製油所ポンプの改修により生産量が向上

Jul 15, 2023

10 / 9 段階からの縮小を示すポンプ バレルと内部構造の断面図 (画像出典: Sulzer)

スルザー社の油圧改修スペシャリストであるマット・キニー氏は、改修プロジェクトによって新たな目標の達成が可能になったテキサス州の一例を調査します。

過去数年間の国内規制の変更により、超低硫黄ディーゼル (ULSD) の需要が大幅に増加しました。 その結果、製油所はプロセスを適応させ、生産能力を向上させるための革新的なソリューションを見つける必要がありました。 テキサス州では、この状況を受けて製油所が解決策を検討するためにスルザー社のオデッササービスセンターに連絡を取った。

このプロジェクトは 2 台の BB5、10 ステージ ディーゼル チャージ ポンプを中心に展開され、供給率を 47% 以上向上させる必要がありました。 アメリカ石油協会 (API) BB5 は、対向インペラ構成を備えた多段の軸方向に分割された内部バンドルを囲むバレル ポンプです。

圧力境界が半径方向に分割されているため、これらのポンプは通常、高温および/または高圧用途向けに設計されています。 API BB5 は、それぞれ最大 6'250 psi (431 bar) および 800 °F (427 °C) までの圧力と温度に対応できるため、水注入、石油輸出、ボイラー供給、そしてチャージサービス。

新しい目標を設定する 2006 年に初めて設置されたポンプの定格点は 4'014 フィート (1'223 m) で 1'110 gpm (252 m3/hr) でした。 しかし、ULSD 需要の変化に伴い、製油所の信頼性エンジニアは、3'450 フィート (1'052 m) で 1'628 gpm (370 m3/hr) までの生産能力の増加に関心を持っていました。 スルザー社の目標は、顧客のニーズを満たす最も経済的でタイムリーなソリューションを見つけることでした。

このような状況では、考えられる選択肢は 3 つありました。 まず、新しい容量要件を満たす新しいポンプを購入します。 あるいは、元のポンプを変更または再評価するか、既存のポンプの両方を 100% の定格容量で並列運転します (顧客のシステム曲線に応じて)。

これらのオプションにはそれぞれ独自の長所と短所があります。 たとえば、フローの増加を達成するには、並列操作が最もコストがかからないことは明らかです。 ただし、障害が発生した場合にシステムの冗長性が欠如していることは危険であり、多くの場合、生産の損失という点で非常に高いコストがかかる可能性があります。

用途に合わせて新しいポンプを選択すると、効率の点で有利になる可能性がありますが、長いリードタイム、配管の経路変更にかかるコスト、およびベースプレート/基礎の変更により、このオプションの魅力が薄れる可能性があります。 所望のパフォーマンスが所定のフレーム サイズで常に達成できるとは限らないことを除けば、ポンプを再評価することによるマイナス面は実際にはありませんでした。 ただし、可能であれば、再評価の方が早くて経済的であることがよくあります。

デザインのシンプルさ製油所全体の成功にとってこのサービスの重要性によると、再評価の可能性は非常に興味深いものでした。 お客様をサポ​​ートするために、スルザーのエンジニアは、油圧と機械の両方で徹底的な実現可能性調査を実施し、目標が可能かどうかを判断しました。

スルザーの膨大な油圧データベースを通じた特定の速度 (Ns) ベースの検索により、顧客のニーズを満たす既存の実証済みの設計が明らかになりました。ただし、インペラが物理的に適合することができ、インナーケースの渦巻ノズルの面積を十分に拡大できることが条件でした。インペラが設計通りの性能を発揮できるようにします。 ボリュートの展開図を確認したところ、両方の項目が満たされることが確信できました。

スルザーは、プロジェクト全体の時間を最小限に抑えるために、アプローチを可能な限りシンプルにすることを選択しました。 これは、所望の性能に適しており、少なくとも 2 回の工場テストで証明されている既存の標準インペラ油圧設計を選択することによって達成されました。 さらに同社は、新しいインペラに適合するようにケースを変更できることを確認し、基準ポンプの性能を模倣するためにノズル面積を十分に拡大できることを確認しました。

理想的には、スルザーはこの作業を完了した後に工場テストを実行する予定でしたが、残念ながら、合意された期限を考慮すると、プロジェクトのスケジュールによりこれは不可能でした。 したがって、提案されたアップグレードが内部の経験的データと経験によって裏付けられ、提案された設計変更の正確さに自信を与えることが重要でした。 予測されたインペラ トリムが最初の試行で正しく計算されることが必要でした。

最適化されたソリューション膨大な数のインペラ油圧設計が利用可能であるため、スルザーのエンジニアは、アプリケーションに必要な新しいヘッドと容量を満たす既存の設計を選択することができました。

機械的なカットバックにより、ノズル面積とリップ径の拡大を実現しました。 経験的データに基づくと、ノズル面積の増加により、新しいインペラの選択が新しい設計点まで振れることが可能になります。 ボリュートリップの直径が大きくなったことで、設計者は十分なリップクリアランスを達成することができました。 これと、カットバックが「角度を付けて」いたという事実により、ベーン通過脈動と全体的な振動振幅の低減に役立ちました。

インペラの出口羽根は、羽根間の出口面積 (OABV) を増加させ、性能曲線を平坦化するためにアンダーフィル加工されています。 これにより、最高効率点 (BEP) も押し上げられ、より高い流量が達成されました。

設計プロセスでは、新しいパフォーマンス レベルには 10 段階すべてが必要ではないという事実が浮き彫りになりました。 インペラートリムがほぼ全直径になるように、1 つのステージが削除されました。 これにより、ポンプの効率と BEP の位置の両方が向上しました。 ステージの縮小により、軸方向の推力の方向と大きさに対する影響が分析されました。 スラストベアリングにとってアキシアル荷重が許容できるように、内部ブッシュのサイズが変更されました。

課題を乗り越えるこのような大規模な再レートでは、新しい比較的大型の大容量インペラを既存のボリュート内に取り付けるのがかなり困難になる可能性があります。 これは、このような多段ポンプは、ポンプ全体の長さを制限するために、可能な限り短い段間隔で設計されているためです。

幸いなことに、この例のポンプには元々、フレーム サイズに比べて比較的低流量のローターが装備されていたため、より多くの作業スペースが確保されていました。 インペラの出口幅の増加に対応するには、渦巻状の側壁を広げるか、または「スラブ」を作成して適切な側室クリアランスを確保する必要がありました。これは遠心ポンプにとって非常に重要です。

さらに、より大きなインペラの目の直径に対応するために、インナーケースのラインボア直径が増加しました。 ボアと水路の間に十分な壁厚を維持し、内側バンドルの構造的完全性を維持しながら、ボアは最大許容値まで増加されました。

ポンプの性能向上には、元の 1'250 hp (932 kW) モーターが供給できる以上の電力が必要になったため、この需要を満たすには新しいモーターが必要でした。 ただし、より高い定格のモーターのフレーム サイズは同じままであるため、ベースプレートの変更は必要ありませんでした。

新しく選択された吸引インペラでは、必要な正味吸引ヘッド (NPSHr) が増加しました。 ただし、利用可能な正味吸引ヘッド (NPSHa) が適切であったため、これは問題ではありませんでした。

メリットの提供この場合、新しいポンプを購入するのではなく、既存のポンプを再評価するという決定は、顧客にとって非常に有利でした。 特にアウターバレルだけでは非常に高価な部品であるため、再評価プロジェクトはより経済的でした。

再評価では既存のポンプの設置面積を変更する必要がなかったので、プロジェクトを完了する際の貴重な時間を節約できました。 新しいポンプが指定されていた場合は、ベースプレートの変更と、吸入および吐出配管の経路変更が必要でした。

油圧の変更はすべて内側のバンドルに限定され、外側のバレルを製油所に配管したままにすることができました。 これはプロジェクトの全体的な納期に大きなプラスの効果をもたらし、完成日がはるかに短いことが顧客にとって非常に魅力的であることがわかりました。

プロジェクトの成果完了したら、ポンプを再設置して試運転しました。 設計とエンジニアリングに対する高い信頼性のため、性能テストは現場で実施されました。 ポンプは当初の流量と揚程の要件を上回り、顧客の期待を上回りました。 振動レベルとベアリング温度は両方とも十分に許容範囲内でした。

このプロジェクトは大成功し、お客様は全体的な結果に満足されました。 最後の大きな利点は、このプロジェクトのコストの回収期間がわずか 35 日という非常に短い期間で達成されたことです。

出典: スルザー株式会社