkové teploty sa pohybujú od kryogénnej prevádzky pod -100 stupňov Celzia až po službu nabíjania vyhrievaným ohrievačom nad 400 stupňov Celzia.
- Prevádzkové tlaky vo vysokotlakovom prívode do reaktora môžu v niektorých konfiguráciách prekročiť 300 barov.
- Mnoho procesných kvapalín je klasifikovaných ako nebezpečné, horľavé alebo toxické podľa predpisov OSHA Process Safety Management (PSM), vďaka čomu je ochrana s nulovým únikom nesporným konštrukčným kritériom.
- Variácie špecifickej hmotnosti a viskozity naprieč procesnými prúdmi vyžadujú starostlivé hydraulické dimenzovanie, aby sa zabránilo prevádzke ďaleko od bodu najlepšej účinnosti (BEP).
Typy čerpadiel používané v petrochemických službách
Žiadny typ čerpadla nepokrýva celý rozsah petrochemických prevádzkových podmienok. Procesní inžinieri vyberajú technológiu čerpadiel na základe prietoku, diferenčného tlaku, vlastností tekutín a cieľov spoľahlivosti. Nižšie uvedená tabuľka porovnáva hlavné kategórie čerpadiel používaných v petrochemických závodoch.
| Typ čerpadla | Typický rozsah prietoku | Typický rozsah tlaku | Najlepšia aplikácia |
|---|---|---|---|
| Jednostupňová odstredivá | 10 až 5 000 m3/h | Až 30 barov | Prenos produktu, chladiaca voda a všeobecný proces |
| Viacstupňová odstredivá | 10 až 1 000 m3/h | Až 300 barov | Prívod do kotla, prívod do vysokotlakového reaktora, potrubie |
| Zubové čerpadlo (objemové) | 0,1 až 200 m3/h | Až 25 barov | Prenos viskóznej kvapaliny, mazací olej, asfalt |
| Piestové čerpadlo s vratným pohybom | 0,1 až 50 m3/h | Až 700 barov | Vysokotlakové vstrekovanie, dávkovanie chemikálií |
| Skrutkové čerpadlo | 1 až 1 000 m3/h | Až 40 barov | Ťažká ropa, bitúmen, nakladanie vykurovacieho oleja |
Odstredivé čerpadlo pre petrochemický priemysel
The odstredivé čerpadlo pre petrochemický priemysel servis predstavuje väčšinu inštalovaných čerpacích jednotiek v typickej rafinérii. Odstredivé čerpadlá ponúkajú kontinuálny prietok, plynulé zaťaženie krútiaceho momentu, jednoduché ovládanie pomocou pohonu s premenlivou frekvenciou (VFD) a relatívne nízku frekvenciu údržby, ak sú správne dimenzované. Ich kľúčovým obmedzením je citlivosť na čistú pozitívnu saciu výšku (NPSH) – najmä s prchavými uhľovodíkmi v blízkosti ich bodu bublín. Marža NPSH aspoň 1,0 metra nad požadovanou hodnotou NPSH je štandardným minimom, pričom mnohí poskytovatelia licencií špecifikujú pomery marže NPSH 3 dB pre kritické služby.
Možnosti pozitívneho posunu
Objemové čerpadlá sú špecifikované, keď je kvapalina príliš viskózna pre odstredivú technológiu, keď sa vyžaduje presné dávkovanie, alebo keď veľmi vysoké diferenčné tlaky presahujú praktický rozsah odstredivých konštrukcií. Zubové čerpadlá zvládajú viskozity od 20 cSt do viac ako 100 000 cSt. Piestové piestové čerpadlá sú štandardnou voľbou pre vysokotlakové vstrekovanie do reaktorov pracujúcich nad 100 barov.
API 610 Petrochemické procesné čerpadlo – štandardné požiadavky
Štandard API 610 American Petroleum Institute je hlavnou špecifikáciou pre odstredivé čerpadlá v ropnom, petrochemickom priemysle a priemysle zemného plynu. Súlad s týmto štandardom sa vyžaduje pri väčšine projektov EPC na celom svete. An API 610 petrochemické procesné čerpadlo musia spĺňať rozmerové, hydraulické, mechanické a testovacie požiadavky, ktoré výrazne presahujú všeobecnú prax priemyselných čerpadiel.
Kľúčové kritériá dizajnu a konštrukcie API 610
- Minimálny kontinuálny stabilný prietok (MCSF) musí byť definovaný výrobcom a vyznačený na výkonovej krivke čerpadla.
- Preferovaná prevádzková oblasť (POR) je definovaná ako 70 % až 120 % prietoku BEP – výber čerpadla musí umiestniť menovitý bod do tohto rozsahu.
- Pre priemery obežného kolesa nad prahom veľkosti špecifikovaným v norme sa vyžaduje dvojité špirálové puzdro, aby sa znížilo zaťaženie radiálnych ložísk pri prevádzke mimo BEP.
- Ložiskové teleso musí vyhovovať mazaniu olejovým krúžkom, čistou olejovou hmlou alebo prívodom tlakového oleja podľa špecifikácie. Ložiská mazané mazivom nie sú povolené pre väčšinu procesných aplikácií.
- Vyžaduje sa minimálna životnosť ložiska L10 25 000 hodín pri menovitých podmienkach – vypočítaná podľa ISO 281.
- Pred odoslaním je povinná skúška hydrostatickým tlakom pri 1,5-násobku maximálneho povoleného pracovného tlaku (MAWP).
Typové kódy čerpadla podľa API 610
API 610 definuje štandardizované typové kódy, ktoré popisujú mechanickú konfiguráciu čerpadla. V tabuľke nižšie sú zhrnuté najčastejšie špecifikované typy.
| Typový kód API 610 | Popis | Typická aplikácia |
|---|---|---|
| OH1 | Prevesené, nožné, jednostupňové | Všeobecný proces, nízky až stredný tlak |
| OH2 | Previsnuté, namontované na stredovej línii, jednostupňové | Vysokoteplotná prevádzka nad 200 stupňov C |
| BB1 | Medziložiskové, jednostupňové, axiálne delené | Veľkoprietokové, stredne tlakové procesné prúdy |
| BB2 | Medziložiskové, jednostupňové, radiálne delené | Vysokotlakový, vysokoteplotný jednostupňový servis |
| BB5 | Medziložiskové, viacstupňové, radiálne delené | Prívod do kotla, prívod do vysokotlakového reaktora |
| VS1 | Vertikálny, jednoplášťový, typ difúzora | Tanková farma, žumpa, servis jamy |
Materiály vysokoteplotných petrochemických čerpadiel
Materiály vysokoteplotných petrochemických čerpadiel musia si zachovať mechanickú pevnosť, odolávať oxidácii a zostať rozmerovo stabilné v rozsahu prevádzkových teplôt, ktoré často presahujú niekoľko stoviek stupňov Celzia. Výber materiálu sa zaoberá aj koróziou spôsobenou procesnou kvapalinou a akýmikoľvek unášanými kontaminantmi.
Výber zliatiny plášťa a obežného kolesa
Nižšie uvedená tabuľka mapuje bežné prevádzkové podmienky procesu na príslušný materiál plášťa a zmáčaných dielov. Tieto výbery sa riadia priemyselnou praxou v súlade s požiadavkami na materiály odolné voči korózii API 610 a NACE MR0103.
| Servisný stav | Materiál puzdra | Materiál obežného kolesa | Štandardná referencia |
|---|---|---|---|
| Všeobecný uhľovodík, teplota okolia | Liata uhlíková oceľ (ASTM A216 WCB) | Liata uhlíková oceľ alebo CF8M | API 610, trieda materiálu stola A |
| Vysoká teplota nad 260 stupňov C | Cr-Mo legovaná oceľ (ASTM A217 WC6/WC9) | Cr-Mo alebo 316 SS | API 610, trieda materiálu stola C |
| Kyslá služba (H2S) | Uhlíková oceľ podľa NACE MR0103 | Uhlíková oceľ s riadenou tvrdosťou | NACE MR0103 / ISO 17945 |
| Prenos kyseliny sírovej | Zliatina 20 (UNS N08020) | Zliatina 20 | ASTM B473 |
| Kryogénna prevádzka pod -50 stupňov C | Austenitické SS (ASTM A351 CF8M) | Nerezová oceľ 316L | API 610, testované pri nízkych teplotách |
Výber tesnenia petrochemického čerpadla a mechanického tesnenia
Systém tesnenia hriadeľa je zo všetkých komponentov najviac náchylný na poruchy petrochemické procesné čerpadlo . Správne výber tesnenia petrochemického čerpadla a mechanického tesnenia sa riadi API 682, ktoré definuje typy tesnení, usporiadanie a plány preplachovania pre nebezpečné a nie nebezpečné služby.
Prehľad plánov tesnení API 682
API 682 špecifikuje plány potrubí, ktoré riadia prostredie na tesniacich plochách. Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje najpoužívanejšie plány a ich aplikačnú logiku.
| Plán API 682 | Funkcia | Typická služba |
|---|---|---|
| Plán 11 | Recirkulácia z výtlaku čerpadla do tesniacej komory | Čisté, neblikajúce uhľovodíky |
| Plán 23 | Chladič tesniacej komory s recirkulačným čerpadlom | Horúca prevádzka nad 80 stupňov C; znižuje teplotu čela tesnenia |
| Plán 32 | Vonkajšie čisté preplachovanie vstreknuté do tesniacej komory | Špinavé, abrazívne alebo polymerizujúce kvapaliny |
| Plán 52 | Beztlaková vyrovnávacia kvapalina so zásobníkom pre dvojité tesnenie | Toxické alebo horľavé kvapaliny vyžadujú sekundárnu ochranu |
| Plán 53A | Tlaková bariérová kvapalina so zásobníkom pre dvojité tesnenie | Požiadavka na nulové emisie; vysoko nebezpečné kvapaliny |
| Plán 72/75 | Suchobežné tesnenie kontajnmentu so zberom úniku | Plynná fáza alebo prchavá kvapalina na strane atmosféry dvojitého tesnenia |
Údržba a spoľahlivosť petrochemických procesných čerpadiel
Štruktúrovaný program spoľahlivosti znižuje stredný čas medzi poruchami (MTBF) a znižuje náklady na životný cyklus. Údržba a spoľahlivosť petrochemických procesných čerpadiel programy sa zameriavajú na prediktívne monitorovanie, analýzu základných príčin a disciplinované štandardy opráv.
Stratégie monitorovania stavu
- Analýza vibrácií: Online monitorovanie vibrácií pomocou snímačov rýchlosti a zrýchlenia zisťuje nevyváženosť obežného kolesa, defekty ložísk a hydraulickú nestabilitu pred poruchou. API 670 špecifikuje požiadavky na prístrojové vybavenie pre nepretržité monitorovanie vibrácií na kritických čerpadlách.
- Monitorovanie teploty ložísk: Odporové teplotné detektory (RTD) inštalované v ložiskovom puzdre upozorňujú obsluhu na poruchu mazania alebo preťaženie skôr, ako dôjde k zadretiu ložiska.
- Detekcia netesnosti tesnenia: Dvojité mechanické upchávky vybavené systémami Plan 52 alebo 53A umožňujú operátorom monitorovať hladinu a tlak vyrovnávacej alebo bariérovej kvapaliny ako nepriame indikátory stavu vnútorného tesnenia.
- Trendy výkonnosti: Pravidelné porovnávanie skutočných údajov o výkone hlavy, prietoku a výkonu s pôvodnou krivkou čerpadla identifikuje vnútorné opotrebenie na trecích krúžkoch a priechodoch obežného kolesa predtým, ako dôjde k vážnej strate účinnosti.
- Analýza oleja: Periodická spektrometrická analýza oleja v ložiskových skriniach zisťuje opotrebované kovové častice z ložiskových krúžkov a čapov, čím poskytuje včasné varovanie pred hroziacou poruchou ložiska.
Súlad a priemyselné štandardy
- API 610 (ISO 13709): Odstredivé čerpadlá pre ropný, petrochemický a zemný plynárenský priemysel. Primárna špecifikácia pre návrh čerpadla, materiály, testovanie a dokumentáciu.
- API 682 (ISO 21049): Čerpadlá — Systémy tesnenia hriadeľa pre odstredivé a rotačné čerpadlá. Upravuje typ mechanického tesnenia, usporiadanie a výber plánu splachovania.
- API 670: Systémy ochrany strojov. Špecifikuje prístroje na monitorovanie vibrácií, teploty a rýchlosti pre kritické rotačné zariadenia.
- NACE MR0103 / ISO 17945: Kovové materiály odolné voči praskaniu sulfidovým napätím v korozívnych prostrediach rafinácie ropy. Povinné pre komponenty servisného čerpadla.
- ASME B73.1: Horizontálne odstredivé čerpadlá s koncovým saním pre chemický proces – referenčné pre všeobecné chemické služby bez API v petrochemických zariadeniach.
Často kladené otázky
Otázka 1: Aký je rozdiel medzi konfiguráciami čerpadiel API 610 OH1 a OH2?
OH1 aj OH2 sú závesné, jednostupňové odstredivé čerpadlá. Rozdiel spočíva v tom, ako je puzdro podopreté. Čerpadlo OH1 je namontované na nohe – kryt sedí na nožičkách priskrutkovaných k základnej doske. Čerpadlo OH2 je namontované na stredovej línii – skriňa je v stredovej línii podopretá konzolami, čo umožňuje čerpadlu tepelne expandovať smerom nahor a nadol rovnomerne od stredovej čiary hriadeľa. Tým sa zabráni vychýleniu hriadeľa v dôsledku tepelného rastu. Montáž OH2 vyžaduje API 610 pre služby, kde teplota čerpanej kvapaliny presahuje približne 200 stupňov Celzia, pretože telesá namontované na pätke pri vysokej teplote spôsobujú neprijateľné nesúososti medzi hriadeľom a spojkou.
Otázka 2: Ako vypočítate maržu NPSH pre čerpadlo prchavých uhľovodíkov?
Čistá pozitívna sacia výška k dispozícii (NPSHa) sa vypočíta z tlaku v sacej nádobe, statickej výšky kvapaliny nad sacou dýzou čerpadla, strát trením v sacom potrubí a tlaku pár kvapaliny pri teplote nasávania. Výsledok musí prekročiť požadovanú hodnotu NPSH čerpadla (NPSHr) – prevzatú z výkonnostnej krivky výrobcu – o špecifikovanú rezervu. API 610 vyžaduje, aby NPSHa prekračovalo NPSHr aspoň o 0 metrov v menovitom bode, ale väčšina technických postupov používa 3 dB rezervu (NPSHa rovná alebo väčšia ako 1,3-násobok NPSHr) pre ľahké uhľovodíkové a prchavé služby, aby sa predišlo poškodeniu kavitáciou a nestabilite recirkulácie sania.
Otázka 3: Kedy je potrebné dvojité mechanické tesnenie namiesto jednoduchého tesnenia?
API 682 kategorizuje kvapaliny podľa úrovne ich nebezpečnosti a fyzikálnych vlastností. Usporiadanie dvojitého tesnenia – buď beztlakové (Plán 52) alebo pretlakové (Plán 53A) – sa vyžaduje, ak je čerpaná kvapalina klasifikovaná ako toxická, karcinogénna alebo vysoko horľavá s normálnym bodom varu pod 0 stupňov Celzia, alebo ak miestne environmentálne predpisy zakazujú akékoľvek atmosférické emisie procesnej kvapaliny. Jednotlivé plomby s primeranými plánmi splachovania sú povolené pre služby s nižším nebezpečenstvom. Konečný výber musí byť potvrdený na základe štúdie HAZOP lokality, miestnych emisných predpisov a požiadaviek poskytovateľa procesnej licencie.
Otázka 4: Čo spôsobuje predčasné zlyhanie mechanického tesnenia v petrochemických čerpadlách?
Najčastejšími základnými príčinami predčasného zlyhania tesnenia v petrochemickej prevádzke sú chod nasucho počas spúšťania alebo prerušenia procesu, nesprávny výber plánu preplachovania vedúci k odparovaniu kvapaliny alebo kontaminácii na čelných plochách tesnenia, nadmerné vibrácie hriadeľa z hydraulickej nestability, keď čerpadlo pracuje ďaleko od BEP, a tepelný šok z rýchleho cyklovania teploty. Každý z týchto režimov poruchy vytvára odlišné vzory opotrebovania tváre, ktoré možno identifikovať počas roztrhnutia po poruche. Správne vykonaná analýza hlavnej príčiny zlyhania (RCFA) pri každej udalosti zlyhania tesnenia je najefektívnejším nástrojom na zníženie celkového stredného času tesnenia medzi poruchami na mieste.
Referencie
- Americký ropný inštitút. API Standard 610 / ISO 13709: Odstredivé čerpadlá pre ropný, petrochemický priemysel a priemysel zemného plynu , 12. vyd. Washington, DC: API, 2021.
- Americký ropný inštitút. Štandard API 682 / ISO 21049: Čerpadlá – Systémy tesnenia hriadeľa pre odstredivé a rotačné čerpadlá , 4. vydanie. Washington, DC: API, 2014.
- Americký ropný inštitút. Štandard API 670: Systémy ochrany strojov , 5. vyd. Washington, DC: API, 2014.
- NACE International. NACE MR0103 / ISO 17945: Ropný, petrochemický priemysel a priemysel zemného plynu – Kovové materiály odolné voči praskaniu sulfidovým napätím v korozívnych prostrediach rafinácie ropy . Houston, TX: NACE, 2015.
- Karassik, I. J., a kol. Príručka k čerpadlu , 4. vydanie. New York: McGraw-Hill, 2008.
- Bloch, H.P. a Geitner, F.K. Praktické riadenie strojového zariadenia pre výrobné závody, zväzok 2: Analýza porúch strojového zariadenia a odstraňovanie problémov , 4. vydanie. Oxford: Elsevier, 2012.
