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TUG Praktiker-Konferenz Pumpen in der Raffinerietechnik 2007

Dr. R. Krämer HERMETIC-Pumpen GmbH

Hermetisch dichte Spaltrohrmotorpumpen in der Hermetisch dichte Spaltrohrmotorpumpen in der RaffinerietechnikRaffinerietechnik

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2

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Coker PetrolcokeAsphalt

Cracking

Gas

Naphta

Kerosene

DieselA

tm. D

estil

latio

n

CrudeOil

Des

ulph

urD

esul

phur

isat

ion

Reforming

ReformingGasoline

Lubricants

Heavy Prod.

Vacu

umD

est.

Raffinerie-Prozesse ( vereinfacht )

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Warum kompliziert ?

Raffinerie Pumpe API 610:

- Doppelwirkende Gleitringdichtung- Komplexes Sperrgas- und Schmier-

system- Teure Instrumentierung für Dichtheits-

kontrolle- Kupplungs- und Wellenausrichtung- Große Grundplatte mit Entleerung

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… wenn‘s auch einfach geht !

Raffinerie Pumpe API 685

- Dichtungslos ohne doppelwirkende GLRD- kein komplexes Sperrgas- und

Schmiersystem- Keine Instrumentierung für Dichtheits-

kontrolle- Keine Kupplungs- und Wellenausrichtung- Keine API Grundplatte mit Entleerung

erforderlich

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Sealless Centrifugal Pumps forPetroleum, Heavy Duty Chemical,and Gas Industry Services

API STANDARD 685FIRST EDITION, OCTOBER 2000

American PetroleumInstitute

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Richtlinie 96/61/EG des Rates vom 24. September 1996 über die integrierte Vermeidung und Verminderung der

Umweltverschmutzung(deutsch: IVU-Richtlinie)

Council Directive 96/61/EC of 24 September 1996 concerningintegrated pollution prevention and control

(englisch: IPPC-Directive)

EU EU -- Umweltschutz RichtlinieUmweltschutz Richtlinie

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Durch die EU-Umweltschutz Richtlinie 96/61/EG wurde die Emissionen von Pumpenund Anlagen drastisch begrenzt.

Raffinerien und Chemieanlagen, die dieser RL unterliegen, müssen dieses Ziel unter Einsatz der "besten verfügbaren Techniken" verfolgen.

Damit innerhalb der Europäischen Gemeinschaft das Wissen über die besten verfügbaren Techniken dasselbe ist, hat die Kommission ein "Forum für den Informationsaustausch" (IEF – Information Exchange Forum) eingerichtet, in dem die Mitgliedstaaten, die Industrie undUmweltschutzverbände vertreten sind. Unter der Schirmherrschaft diese Forums erarbeiten Technische Arbeitsgruppen sogenannte„BAT-Dokumente" welche als "BREFs" veröffentlicht werden.(BAT= „Best available techniques“) ( BREF= „Best Available Techniques Reference Document“)

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Beispiel: BREF-Dokument für Raffinerien

BREF-Dokumente können im Orginaltext von der Homepage des deutschen Umweltbundesamtes unter http://www.bvt.umweltbundesamt.de/kurzue.htmheruntergeladen werden.

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Als „beste verfügbare Techniken“ sind in dem Referenzdokument für Mineralöl- und Gas Raffinerien unter anderem dichtungslose Pumpen mit Spaltrohrmotor oder Magnetkupplung genannt.

Die neue API 685 Norm ermöglicht erstmals, die Vorzüge der besten verfügbaren Pumpentechnologie für den Schutz von Anlage, Mensch und Umwelt einzusetzen.

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Risiko Minimierung: Gefährliche & kritische AnwendungUmweltschutz: Vorschriften für Umgang mit

umweltschädlichen FlüssigkeitenSchwierige Förderbedingungen: Wärmetransport ( Heiß and Kalt )Häufige Ausfallursachen bei Pumpen: Gleitringdichtungen und LagerWartung: Lebenszykluskosten & Kundennutzen

Warum hermetische Pumpen ?

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Tödlich

Giftig

Brennbar

Krebserregend

Waerme und Kältetransport

Hohe Drücke

Dichtungslose Pumpen Technologie ist bestensgeeignet für folgende Anwendungen:

Beispiele für den Einsatz dichtungsloserPumpen in Raffinerien:

Flusssäure

Naphta

Butan, Propan, Propylen

Ethylen

Benzol, Xylen, Toluen

Mercaptan

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ANFORDERUNGEN

Der Einsatz der hermetisch dichten Pumpen nach API 685 erfolgt überall dort, wo keine Leckagen zulässig sind und höchste Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit gestellt werden, d. h. insbesondere beiFörderung giftiger, explosibler und allgemein umweltbelastender Medien.

API 685 findet obligatorisch dort Anwendung, wo in Raffinerien,Petrochemie und Gasindustrie einer der folgenden Parametererreicht bzw. überschritten wird:

Druck druckseitig 1,9 MPa (19 bar) (275 psig)Druck saugseitig 0,5 MPa (5 bar) (75 psig)Betriebstemperatur 150°C (300°F)Drehzahl 3600 RPM (3600 RPM)Ausleg.Förderhöhe 120 m (400 ft) Laufrad – Ø 300 mm (13 inch)

Darüber hinaus kann auch der Anlagenbetreiber selbst den Einsatz vonAPI 685 Maschinen explizit fordern.

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Das umfassende Spaltrohrmotorpumpenprogramm der Fa. HERMETIC wurde erweitert durch eine neue Baureihe, die vollständig der API 685 (First Edition) entspricht.

Diese Baureihe besteht aus einer einstufigen Pumpenhydraulik nach API 610 - 9. Edition, welche mit der zuverlässigen Spaltrohrmotor-Technologie nach API 685 (1.Edition) kombiniert wird.

Achsmittige Pumpenaufstellung mit geflanschter Entleerung gehören ebenso zur Standardausführung wie die obligatorischen Flansche nach ANSI 300 lbs – RF.

Die komplette Baureihe ist nach dem bewährten Baukastenprinzip aufgebaut.

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Aufbau:

Pumpenaggregat in

einstufiger Bauweise

Radiales Spiralgehäuse

Achsmittige Aufstellung

heavy duty design

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Pumpengehäuse und Flansche sind ausgelegt für die in Paragraph 6.5 geforderten Kräfte und Momente.

Alle Flüssigkeitsberührten Dichtungen haben metallische Sitze mit gekammerten und definiert verpreßten Spiraldichtungen (Paragraph 6.3.5).

Alle Modelle der neuen API-Baureihe sind in den gängigen Werkstoffvarianten nach Appendix H der API 685 lieferbar; Sonderwerkstoffe sind nach Absprache möglich.

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Förderströme bis 800 m³/hFörderhöhen bis 300 mTemperaturen -120°C / +480°CDruckstufe PN 50Motorenleistung bis 325 kW

Dichtungslose Pumpen nach API 685 kommen bei schwierigsten Förderaufgaben zum Einsatz. So zum Beispiel für:

- gefährliche Stoffe (Kohlenwasserstoff, Flußsäure, Sauerwasser, Flüssiggase, Propan, Butan, Toluol, Aniline, Ethylenoxid, Schwefelwasserstoff usw.)

- Fluide mit höchsten Dampfdrücken- Hoch- und tieftemperierte Fluide von –120 bis +500 °C- Fluide mit niedrigsten Viskositäten- Hochdruck-Kreisläufe mit flüssigen Stoffen oder superkritischen Gasen- Als Tauchpumpen für LPG, LNG sowie Druckgase

Anwendungsbereich

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Kennfeldraster 2950 1/min

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Grundausführung

Ausführungsformen

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CNP:

Der Teilstrom zur Kühlung des Motors und Schmierung der Gleitlager wird an der Peripherie des Laufrades abgezweigt und nach Durchströmen des Motors wieder durch die Hohlwelle auf die Saugseite des Laufrades zurückgeführt.

Diese Ausführung ist geeignet zur Förderung von unkritischen Flüssigkeiten, die nicht leicht zum Verdampfen neigen.

Teilstromrückführung zur Saugseite

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Flüssiggasausführung

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CNPF:

Der Teilstrom zur Kühlung des Motors und Schmierung der Gleitlager wird an der Peripherie des Laufrades abgezweigt und nach Durchströmen des Motors wieder auf die Druckseite zurückgeführt.Ein Hilfslaufrad dient zur Überwindung der auf diesem Weg anfallenden hydraulischen Verluste. Durch die Teilstromrückführung zur Druckseite hat der, der größten Erwärmung entsprechende Punkt 1, genügend Druckreserve von der Siedelinie des Mediums. Unter sonst gleichen Bedingungen können daher mit dem Modell auch Flüssiggase mit extrem steiler Dampfdruckkurvegefördert werden.

Teilstromrückführung zur Druckseite

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Hochtemperaturausführung

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CNPK:

Das Fördermedium gelangt durch den Saugraum in das Laufrad und wird durch dieses zum Druckstutzen gefördert. Den direkten Wärmeübergang vom Pumpen- zum Motorteil verhindert eine Wärmesperre. Die Motorverlustwärme wird durch sekundären Kühl-/Schmierkreislauf in einem getrennt angeordneten Wärmetauscher abgeführt. Dieser Kühl-/Schmierkreislauf versorgt gleichzeitig die Gleitlager. Damit können pumpenseitig Fluide mit einer Temperatur von bis zu + 425 °C gefördert werden, während sich der sekundäre Kühlkreislauf auf einem niedrigeren Temperaturniveau befindet. Diese Bauart eignet sich auch zur Eindosierung von Prozessflüssigkeiten.

Interner Kühl-/Schmierkreislauf

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Stahl St. 37Stahl St. 37Stahl St. 37Stahl St. 37Motorgehäuse811

A-8C-6S-6S-5Teile-BezeichnungVDMA-Nr.

Werkstoff-Ausführung für Modellreihe CNP / CNPF / CNPKnicht mediumberührte Teile

1.44011.44011.44011.4401Laufradmutter922

1.45711.40211.40211.4021Motorwelle819

1.45711.45711.45711.4571Rotormantel817

Hastelloy C4Hastelloy C4Hastelloy C4Hastelloy C4Statorrohr816

1.4571/SIC301.4571/SIC301.4571/SIC301.4571/SIC30Lagerbuchse545.01/02

1.4571/W5(2)1.4571/W5(2)1.4571/W5(2)1.4571/W5(2)Lagerhülse529.01/02

1.44041.40281.40281.4028Laufring503.01

1.44041.40281.40281.4028Spaltring (1)502.02

1.44041.40281.40281.4028Spaltring502.01

PTFE/KPTFE/KPTFE/KPTFE/KGleitring472.01/02

1.44081.44081.4408GG-20Hilfslaufrad (1)230.03

1.44091.43171.43171.0619 (GS-C25)Laufrad230.01

1.44091.43171.0619 (GS-C25)1.0619 (GS-C25)Spiralgehäuse102

EdelstahlChromstahlStahlguss/ChromstahlStahlguss

A-8C-6S-6S-5Teile-BezeichnungVDMA-Nr.

Werkstoff-Ausführung für Modellreihe CNP / CNPF / CNPKmediumberührte Teile

Standard Werkstoffe nach Appendix H

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Druck und Temperaturgrenzen

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Unterschiede zwischen DIN/ISO und API - NormDIN/ISO 5199 – Kreiselpumpen - Technische Anforderungen, Klasse II

DIN/ISO 2858 - Centrifugal Pumps for Chemical Industries

Pumpengehäuse mit Füßen nach DIN/ISO 2858Nenndruck PN16 oder PN25 nach DIN/ISO Flansche nach EN1092 (DIN2543) PN16 oder PN25Hydraulische Abnahmeprüfungen und Garantien nach DIN/ISO 9906Kunden Anforderungen für Material,

API 610 – Centrifugal Pumps for Petroleum Industries

API 685 – Sealless Centrifugal Pumps for Petroleum Industries

Achsmittige Pumpenaufstellung nach API 610-9th EditionNenndruck PN50, Prüfdruck PN75 für komplettes Aggregat Flansche nach ANSI 300 lbs, Raced Face-CLA125-250Geflanschte Gehäuseentleerung erforderlichPumpe muß selbstentlüftend sein.Hydraulische Abnahmeprüfungen und Garantien nach API 685-1st Edition

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Lagerung

Die hermetische Bauweise setzt die Anordnung der Lager in der Betriebsflüssigkeit voraus. Daher kommen als Lager meist nur hydrodynamische Gleitlager zur Anwendung. Diese haben bei richtiger Betriebsweise den Vorteil, daß es keine Berührung zwischen den Lagergleitflächen gibt, so daß sie im Dauerbetrieb verschleiß- und wartungsfrei arbeiten. Standzeiten von 8 bis 10 Jahren sind für hermetische Pumpen durchaus keine Seltenheit.

Konstruktive Details

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Als ideale Werkstoffpaarung für Gleitlager hat sich eine Kombination aus Woframcarbid (LW5) und Siliziumcarbid (SIC30) erwiesen. Diese Paarung besteht aus einer metallischen Wellenhülse aus Edelstahl (1.4571) mit einer Wolframcarbidbeschich-tung nach dem „Hochgeschwindigkeits Flammen-spritz“ Verfahren und einer feststehenden Lager-buchse aus keramischen Werkstoff (SiC30), der in einer Edelstahlhülse gefaßt ist .SIC30 ist ein Mischwerkstoff aus Siliziumcarbid(62 %) und Graphit (35 %), der die Produktvorteile beider Werkstoffe verbindet.

Mischreibungszustände, wie sie beispielsweise beim An- und Abfahren von Pumpen auftreten, bleiben mit dem SiC30 sehr gut beherrschbar. Zudem ist dieser Werkstoff thermoschockbeständig, chemisch weitestgehend beständig sowie blisterstabil (keine Blasenbildung an der Werkstoffoberfläche) und abrasions fest.

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Axialschubentlastung

Die Entwicklung hermetischer Pumpen war von der Lösung eines zentralen Problems, dem der Eliminierung axialer Kräfte am Läufer, abhängig. Die breite Palette der Stoffeigenschaften der zu fördernden Fluide schließen die Verwendung mechanischer Axiallager aus. Allgemein gültig konnte diese Aufgabe nur durch die hydraulische Entlastung des Läufers gelöst werden.

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Funktionsprinzip der hydraulischen Entlastungseinrichtung:

Der Entlastungsstrom wird über einen variablen Axialspalt am Außendurchmesser hinter die Entlastungsscheibe und durch Kanäle in der Laufradnabe zur Saugseite zurück geführt. Je nach axialer Position des Läufers ändert sich aufgrund der Ventilwirkung des Axial-spaltes der Druck auf der Rückseite der Entlastungsscheibe und wirkt so dem Axialschub des Laufrades entgegen.Die axiale Stellung der Pumpenwelle regelt sich im Betrieb automatisch, so daß sich von selbst ein kraftloser Gleichgewichtszustand einstellt und somit keinerlei Axialkräfte auf die Axiallagerbunden der Gleitlager auftreten. Variabler

Axialspalt

Entlastungscheibe

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• Axialschubmessung an Spaltrohrmotorpumpen. Gemessene Kraft-Weg Kurve• Je steiler die Kraft-Weg-Kurve, desto stabiler ist die Gleichgewichtslage des Läufers.• Selbständiges Einstellen der Pumpenwelle in die Gleichgewichtslage.

Kraft Kraft –– Weg Weg -- KurveKurve

Wellenstand [mm]Wellenstand [mm]

Axi

alkr

aft [

N]

Axi

alkr

aft [

N]

1000010000

80008000

60006000

40004000

20002000

00

--20002000

--40004000

--60006000

--80008000

--10000100002,02,0 1,51,5 1,01,0 0,50,5 0,00,0

MSMS PSPS

MSMS

PSPS

MSMS = Motorseite= MotorseitePSPS = Pumpenseite= Pumpenseite

= Gleichgewichtslage= Gleichgewichtslage

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Die hydrodynamische und hydrostatische Lagerung bringen entscheidende Vorteile für eine hermetische Pumpe.

Der Rotor „schwimmt“ in der Förderflüssigkeit ohne axiale und radiale Berührung.

Dies bedeutet praktisch kein Verschleiß und keine Wartung.

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Explosionsschutz nach RL 94/9/EG (ATEX-RL)

Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. März 1994 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der

Mitgliedstaaten fürGeräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in

explosionsgefährdeten Bereichen

EU EU –– ExplosionschutzExplosionschutz-- RichtlinieRichtlinie(ATEX-Richtlinie)

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Der Anwendungsbereich dieser Richtlinie umfasst alle elektrischen und nicht-elektrischen (mechanischen) Geräte, Komponenten und Systeme, die im explosionsgefährdeten Bereich zum Einsatz kommen.

Für alle Geräte, die dieser RL unterliegen, also auch Pumpen ist eine CE-Konformitätserklärung zwingend vorgeschrieben.

Für Spaltrohrmotoren ist darüber hinaus eine EG-Baumuster-Prüfbescheinigung erforderlich.

Die Hersteller werden im Rahmen der neuen Richtlinie verpflichtet ein besonderes Qualitätssicherungsverfahren, speziell für den Exschutz einzuführen.

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Gerätekategorien der Gruppe IIGerätekategorien der Gruppe II

Kategorie SchutzumfangBei Gas-Luft- oder

Dampf-Luft-Gemischgeeignet für Zone:

Bei Staub-Luft-Gemisch,

geeignet fürZone:

1 Am höchsten 0, 1 und 2 20, 21 und 22

2 Erhöht 1 und 2 21 und 22

3 Gewöhnlich 2 22

Die Bedingungen für eineKonformitätserklärung des Herstellers unterscheiden sich nach Gerätegruppen. Die Gerätegruppe I umfaßtGeräte zur Verwendung im Untertage Bergbau.Die Gerätegruppe II umfaßtden gewerblichen und betrieblichen Ex-Schutz, insbesondere die Chemie und Raffinerie.

Die Gruppe II unterteilt sich in Gerätekategorien: Kategorien 1, 2 und 3.Produkte mit höherem Gefährdungspotential (Geräte und Schutzsysteme Kategorie 1 und elektrische Geräte Kategorie 2) erfordern eine Baumusterprüfung.

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II 2G EEx d IIC T1 bis T6

Die Gerätegruppe- und Kategorie spiegelt sich in der Kennzeichnung des Gerätes wieder. So lautet die Kennzeichnung für Spaltrohrmotoren beispielweise:

2 bedeutet Kategorie 2 (hohes Maß an Sicherheit), G steht für explosionsfähige Atmosphäre aus Gas–Luft bzw. Dampf–Luft Gemisch. 2G erlaubt den Einsatz der Spaltrohrmotorpumpe in Zone 1 IIC bedeutet die höchste Explosionsgruppe und umfaßt die Gase Wasserstoff, Acetylen und Schwefelkohlenstoff .

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Zündschutz nach Innen zum Läuferraum

Der Rotorraum wird in Verbindung mit dem Rohrleitungssystem (Prozeß-System) gesehen, das unter normalen Umständen mit Förder-flüssigkeit gefüllt ist.

Unter der Vorraussetzung, daß der Rotorraum ständig mit Förderflüssigkeit gefüllt ist, kann sich keine explosionsfähige Atmosphäre bilden,Der Rotorraum unterliegt keiner Zoneneinteilung. Eine anerkannte Ex-Schutzart für den Rotorraum ist in diesem Falle nicht erforderlich.

Das gesamte Aggregat wird in Schutzart “d” bescheinigt.

Zündschutz nach Außen zur Atmosphäre

Der Explosionsschutz nach außen lässt sich durch konstruktive Maßnahmen sicherstellen. Als Schutzart für das Statorgehäuse hat sich bei den meisten Herstellern die „Druckfeste Kapselung“ ( EEx d ) durchgesetzt.Bei dieser Schutzart werden alle Teile, die eine explosionsfähige Atmosphäre zünden können, in einem Gehäuse angeordnet, das bei einer Explosion im Innern deren Druck standhält und eine Übertragung der Explosion auf die das Gehäuse umgebende explosionsfähige Atmosphäre verhindert.Die Parameter der zünddurchschlagsicheren Spalte (Weite und Länge) entsprechen in der Regel der höchsten Explosionsgruppe IIC (Wasserstoff, Acetylen, Schwefelkohlenstoff).

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Überwachung

Um den Explosionsschutz der Spaltrohrmotorpumpe zu gewährleisten sindÜberwachungsmaßnahmen erforderlich.

Temperaturüberwachnung:

Es muß sichergestellt sein, daß die max. zulässige Oberflächentemperatur für diebescheinigte Temperaturklasse des Motors nicht überschritten wird.Dazu kommen zwei Überwachungskonzepte in Frage:

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1. Überwachung der Förderflüssigkeitstemperatur.Da die Oberflächentemperatur des Motors durch die Förderflüssig-keitstemperatur und der Erwärmung der Wicklung (Stromaufnahme des Motors) bestimmt ist, muß der Motor zusätzlich mit einem thermisch verzögerten Überstromschutz (z.B. „Bimetall“) überwacht werden. Der Überstromschutz ist auf den auf dem Leistungsschild angegebenenenBemessungsstrom einzustellen.

2. Überwachung der Wicklungstemperatur (Kaltleiter-Vollschutz)Durch mehrere in die Wicklung eingebaute Kaltleiter wird sichergestellt, daßdie Motoroberfläche die zulässige Grenze nicht überschreitet. Eine zusätzliche Motorstromüberwachung ist nicht erforderlich. Auch die Speisung mit Frequenzumformern ist bei diesem Motor-Vollschutz zugelassen. Alternativ können anstelle von Kaltleitern auch PT100 Temperaturfühler eingebaut werden.

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Kaltleiter Vollschutz

Flüssigkeitstemperatur

Füllstand

Rotorpositionsmessung

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Unabhängig von Explosionschutz haben sich für schwierige Anwendungsfällezusätzliche Überwachungsgeräte in der Praxis bewährt

Funktionsprinzip:

Am motorseitigen Ende des Pumpenrotors ist ein Meßdorn befestigt, der einen mehrpoligen Ringmagnet umschließt. Über diesen Meßdorn ragt ein feststehendes Tragrohr, das über einen Flansch am motorseitigen Lagerdeckel befestigt ist. Das Tragrohr übernimmt die hermetische Abdichtung des Förderfluids zur Atmosphäre und dient zur Aufnahme des Meßumformers mit den Aufnehmerspulen und der Auswerteelektronik. Die Meßwerterfassung beruht auf dem Tachometerprinzip, wobei 2 axial angeordenete Spulen die axiale Stellung des Läufers erfassen, aus der die Auswerteelektronik ein Weg lineares Ausgangssignal von 4-20 mA formt. Die Drehrichtung des Pumpenläufers wird durch zwei radial um 90° versetzte Tachometerspulen erfaßt und mit Hilfe von Leuchtdioden am Meßumformer angezeigt.

Radialer und axialer Wellenstand sowie Drehrichtungsanzeiger:

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Durch Verwendung einer Sonderwicklung in Isolations-klasse C, können Förderauf-gaben aus dem Hochtemper-aturbereich auch ohne Fremd-kühlung gelöst werden. Wicklungen dieser Art sind in der Lage Dauertemperaturen von 400°C zu bewältigen.Diese Ausführung besitzt vertikale Rippen am Motor-gehäuse, um die Wärmeabfuhr nach Außen durch Konvektion zu verbessern. Der Klemmenanschlußkastenist räumlich getrennt vom Statorgehäuse angeordnet, um die Temperatur für das ankom-mende Netzkabel niedrig zu halten. Hohe Temperaturen ohne Fremdkühlung

Anwendungsbeispiele

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Zur Förderung von Flüssigkeiten mit Auf-schwemmungen, Feststoffen oder Sus-pensionen werden ebenfalls Aggregate mit sekundärem Kühl-/Schmierkreislauf ver-wendet. Je nach Feststoffgehalt, muß in solchen Fällen für die Einspeisung einer reinen Flüssigkeit in den Rotorraum gesorgt werden. Die eingespeiste Flüssigkeit kann entweder die reine Phase der Suspension, ein neutrales, mit dem Fördergut verträgliches Fluid, oder aber ein Stoff sein, der aus Prozeßgründen sowieso eingespeist werden muß.Zweckmäßigerweise wird für die Eindosieringeine Kolben- oder Membran-Dosierpumpe verwendet. Der benötigte Spülflüssigkeitstromist gering und bewegt sich je nach Motorgröße zwischen 2 und 10 l/h.

Eindosierung

Feststoffe und Suspensionen

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Druckgase

Förderfluid PropanBetriebstemp. 40 °CDichte bei BT 452 kg/m3Viskosität bei BT 0,08 cPFörderstrom 106 m3/hFörderhöhe 128 mFLSEingangsdruck 21 barAusgangsdruck 27,1 barDruckstufe 50 barPrüfdruck 75 barLeistungsbedarf 25 kWMotorleistung 41 kWWerkstoffe:Gehäuseteile Edelstahl 1.4571Laufräder Edelstahl 1.4409Lager W5/SIC30

Wegen der geringen Viskosität und verminderten Lagertragfähigkeit der Gleitlager wurde eine Pumpe in vertikaler Aufstellung gewählt. Die Gleitlager haben in diesem Fall keine Tragfunktion sondern nur Führungsfunktion.

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Förderung von Thermofluiden

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Radialer Saug-

und

Druckflansch

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Förderung von überkritischen Ethylen

Auslegungsdaten:

Förderfluid Ethylen (überkritisch)Betriebstemp. 8-10 °CDichte bei BT 320 kg/m3Viskosität bei BT 0,047 cPFörderstrom 187 m3/hFörderhöhe 924 mFLSEingangsdruck 62 barAusgangsdruck 91 barDruckstufe 150 barPrüfdruck 200 barLeistungsbedarf 250 kWMotorleistung 290 kWWerkstoffe:Gehäuseteile Edelstahl 1.4571Laufräder Edelstahl 1.4408Lager W5/SIC30

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Hochdruckausführung wegen hohem System- und Differenzdruck.

Vertikale Aufstellung wegen verminderter Lagertragfähigkeit (Viskosität 0,047 cP).

Gleitlager haben nur Führungs- keine Tragfunktion.

Hydraulische Entlastung im Betrieb mit Ausgleichsscheibe am Motorkopfende.

Permanentmagnetische Abhebevorrichtunghält den Läufer auch im Stillstand in der Schwebe.

Effektive Motorkühlung von innen und außen durch zusätzlichen Motormantel.

Kompakte Bauweise und hohe Leistungs-dichte durch High-Speed (70 Hz) Spaltrohr-motor. Motorleistung 290 kW.

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Tauchpumpen

Aufgrund verschärfter Umweltschutzbestimmungen werden für toxische, explosive und verflüssigte Gase keine Behälter- und Kesselentleerungen mehr mit seitlichem Auslaß oder im Bodenbereich angebrachten Entleerungsstutzen zugelassen.

Für solche Förderaufgaben werden heute verstärkt hermetische Tauchpumpen eingesetzt.

Einsatzgebiete sind Tanklager, Terminals, Chemie- und Offshore-Anlagen, Gasspeicher-Kavernen und auch Industrieanlagen.

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Vorteile von hermetischen Tauchpumpen:

Leckage- und WartungsfreiheitKeine WellenabdichtungenKeine verlängerte Welle nach außen. Keine Führungs- und Zwischenlager erforderlich.Der Spaltrohrmotor ist mit "trockener" Wicklung ausgeführt, so daß daher keine Isolations- und Korrosions-probleme entstehen.Im Betrieb ist der Axialschub der Tauchpumpe hydraulisch ausgeglichen. Dadurch ergeben sich hohe Stand-zeiten. Durch das Abtauchen der Spaltrohrmotorpumpe ist bei sachgemässer Befüllung des Behälters/Kessels die Bildung eines zündfähigen Gas-Luft-Gemisches ausgeschlossen. Der Behälter unterliegt keiner Exschutz-Zoneneinteilung.

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Druck-/Temperaturprofile

Bei der Förderung siedender Flüssigkeiten müssen einige Besonderheiten der hermetischen Pumpen berücksichtigt werden.

Da die gesamte Motorverlustwärme an das Förderfluid abgegeben wird, muß durch konstruktive Maßnahmen verhindert werden, daß das Fluidinnerhalb des Aggregates verdampft.

Ein Vergasen des Motor-Kühlstromes führt zu überhöhten Temperaturen im Motor und in der Folge zu Kavitation und zu einer Dampfsperre des Motorkreislaufes. Bei länger andauerndem Betrieb kommt es zu einer Überhitzung des Motors und zum Ausfall der Gleitlager.

API 685 fordert in Appendix K die Analyse der Druck-/ Temperatur-verhältnisse im Betriebspunkt in Form eines Profil Diagramms. Darüber gibt eine Wärmebilanzrechnung Aufschluß:

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)()(

QcNNT MoPu

tot ⋅⋅+

=∆ρ

PuPuPu PN ⋅−= )1( η

PuMoMo PN ⋅−= )1/1( η

PuPu

QHgPη

ρ )( ⋅⋅⋅=

)11()(−

⋅⋅

⋅=∆

MoPutot c

HgTηη

Wärmebilanzrechnung

Der Hauptförderstrom enthält die Verlustwärme von Pumpe und Motor. Dessen Temperaturerhöhung ist gegeben durch:

Dimensionen:ρ(kg/m³) ,c( J/(kg*K)), N(W), Q(m^3/s)1 W= 1 J/s, 1 J = 1 kg*m²/s².

Die Pumpenverlustwärme Npu kann aus der Pumpen-Wellenleistung berechnet werden, die Motorverlustwärme ebenso aus der Motor-(Pumpen) Wellenleistung

Setzt man diese Zusammenhänge in die erste Formel ein und beachtet, daß die Pumpen-Wellenleistung durch Q,H und ηpuausgedrückt werden kann, so folgt für den gesamten Temperaturanstieg zwischen Saug-und Druckseite:

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)( Mo

Mo

QcNT⋅⋅

=∆ρ

−

⋅⋅+−

⋅⋅

⋅=∆ )11()11()(

PuMoPuMoMoPuQMo Q

QcHgT

ηηηηη

TTT totQMo ∆+∆=∆

Da der Motorteilstrom auf der Druckseite der Pumpe abgezweigt wird, ist er bereits um ∆Ttot gegenüber der Saugseite erwärmt. Im Verlaufe des Durchgangs durch den Motor erwärmt er sich weiterhin um den Betrag ∆T.

Daher ist die gesamte Teilstromer-wärmung die Summe aus beiden Ausdrücken.:

Setzt man die Formeln für ∆T und ∆Ttot ein, so erhält man folgende Formel für Erwärmung des Motorteilstromes:

Die Formel besagt, dass die Erwärmung des Motorkühlstromes abhängt von der Förderhöhe H, der spez. Wärme c, den Wirkungsgraden von Pumpe und Motor sowie von dem Mischenverhältnis von Gesamtförderstrom / Motorteilstrom.

Erwärmung des Motorteilstroms in Bezug auf die Pumpensaugseite:

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Temperaturanstieg in Pumpe und Motor

Erwärmung des Motorteilstromes und Gesamterwärmung in Abhängigkeit vom Förderstrom.

Bei kleinen Fördermengen nehmen die Erwärmungen stark zu.

Um ein Verdampfen des Motorkühlstromes zu verhindern, muß eine Spaltrohrmotorpumpe daher stets mit einem gewissen Mindestförderstrom betrieben werden.

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Anschaulicher lassen sich die Druck-Temperatur-Verhältnisse innerhalb der Pumpe darstellen, wenn man sie an verschiedenen Stellem ( A bis F) längs des Strömungsweges des Motorteilstromes betrachtet. (API 685 Appendix K)

Temperaturen des Fördermittels an den Stellen A bis F gemäß Wärmebilanzrechnung

Druck und Dampfdruckverhältnisse an den Stellen A bis F (unten)

Solange der tatsächliche Druckverlauf oberhalb des Dampfdruckverlaufs liegt, ist ein Verdampfen des Motorkühlstromes ausgeschlossen und eine störungsfreie Funktion der Pumpe sichergestellt.

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Kundennutzen von Spaltrohrmotorpumpen nach API 685:

Absolute Dichtheit nach außen. SMP’n erfüllen die höchsten Anforderungen in Bezug auf Umweltschutz.

Doppelte Dichthülle zur Atmosphäre. Motorgehäuse und Klemmenkasten sind als drucktragende Teile und als zweite Dichthülle ausgebildet.

Extrem niedriger Geräuschpegel.

Automatische Axialschubkompensation.

Praktisch kein Verschleiß und minimale Wartung.

Hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauer.

Reduzierte Wartungs- und niedrige Lebenszykluskosten

Höhere MTBF-Werte im Vergleich zu Gleitringdichtungspumpen

Leichte Installation, kein Ausrichten von Motor und Kupplung erforderlich.

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Hermetic-Pumpe nach API 685 in einer Raffineriezur Förderung von „Heavy NAPHTA“

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HERMETIC Pumpen in einer Raffinerie (Firma Total)

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HERMETIC Flüssiggastauchpumpen in einem GasterminalHERMETIC Flüssiggastauchpumpen in einem Gasterminal

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HERMETIC Tauchpumpe im eingebauten ZustandHERMETIC Tauchpumpe im eingebauten Zustand

((AntwerpAntwerp--GasterminalGasterminal))

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HERMETIC Pumpen nach API 685 ( Total HERMETIC Pumpen nach API 685 ( Total PetrochemicalsPetrochemicals, , LaveraLavera, Frankreich ), Frankreich )

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HERMETIC Pumpen nach API 685 für eine Raffinerie ( HERMETIC Pumpen nach API 685 für eine Raffinerie ( QuatargasQuatargas ))

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Vertikale HERMETIC Pumpen nach API 685 für eine Raffinerie ( FaVertikale HERMETIC Pumpen nach API 685 für eine Raffinerie ( Fa. . BorealisBorealis, Schwechat ), Schwechat )

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HERMETIC Pumpen PN100 zur Aufbereitung von HERMETIC Pumpen PN100 zur Aufbereitung von ÖlsändenÖlsänden ((SnaprogettiSnaprogetti, Calgary, , Calgary, CanadaCanada))

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Zusammenfassung

Spaltrohrmotorpumpen sind Monoblockpumpen. Dadurch ergibt sich eine

äußerst raum sparende Installation. Kupplung, Kupplungsschutz, separater

Motor und eine aufwendige API Grundplatte entfallen. Eine Ausrichtung von

Pumpe und Motor ist nicht erforderlich. Probleme mit Stutzenkräften und

Momenten sind von untergeordneter Bedeutung.

Spaltrohmotorpumpen bieten neben der asoluten Dichtheit und höheren

Sicherheit zusätzlich den Vorteil minimaler Wartung bei gleichzeitig hoher

Verfügbarkeit.

Der Einsatz von Spaltrohrmotorpumpen in Raffinerien ermöglicht, die Vorzüge

der besten verfügbaren Pumpentechnologie für den Schutz von Anlage,

Mensch und Umwelt zu nutzen und gleichzeitig den strengen API Vorschriften

zu entsprechen.

Hermetisch dichte Spaltrohrmotorpumpen in der ... · 1 1 TUG Praktiker-Konferenz Pumpen in der...

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