LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT ENERGIA BH10A0200 Energiatekniikan kandidaatintyö ja seminaari Keskipakpumpun prsessitekninen mititus, määrittely ja valinta Technlgical design, definitin and selectin f centrifugal pump Lappeenrannassa 7.10.2009 Tmi Sarkala 0295746
2 Symbliluettel D s Juksupyörän minaishalkaisija [-] d putken sisähalkaisija [m] d 2 Juksupyörän ulkhalkaisija [m] g Putamiskiihtyvyys [m/s 2 ] H Pumpun nstkrkeus [m] H dyn Dynaaminen nstkrkeus = virtausvastukset [m] H g Gedeettinen krkeus [m] H pk Painekrkeus eli säiliöiden välinen paine-er [m] H st Staattinen nstkrkeus = krkeus- ja paine-ert [m] H putkist putkistn virtausvastus nstkrkeutena [m] k Verrannllisuuskerrin, määräytyy tilavuusvirran mukaan K Putkistn kertavastusten summa [-] L Putken pituus [m] n Pyörimisnpeus [1/s] P Teh [kw] p suunnittelu Suunnittelupaine = Sallittu maksimi käyttöpaine [kpa] p käyttö Käyttöpaine [kpa] q m Massavirta [kg/h] q v Tilavuusvirta [m 3 /h] Re Reynldsinluku [-] T suunnittelu Suunnittelulämpötila = Sallittu maksimi käyttölämpötila [C] T käyttö Käyttölämpötila [C] w Putkessa virtaavan aineen virtausnpeus [m/s] # putken painelukan yksikkö [lbs] Δh s Isentrppinen minaisentalpianmuuts [J/kg]
3 Kreikkalaiset aakkset λ kitkakerrin [-] ε Pinnankarheus [mm] η Hyötysuhde [%] μ Dynaaminen visksiteetti [Ns/m 2 ] = [Pas] υ Kinemaattinen visksiteetti [m 2 /s] ρ Tiheys [kg/m 3 ] ω Kulmanpeus [1/s] Alaindeksit st dyn p mek k + v putkist staattinen dynaaminen pumppu Mekaaninen Kitka ja vut Kk virtauspiirin putkist 1 Alkutilanne 2 Lpputilanne Lyhenteet NJ Neste Jacbs Oy
4 Sisällysluettel Symbli-/käsiteluettel.s. 2-3 1 Jhdant s. 6-7 2 Hankkeen tteutuksen eteneminen s. 8-10 3 Keskipakispumpun prsessitekninen mititus 3.1 Yleistä putkistn ja pumpun virtauslaskentaa...s. 10-18 3.2 Prsessiteknisen mitituksen lähtökhdat.s. 18-21 3.3 Laskentaprsessi s. 21-23 3.4 Prsessiteknisen mitituksen tulkset...s. 23-25 4 Keskipakispumpun määrittely mitituksen perusteella 4.1 Pumppujen määrittelyn lähtökhdat.s. 25-26 4.2 Pumppujen määrittely käytännössä..s. 26 4.3 Pumppujen määrittelyn tulkset 4.3.1 Nestekaasupumppu..s.26-28 4.3.2 Sulanpistvesipumppu.s.28-29 5 Vaihtehtisten pumppujen vertailu ja pumpun valinta 5.1 Vertailun lähtökhdat/tavitteet...s. 29-30 5.2 Vertailtavat pumput...s. 30-31 5.3 Pumppu vertailun tulkset.s. 31-33 6 Yhteenvet ja jhtpäätökset.s. 33-35 Lähdeluettel.s. 36-37
5 Liitteet I NJ:n prjektitiminnan päävaihekaavi...s. 38 II Pumppausprsessin PI-kaavi..s. 39 III Pumppuvalmistajan antamia vertailutietja nestekaasupumpuista..s. 40 IV Pumppuvalmistajien antamia vertailutietja sulanpistpumpusta s. 41 V Pumpun prsessiteknisenmitituksen painehäviölmake (GA-601S)..s. 42 VI Pumpun prsessiteknisen mitituksen pumppulmake (GA-601S) s. 43
6 1 Jhdant Tämä tekniikan kandidaatintyö tehtiin pinnäytteenä kandidaatin tutkintn Neste Jacbs Oy:n timeksiannsta. Kandidaatintyö li sa vuden 2009 kesätyötä, jllin työskentelin Neste Jacbs Oy:ssä Naantalin timistlla. Naantalissa sijaitsevan timistn pääasiallisena tehtävänä n tteuttaa Neste Oilin Naantalin jalstamn kehittämis-, investinti- ja muutsprjekteja. Kandidaatintyön tarkastajana timii Prfessri Jari Backman Lappeenrannan teknillisen ylipistn virtaustekniikan labratrista. Neste Jacbs Oy n Neste il knserniin kuuluva insinööritimist, jnka vähemmistömistaja n amerikkalainen Jacbs Engineering Grup Inc. Neste Jacbs Oy timi aiemmin Neste Engineering nimellä ja sitä ennen vudesta 1956 Neste Oil Oy:n öljynjalstamn suunnittelusastna. Alkuvudesta 2008 tteutuneen yrityskaupan jälkeen Neste Jacbs mistaa 100 % Rintekn Oy:stä. Neste Jacbs:in ja Rintekn Oy:n mudstama kknaisuus n phjismaiden vahvin kemiantellisuuden ja bitekniikan insinööripalveluja tarjava yritys. Neste Jacbs Oy:ssä työskentelee nin 800 öljynjalstuksen, kemian- ja bitekniikan alan ammattilaista. Yrityksen timipisteet sijaitsevat Prvssa, Naantalissa, Espssa, Ktkassa, Turussa ja Götebrgissa. Palveluknseptiin kuuluvat investintitöiden selvitykset, suunnittelu, hankintatimet, prjektinjht ja työmaavalvnta sekä urakinti aliurakitsijiden avulla. Neste Jacbs Oy:n tärkeimpinä asiakkaina vat mm. Neste Oil, Gasum, ABB, VTT ja Mets. Keskipakpumppu n laite jnka pääasiallisena tarkituksena n siirtää nestemäisiä tai kiinteän aineen ja nesteen seksia paikasta tiseen. Neste virtaa aina suuremmasta paineesta pienempään, mikäli virtaava neste saa kulkea vapaasti. Pumpun tarkituksena n siirtää pumpattavaa väliainetta pienemmästä paineesta suurempaan tai npeuttaa pumpattavan aineen siirta suuremmasta paineesta pienempään, mikäli prsessi tätä vaatii. Siis pumpun timinta perustuu pumpun imu- ja painepulen välille syntyvään paine-ern. [Wirzenius. 1978. s.47] [Puusta paperiin M-108 s. 57] Keskipakispumpun rakenne n esitetty kuvassa 1 [Peltnen 2007. s.5]. Keskipakpumppu timii siten, että pumpun akseli välittää sähkömttrista saatavan tehn kytkimen avulla pumpun juksupyörään. Pumpun juksupyörä saa aikaan pumpattavalle nesteelle juksupyörän kehän tangentin suuntaisen npeuskmpnentin, jllin paine nusee. Syntyneen paineenlisäyksen ansista pumpattava neste siirtyy pumpun painepulen putkeen eli paineen nusu n niin suuri että se vittaa krkeusern, virtausvastukset ja vastassa levan paineen. Nesteen pistuessa juksupyörän kehältä, virtaa juksupyörän keskustaan uutta nestettä. Tällä tavalla saadaan aikaan
7 jatkuva virtaus pumpun läpi. Juksupyörästä neste virtaa pumpun pesän ja paine yhteen kautta paineputkeen. [Puusta Paperiin M-108 s. 61] Tämän työn tavitteena n perehtyä keskipakpumpun prsessitekniseen mititukseen, pumpun määrittelyyn sekä eri pumppuvalmistajien tarjamien pumppujen vertailuun. Näiden asiiden perusteella n tavitteena valita kahteen öljynjalstusprsessiin spivin pumppu niin turvallisuuden, timivuuden sekä hinnan kannalta kannattavin pumppuvaihteht eri valmistajilta. Etukäteen n tiedssa, että öljynjalstustellisuuden käyttämät pumput eivät le hinnaltaan kvinkaan edullisia, jten vertailuun saatavien pumppujen tärkeimmät valintakriteerit vat prsessin ja laitteen timivuus, lutettavuus sekä turvallisuus. Tässä raprtissa tullaan käsittelemään klmea eri keskipakpumppua, jista kahdella pumpataan nestekaasuja ja yksi timii sulanpistpumppuna öljynjalstusprsessissa. Kuva 1 Keskipakispumpun rakenne. Sulzerin AHLSTAR-sarjan keskipakpumppu.
8 2 Hankkeen tteutuksen eteneminen Tämän kappaleen tarkituksena n selvittää mitä eri vaiheita jnkin laitteistn hankintaan liittyy. Lisäksi selvennetään mihin vaiheeseen tämän tekniikankandidaatintyönä tehty pumpun suunnittelu kuuluu. Suunniteltavan pumpun hankintaprsessi etenee kuvassa 2 esitetyllä tavalla, jka n yksinkertaistus liitteessä I levasta NJ:n prjektitiminnan päävaihekaavista. 4. Käyttööntt EI 3. Tteutus suunnittelu ja rakennus Kyllä 2. Perussuunnittelu EI Kyllä 1. Selvitys Kuva 2 Pumpun / tutantlaitksen hankintaprsessi. Laitteen tai laitksen hankintaprsessi kulkee kuvassa 2 sitettua reittiä, jsta havaitaan neljä päävaihetta. Selvitysvaiheen tarkituksena n saada aikaan alustava määrittely siitä, mitä asiita prjektiin kuuluu sekä tehdä karkea kustannusarvi. Selvitysvaiheessa tehdään alustavat prsessi- ja laitemititukset, sijitusselvitykset sekä kustannusarvi. Laitemititusten salta pyritään spivan tarkkaan laskentaan, nudattaen standardeja ja hjeita, jtta prjektin sisältö ja kustannusarvi saadaan riittävän tarkaksi. Kustannusarvi tehdään kkemukseen perustuvan arvin tai laite valmistajilta saatujen tietjen mukaan. Kska kyseessä n alustava prjektimäärittely kustannusarville annetaan yleensä marginaalit ±20 % - ±40 %. Lisäksi tehdään alustava riskianalyysi työkhteesta. Mikäli kyseessä n jkin tellisuuslaitksen hankinta, tehdään
9 selvitysvaiheessa myös virtauskaavit prsesseista. Hanke vi pysähtyä tähän vaiheeseen js hankkeelle ei le riittävää kannattavuutta. Perussuunnittelun aikana tarkennetaan selvitysvaiheen prsessi- ja laitemitituksia, riskianalyysejä ja kustannusarviita. Tämän vaiheen aikana suunniteltava khde saa tarkemman sisällön ja kustannusarvin, jten tämän vaiheen suunnitelmien phjalta kyetään päättämään tteutetaank investinti käytännössä, kska tarkkjen laitteist mititusten perusteella saadaan selville tarkka kustannusarvi, jnka tarkkuus n yleensä nin ±5 - ±10 %. Myönteisen rakentamispäätöksen seurauksena siirrytään tteutusvaiheeseen. Tteutusvaihe sisältää tteutuksen- ja yksityiskhtaisensuunnittelun, laitteiden tilaukset ja timitukset, putkistjen ja teräsrakenteiden esivalmistelut sekä asennukset. Tteutussuunnittelu n laitksen/laitteistn timinnan kannalta tärkein vaihe, sillä ikeanlaisella tteutussuunnittelulla varmistetaan se, että kaikki laitteistt vat lainsäädännön, standardien ja hjeiden mukaiset sekä sitä kautta turvalliset käyttää. Tällä kaikella pyritään siihen että laitteist tai laits vitaisiin käynnistää turvallisesti ja nnistuneesti suunnitellulla aikataululla. Onnistunut aikataulutus vaatii tarkkaa timintjen krdinintia. Käyttöönttvaiheessa varmistetaan laitteistn timivuus ja turvallisuus sekä ikeanlaiset timintatavat, jtta vältytään ylimääräisiltä käyttöhäiriöiltä ja havaitaan mahdlliset suunnittelu- tai asennusvirheet. Käyttöönttvaiheessa tulee varmistaa että tuleva laitteistn käyttöhenkilökunta hallitsee laitteistn käytön kaikissa tilanteissa eli nrmaalikäytön lisäksi n hallittava timenpiteet häiriötilanteista takaisin nrmaalitilaan. Lisäksi käyttöönttvaiheessa NJ:n tärkeänä tehtävänä n teknisen tuen tarjaminen laitteen käyttöönttajille. Laitteistn ja erityisesti tutantlaitksen rakentamista varten vaaditaan erityisiä rakentamis- ja ympäristölupia, jtka hankitaan mahdllisimman varhaisessa vaiheessa. Lupa-asiiden selvitykset alitetaan yleensä selvitysvaiheessa ja perussuunnitteluvaiheessa saadaan lpulliset luvat, jtta vidaan alittaa rakentaminen. Laitteistn tai laitksen käyttööntn jälkeen prjekti suljetaan vaadittujen timenpiteiden kautta, jihin kuuluvat muun muassa lpullisten kustannuslaskelmien tekeminen, dkumentinti ja mahdllisten ngelmien ratkaiseminen. Lisäksi kaikista prjekteista tehdään lppuraprtti, jnka sisältö kattaa tärkeimmät prjektiin liittyvät asiat. Tässä työssä tehtävä pumpunsuunnittelu kuuluu kknaisuudessaan selvitysvaiheeseen ja seuraavissa kappaleissa tullaan käsittelemän edellä mainitut selvitysvaiheeseen kuuluvat asiat
10 yksityiskhtaisemmin. Tarkempaa tieta n esitetty liitteessä I. Edellä sekä liitteessä I esitettyjen hankeprsessin päävaiheet vat yleispäteviä kaikille hankeprjekteille, lipa kyse mistä tahansa laiteesta, laitteiststa tai jstakin uudesta tutantlaitksesta. Erja n vain yksityiskhtaisissa timintatavissa hankintaprjektin etenemisen suhteen. [LIITE I: NJ:n prjektitiminnan päävaihekaavi][qb-hjeet] 3 Keskipakispumpun prsessitekninen mititus Pumpun prsessitekninen mititus perustuu pumpattavan aineen aineminaisuuksiin, putkistn gemetriaan ja putkistn muihin minaisuuksiin, kuten putken pinnankarheuteen ja putkistssa leviin kertavastuksiin. Näiden tietjen perusteella n tavitteena määrittää tarvittava paine-er pumpun yli tietyllä tilavuusvirralla, jtta saadaan selville pumpun timintapiste. Virtauslaskelmista saatujen tulsten ja pumpattavan nesteen minaisuuksien perusteella määritellään pumpun rakenteelliset minaisuudet sekä valitaan eri pumppuvalmistajilta spivin pumppulaitteist k. tapaukseen. 3.1 Yleistä putkistn ja pumpun virtauslaskentaa Tarvittava tilavuusvirta q v määräytyy tunnetun putkessa kulkevan massavirran q m ja virtaavan aineen tiheyden ρ perusteella yhtälön (3.1.1) mukaan qm q v = (3.1.1) ρ Kaikkien prsessin putkilinjjen sisähalkaisijiden d llessa tiedssa saadaan selville jkaisella putkisuudella virtaavan aineen virtausnpeus yhtälöstä (3.1.2). Tämä tarkittaa sitä, että aina kun putken halkaisija muuttuu, niin muuttuu myös virtaavan aineen virtausnpeus. Putkissa virtaaville aineille n lemassa susitus virtausnpeuksia riippuen siitä, mitä ainetta ja missä lämpötilassa aine putkessa virtaa. Esimerkkejä virtausnpeuksista n esitetty lähdeteksen liitteessä 3. Virtausnpeuden valinnalla n merkitystä valittavan putkikn kautta investintikustannuksiin ja putkistn aiheuttaman virtausvastuksen kautta hankinta ja käyttökustannuksiin. Lisäksi väärän virtausnpeuden valinnan seurauksena vi syntyä virtausmelua ja putkistrakenteiden dtettua npeampaa kulumista. [AEL Insk-seminaari Putkistn virtaustekninen mititus s. 6 ja 9 sekä liite 3 Vurikari. 1998.]
11 qv 4qv w = = (3.1.2) 2 A πd Selvitetään putkivirtauksen tyyppi määrittämällä Reynldsinluku yhtälössä (3.1.3) esitetyllä tavalla dw ρdw Re = = (3.1.3) ν µ Putkivirtauksen tyyppi määräytyy taulukssa 1 esitetyllä tavalla Taulukk 1 Virtaustyyppi ja Reynldsinluku Laminaarinen virtaus Re < 2000 Turbulenttinen virtaus Re >3000 Tereettinen raja-arv Re = 2320 Virtaustyypin vaihtumisalue 2000 < Re < 3000 Virtaustyyppi vaihtuu laminaarista turbulentiksi hyvin vaihtelevasti ja laajalla alueella, jten taulukn 1 luku arvja ei vida pitää ehdttman tarkkina vaan lähinnä suuntaa antavina. Yleisimmin virtaus n turbulenttista mutta laminaarista virtausta esiintyy pienillä virtausnpeuksilla ja jähmeillä aineilla. [AEL Insk-seminaari Putkistn virtaustekninen mititus s.6 ja 8 Vurikari. 1998.] Kknaispainehäviö putkessa lasketaan yhtälöstä (3.1.4). Yhtälö (3.1.4) humii putkessa levista kertavastuksista sekä kitkasta aiheutuvat painehäviöt. Yhtälöllä (3.1.4) vidaan laskea vain yhdessä samankkisessa putkessa syntyvä painehäviö ja kk putkistn painehäviö n kunkin erikseen lasketun putken painehäviöiden summa, kuten yhtälössä (3.1.5) n esitetty. 2 λl ρw p putki = ( K + ) (3.1.4) d 2 p = p (3.1.5) putkist putki K = Putkistn kertavastusten summa L =Putken pituus [m]
12 d = Putken halkaisija [m] w = Putkessa virtaavan aineen virtausnpeus [m/s] λ = kitkakerrin [Virtaustekniikka luent 8 Putkivirtauksen laskenta LTY. Larjla. Kevät 2008.] Taulukn 1 perusteella määritetyn virtaustyypin perusteella lasketaan yhtälössä (3.1.4) esiintyvä kitkakerrin λ virtaustyypistä riippuen yhtälöllä (3.1.6a) tai (3.1.6b). Turbulenttisen virtauksen kitkakerrin määritetään kuvassa 3 levasta Mdinkäyrästöstä yhtälön (3.1.6b) mukaisesti. Turbulenttisenvirtauksen yhteydessä n lemassa useita erilaisia pitkiä krrelaatiyhtälöitä, jilla virtauksen kitkakerrin vidaan määrittää. Usein näiden krrelaatiiden tarkkuus n samaa lukkaa kuin esimerkiksi Mdinkäyrästöstä saatava lukuarv, jten krrelaatiista ei le merkittävää hyötyä tulksen tarkkuuteen. [AEL Insk-seminaari Putkistn virtaustekninen mititus s.10 Vurikari. 1998.] 64 λ = (3.1.6a) Laminaarinen virtaus Re ε λ = f (Re; ) (3.1.6b) Turbulenttinen virtaus d Kuva 3 Mdyn käyrästö kitkakertimelle. [Lähde: Hydrmekaniikka. Pertti Vakkilainen s.8 kuva 9.5 http://www.water.tkk.fi/wr/kurssit/yhd-12.1020/luent5ja6.pdf]
13 Edellä esitettyjen yhtälöiden ja taulukiden perusteella n määritetty paine-er pumpun yli tietyllä tilavuusvirralla. Yhtälöstä (3.1.4) laskettu paine-er muutetaan nstkrkeudeksi yhtälössä (3.1.7) esitetyllä tavalla. p H = (3.1.7) ρ g Lisäksi vidaan piirtää pumpun ja putkistn minaiskäyrät q v ; H- tasn, kuten kuvassa 4. Piirtäminen edellyttää nstkrkeuden laskemista riittävän mnella tilavuusvirralla, jtta käyristä saadaan ikean suuntaiset. Pumpun ja putkistn minaiskäyrien leikkauspisteessä n k. pumpun timintapiste, mikäli käyrät eivät leikkaa tulee pumppua tai putkista säätää, siten että leikkauspiste syntyy. Säätäminen tapahtuu yleensä jk kuristamalla putkistssa kulkevaa virtausta säätöventtiilin avulla tai muuttamalla pumpun pyörimisnpeutta esimerkiksi taajuusmuuttajalla tai muuttamalla pumpun juksupyörän kka. Timintapiste Kuva 4 Pumpun ja putkistn minaiskäyrät sekä hyötysuhdekäyrä Ominaiskäyrien kuvaajat vat yleensä märitetty siten että pumpattavana aineena n vesi, jten muiden aineiden llessa kyseessä tulee käyttää krjauskertimia, jtka mukkaavat minaiskäyrät k. ainetta vastaaviksi. Tämä minaiskäyrien erilaisuus jhtuu kullekin aineelle minaisesta
14 visksiteetista. Visksiteetti n sisäisen kitkan mitta, jka ilmittaa miten juksevaa jkin aine n. Visksiteetti n riippuvainen lämpötilasta. [AEL Insk-seminaari Putkistn virtaustekninen mititus s.7 Vurikari. 1998.] [Puusta paperiin M-108 s. 66] Pumpun ttama teh pumpun tehntarve määritellään yhtälön (3.1.8) mukaisesti. Yhtälöstä (3.1.8) havaitaan, että pumpun ttama teh n suraan verrannllinen pumpattavan nesteen tiheyteen. Tästä jhtuen teha tarvitaan sitä enemmän, mitä suurempi n pumpattavan aineen tiheys. Tisaalta tämä tarkittaa sitä, että samaa pumpun nstkrkeutta vastaa erilainen paineenlisäys eri tiheyden maavilla aineilla. ρ gq H v P = (3.1.8) η p ρ = Tiheys [kg/m 3 ] g = Putamiskiihtyvyys 9,81 [m/s 2 ] η p = Pumpun hyötysuhde [%] Pumpun tehn laskentaan tarvittava hyötysuhde määräytyy siitä miten paljn mttrin tehsta menetetään mekaanisina häviöinä, vut- ja kitkahäviöinä. Pumpun hyötysuhde vidaan laskea yhtälöstä (3.1.9). η = η η (3.1.9) p mek k + v Pumppauksen kknaishyötysuhde n pumppukäyrän ilmittamaa hyötysuhdetta hunmpi, sillä virtauksen säätö aiheuttaa lisähäviöitä, jita vat esimerkiksi venttiilin kuristus tai invertterin hyötysuhde. Pumppujen yhteydessä n aina kiinnitettävä erityishumi kavitaati ilmiöön. Kavitaati ilmiöllä tarkitetaan pumpattavan nesteen paineen alenemista höyrystymispaineeseen asti pumpun juksupyörällä, jllin juksupyörän pinnalle syntyy höyrykuplia. Syntyneet höyrykuplat kulkeutuvat vähitellen pumpussa khtaan jssa paine n höyrykuplien painetta krkeampi, jllin kuplat puristuvat äkillisesti kkn. Kuplien syntyessä ja rmahtaessa kasaan syntyy ns. paine isku pumpun juksupyörään, jka vastaa vasaran iskua. Höyrykuplien syntyminen ja rmahtaminen jatkuu tautta ja vähitellen metallin pinta alkaa murtua. Kavitivan pumpun tunnistaa helpsti, sillä
15 rmahtavat höyrykuplat aikaan saavat rpinan kaltaisen äänen ja vimakas kavitaati tärisyttää pumppua. Kavitaatin seurauksena pumpun hyötysuhde ja nstkrkeus pienenevät. Lisäksi mikäli kavitaatita ei havaita riittävän ajissa, saattaa se rikka pumpun juksupyörän ja pumpun kknaan. Kavitinti vi aiheuttaa myös pumpun akselitiivisteen tai laakereiden vauriitumisen. Pumpun kavitaati n seurausta NPSH-arvn eli pumpun tarvittavanimupaineen alittumisesta. NPSH-arvlla tarkitetaan tietyllä tilavuusvirralla levaa absluuttista minimi painetta metreissä ilmaistuna, jka tarvitaan nesteen höyrystymispaineen lisäksi pumpun imuaukssa, jtta pumppu timii häiriöttä. NPSH-arvja n kaksi, pumpun tarvitsema NPSH r ja systeemissä käytettävissä leva NPSH a. NPSH-arvjen tulee täyttää yhtälön (3.1.9) eht. [Puusta paperiin M-108 s. 62 63, 69 70] NPSH a NPSH r (3.1.10) Pumpun mititukseen ja siihen liittyviin edellä esitettyihin virtauslaskelmiin kuuluu lennaisena sana myös pumpun säätäminen. Yleisimmät pumpun säätötavat vat pyörimisnpeus- ja kuristussäätö sekä pumpun juksupyörän kn vaihtaminen. Pyörimisnpeussäädöllä tarkitetaan pumpun pyörimisnpeuden muuttamista esimerkiksi taajuusmuuttajan avulla. Tämä säätötapa n edullisin pumpun kannalta, kska hyötysuhde pysyy lähes samana laajalla alueella vaikka pyörimisnpeutta muutetaan. Pyörimisnpeussäädön ns. amfiteettisäännöt n esitetty yhtälöissä (3.1.11a), (3.1.11b) ja (3.1.11c) n 1 q = v1 (3.1.11a) n 2 q v2 n 1 n 2 2 = H H 1 2 (3.1.11b) 3 n 1 n 2 = P P 1 2 (3.1.11c) Kuristussäädöllä tarkitetaan putkistssa kulkevan virtauksen säätämistä, jka tapahtuu kuristamalla virtaus esimerkiksi venttiilin avulla. Kuristus säätö n epäedullinen säätötapa kska siinä menetetään tutettua painetta humattava määrä. [Puusta paperiin M-108 s.72 73] Juksupyörän kn muuttaminen muuttaa pumpun tuttamaa nstkrkeutta ja tilavuusvirtaa, jllin pumpun timintapiste muuttuu pysyvästi.
16 Putkistn vaatima nstkrkeus mudstuu staattisen ja dynaamisen nstkrkeuden summana kuvassa 5 ja yhtälössä (3.1.11) esitetyllä tavalla H = H + H (3.1.12) putkist st dyn H putkist = putkistn vaatima nstkrkeus [m] Kuva 5 Putkistn vaatiman nstkrkeuden mudstuminen. Lähde: Pumput, puhaltimet, kmpressrit luent 5. Larjla. Syksy 2008. Staattisella nstkrkeudella tarkitetaan pysyvää nstkrkeutta, jhn kuuluvat pumppausprsessin krkeusert ja paine-ert. Staattinen nstkrkeus määritellään yhtälössä (3.1.12) esitetyllä tavalla (kats kuva 5) H st p5 p0 = H g + H pk = Hi + H p + (3.1.13) ρg H st = Staattinen nstkrkeus [m] H g = Hi + Hp = Gedeettinen krkeus eli säiliöiden nestepintjen välinen krkeuser [m] p p H pk = 5 0 = painekrkeus eli säiliöiden välinen paine-er krkeutena [m] ρg Dynaaminen nstkrkeus määritellään yhtälössä (3.1.14) esitetyllä tavalla. Humiitava, että yhtälöä (3.1.14) vidaan käyttää suuntaa antavaan laskentaan. Tarkassa laskennassa tulee humiida putkessa virtaavan aineen virtausnpeus. Yleisemmin dynaaminen nstkrkeus määritetään yhtälöiden (3.1.4) ja (3.1.7) avulla laskemalla ensin putkistn painehäviö ja muuttamalla se krkeudeksi, yksikköön [m].
17 2 H dyn = kq v (3.1.14) H dyn = dynaaminen nstkrkeus [m] k = Verrannllisuuskerrin, jka määräytyy vastuskrkeudesta tunnetun tilavuusvirran mukaan [-] Edellisten perusteella putkistn vaatima kknaisnstkrkeuden yhtälö saa mudn, jka n esitetty yhtälössä (3.1.15). Yhtälö (3.1.15) ttaa humin kaikki krkeus- ja paine-ert imu ja paine pulen säiliöiden välillä sekä kertavastukset ja kitkan. p p H putkist = H g + 5 0 2 + kq v ρg (3.1.15) Kuvassa 5 esitetyssä timintapisteessä pumpun tuttama nstkrkeus tulee lla yhtä suuri kuin putkistn vaatima, yhtälön (3.1.15) mukainen nstkrkeus, jtta pumppu kykenee timimaan timintapisteen edellyttämillä suritusarvilla. [Pumput, puhaltimet, kmpressrit kurssin luent 5 Larjla. LTY. Syksy 2008.] Edellä esitettyjen suureiden lisäksi mainittakn kaksi tärkeintä lemassa levaa dimensittmia suuretta, jiden avulla kyetään vertailemaan erilaisia ja erityyppisiä pumppuja keskenään. Tällaisia dimensittmia suureita vat minaispyörimisnpeus, jka n määritelty yhtälössä (3.1.16) ja minaishalkaisija, jnka määritelmä n esitetty yhtälössä (3.1.17). N s q = ω (3.1.16) h v 0,75 s 0,25 2 s d h Ds = (3.1.17) q v ω = Kulmanpeus [1/s] Δh s = Isentrppinen minaisentalpianmuuts [J/kg] d 2 = Juksupyörän ulkhalkaisija [m] Lisäksi n lemassa muitakin pumpun rakenteelliseen mitittamiseen liittyviä tunnuslukuja, kuten halkaisijaluku yms. mutta niihin ei kuitenkaan tämän työn salta puututa tarkemmin. [Pumput, puhaltimet, kmpressrit kurssin luent 4 LTY. Larjla. LTY. Syksy 2008.]
18 Putkivirtauksen laskennassa keskeisessä sassa n Bernullin yhtälö, jka n käytännössä taseyhtälö putkivirtaukselle, esitetty yhtälössä (3.1.18) paineiden avulla. Tämä yhtälö humii pumppauspiirissä levien säiliöidenpaineet, säiliöiden krkeusert ja putkistnpainehäviöt sekä pumpuntuttamanpaineen. Lähes pikkeuksetta Bernullin yhtälön avulla määritetään pumpulta vaadittava paineentutt, kuten yhtälössä (3.1.18) n esitetty. p + ρgh + p 1 p 1 pumppu = p pumppu 2 = p + ρgh + p putkist p + ρg( h h1) + p 1 2 2 2 putkist (3.1.18) Yhtälön (3.1.18) ratkaistun mudn viimeisenä terminä leva kkputkistn painehäviön laskenta suritetaan yhtälöiden (3.1.4) ja (3.1.5) avulla. [Virtaustekniikka luent 6 Bernullin yhtälö LTY. Larjla. Kevät 2008.] 3.2 Prsessiteknisen mitituksen lähtökhdat Prsessitekninen mititus, määrittelyt ja valinta tullaan surittamaan nestekaasupumpuille GA-601S ja GA-653, jilla pumpataan butaania sekä käsiteltyä nestekaasua. GA-601S pumpulla syötetään edellä mainittuja nestekaasuja prsessireaktriin eli pumppu timii prsessissa nestekaasuja pumppaavana syöttöpumppuna. GA-653 pumpun ensisijaisena tehtävänä n pumpata butaania prsessireaktreille. Prsessitekninen mititus tehdään valmiiden Excel-laskentataulukiden avulla, jtka vat Neste Jacbsilla yleisesti käytössä prsessimitituksissa. Näiden laskentataulukiden avulla tehdään putkistn painehäviö- ja virtauslaskelmat sekä lisäksi määritetään pumpun timintaarvt ja laitetiedt, kuten pumpulta tarvittava tilavuusvirta ja sitä vastaava nstkrkeus sekä putkistssa levien säätöventtiilien timinta-arvt. Virtauslaskelmien lähtötietina vat putkistn gemetria ja minaisuudet kuten putken pinnankarheus. Lisäksi tunnetaan virtaavien aineiden aineminaisuudet. Nämä edellä mainitut tiedt hankitaan kyseisen prsessin PI-kaaviista, laitteiden datalehdistä ja kirjallisuudesta. Lisäksi n käytössä putkiststa ismetrikuvat, jsta selviää putkipituudet, mutkien, venttiilien ja muidenkin kertavastusten kappalemäärät k. putkessa. Putkistn käsittelyn lähtökhtana n, että jkaiselle putkisuudelle määritetään erikseen painehäviö. Painehäviölaskentaan tarvittavat aineminaisuusarvt n esitetty taulukssa 2. Pumpattavat nestekaasut vat nestemäisessä mudssa pumpun khdalla, mutta kaasuuntuvat, kun ne ajetaan prsessissa lämmönvaihtimien läpi. Tämä aiheuttaa prsessilaskentaan lisätyötä ja vaatii erityistä tarkkuutta aineminaisuus arvjen kanssa. Kuvassa 6 n esitetty prsessin periaatekuva.
19 10000 kg/h Nestekaasu OSITTAISPOLYMEROINTI FA-602 10000 kg/h Nestekaasu DA-651 8000 kg/h Nestekaasu KOKONAISPOLYMEROINTI GA-601S Lämmönvaihtimet FA-652 5200 kg/h Butaani GA-653 13200 kg/h Nestekaasuses DC-601 DC-602 Kuva 6 Pumppausprsessin periaatekuva Öljynjalstusprsesseissa pumpattaessa tutteita tiettyjä putkilinjja pitkin käytetään tästä nimitystä, että prsessia ajetaan tietyllä tavalla. Näillä kyseisillä pumpuilla GA-601S ja GA-653 vidaan ajaa prsessia klmella eri tavalla. Kuvassa 6 DA-merkintä tarkittaa klnnia ja FAmerkintä klnnin ylimensäiliötä. DC-merkintä viittaa prsessin reaktriin. Prsessin ajtavat vat seuraavat: 1. Pumpataan GA-601S pumpulla nestekaasua klnnin ylimensäiliöstä FA-602 prsessireaktrille DC-601 tai DC-602, riippuen siitä kumpi reaktri n käytössä. (Keltaisten venttiilien kautta kuvassa 6). Liitteessä II tämä pumppaustapaus n merkitty vihreällä värillä. 2. Pumpataan jk GA-601S tai GA-653 pumpulla butaania klnnin ylimensäiliöstä FA-652 reaktrille DC-601 tai DC-602, riippuen siitä kumpi reaktri n käytössä. GA-653 pumpulla pumpataan vain butaania. (Keltaisten venttiilien kautta kuvassa 6) Liitteessä II tämä pumppaustapaus n merkitty punaisella värillä.
20 3. Pumpataan nestekaasua GA-601S pumpulla klnnin ylimensäiliöstä FA-602 klnniin DA-651(Vilettien venttiilien kautta kuvassa 6) Liitteessä II tämä pumppaustapaus n merkitty sinisellä värillä. Pumpattaessa nestekaasuja prsessireaktreille, n kyseessä kknaisplymerinti eli tapaukset 1 ja 2. Kierrätettäessä nestekaasuja ylimensäiliöstä takaisin klnniin, n kyseessä sittaisplymerinti eli tapaus 3. Edellä esitettyjen klmen eri ajtavan perusteella tehdään pumppujen GA-601S ja GA-653 mititus käsittelemällä kaikki pumppaustapaukset erikseen mlemmille pumpuille. Painehäviölaskelmien ja pumpun mitituslaskelmien perusteella saadaan pumpulle tietyllä tilavuusvirralla pumpulta vaadittava nstkrkeus. Laskentatapaus, jka vaatii suurimman nstkrkeuden ja tilavuusvirran pumpulle, valitaan yleensä mitittavaksi ajtavaksi, kuitenkin n humiitava kahden pumpun mitituksessa, ettei sellaista pumppua välttämättä le, jka kykenisi mlempiin mititus tapauksiin. Tällöin judutaan tilanteeseen, jssa n valittava kaksi erilaista pumppua, kumpikin maan tapaukseensa. Tämä jhtuu siitä, että mititettavan pumpun tulee timia vaikeimmassakin prsessinajtilanteessa ja usein pumppujen tuttkäyrillä lppuu säätövara kesken. Taulukssa 2 esitetyt aineminaisuudet n määritetty prsessin simulintihjelmalla käyttäen hyväksi jalstamn prsessi-insinöörien antamia tietja edellä mainituista prsessin ajtavista ja keräämällä datatietja erillisestä prsessin hjaushjelmasta sekä prsessin simulintihjelmasta. Aineminaisuuksien määrittämisessä n humiitu erityisesti pumpattavan aineen kaasuuntuminen matkalla pumppauskhteeseen. Kaasuuntuminen jhtuu siitä, että pumpattavaa ainetta lämmitetään ennen reaktria. Tämä ilmiö näkyy ainearvissa selkeimmin tiheyden pienentymisenä kaasuuntumisen khdalla. Pumpattava aine eli nestekaasu n kknaan nestefaasissa pumpun khdalla eli kyseessä nesteen pumppaus.
21 Taulukk 2 Pumpattavien aineiden aineminaisuudet Butaani Imupuli p = 550kPa Painepuli p = 3191kPa Lämpötila C 35 35 40 135 155 Tiheys kg/m3 557 579 573 415 96 Visksiteetti mpas 0,15 0,16 0,154 0,062 0,014 Höyrynpaine kpa 367,4 315,2 363,2 2679,7 3191 Kriittinen paine kpa 3761 3727 3727 3727 3727 Massavirta kg/h 5200 5200 4650/13000 13000 13000 Nestekaasuses Imupuli p = 710kPa Painepuli p = 3191kPa Lämpötila C 35 35 65 70 Tiheys kg/m3 574,6 575 543 536 Visksiteetti mpas 0,161 0,161 0,126 0,121 Höyrynpaine kpa 313,4 313,4 684,8 769,2 Kriittinen paine kpa 3726 3726 3726 3726 Massavirta kg/h 9000 9000 9000 9000 Taulukssa 2 esitettyjen tietjen lisäksi kk pumppausprsessissa sallisena levan putkistn tiedt n määritetty arkisttietkantjen ismetrikuvien perusteella sekä käymällä prsessialueella määrittämässä lemassa levan putkistn gemetriaa, siltä sin mitä ismetrikuvista ei selvinnyt. Putkiststa selvitettiin putkipituudet, kaikki kertavastukset ja putken halkaisijat sekä putkimateriaalin pinnankarheus. Laskettava prsessi n tdellinen, jten se sisältää lisäksi putkistssa kiinni levia laitteita ja laitteistja, jita vat muun muassa lämmönvaihtimet, mittalaipat ja suuttimet. Prsessilaskennan tarkituksena n selvittää millä timinta-arvilla pumppu GA-601S timii sekä GA-653:n että GA-601:n varapumppuna. Lisäksi mititetaan pumppu GA-653, siten että se kykenee timimaan nykyisessä prsessissa eli pumppaamaan butaania prsessireaktreille. 3.3 Laskentaprsessi Prsessilaskenta suritettiin valmiin kaksisaisen Excel-laskentataulukn avulla, jhn kuuluu painehäviö- sekä pumppulmake. Nämä erilliset lmakkeet n linkitetty tisiinsa mutta niiden
22 keskinäiseen timintaan ei tässä yhteydessä kiinnitetä humita. Excel-laskentataulukn laskentayhtälöt perustuvat Neste Oilin yleiseen prsessimititushjeeseen QD10014. Tässä hjeessa n määritelty laskettavien mititusarvjen, kuten paineiden, lämpötiljen, NPSH:n ja virtausnpeuden vähimmäis- ja enimmäisarvja sekä perusteita eri arvjen valinnalle. Lisäksi hjeessa määritellään säätöventtiilin mitittamiseen liittyviä asiita. Näissä määrittelyissä ratkaisevana tekijänä n mititustapa, jnka perusteella määräytyvät muun muassa mitituspaineen ja -lämpötilan arvt. Esimerkiksi suunnittelulämpötila valitaan siten että se n suurin käyttölämpötila ja siihen lisätään 15 celsiusastetta. Vastaavantyyppinen hjeistus n suunnittelupaineen valinnalle, p suunnittelu = p käyttö +150 kpa. Minkään suunnitteluarvn valinta ei le yksiselitteinen vaan vaihtehtja n j edellä viittaamassani hjeessa useita kaikille suunnitteluarville mititustilanteesta riippuen. Pumppausprsessi mititetaan tunnetun putkistn ja putkistssa levien säätöventtiilien painehäviöiden avulla seuraavien vaiheiden kautta: 1. Painehäviölaskenta suritetaan putkikhtaisesti painehäviölmakkeella, humiiden painehäviötä aiheuttavat kmpnentit ja muut tekijät putkistssa 2. Määritetään putkistn ja säätöventtiilin timinta-arvt pumppulmakkeelle sekä valitaan mititustapa 3. Saadaan pumpun ja putkistn käyrät pumppulmakkeelle, jssa käyrien väliin jäävän san paine-er kuristetaan pis säätöventtiilillä ja siten saadaan selville pumpun timintapiste Erikseen humiitavia laitteistja painehäviölaskelmassa vat lämmönvaihtimet, mittalaipat, säätöventtiilit ja suuttimet eli tekijät, jtka saavat aikaan painehäviöitä. Lisäksi jatkuvanprsessin painearvjen määrityksessä pyritään etsimään käyttöhistriasta tapaukseen mitittava paine, jka n yleensä krkein hetkellinen tai suurin jatkuva paine. Tereettisessa laskennassa käytetään yleensä vain yhtä arva, jka ei kuvaa prsessin kk timintaa, vaan n vain yksi hetkellinen mittaus. Mititustapina vidaan käyttää samaa painemititusta, kun imu- ja painepulen säiliöiden paineet vat yhtä suuret. Lgisesti n lemassa myös eri painemititus jta käytetään, kun imu ja paine pulen säiliöiden paineet vat erisuuruiset. Lisäksi n lemassa Säätöventtiilin painehäviön mukaan tapahtuva mititus ja pumppukäyrän perusteella tehtävä mititus. Merkittävin er laskentataulukn ja luvussa 2.1 esitettyjen laskentayhtälöiden salta n se että laskentataulukssa tehdään samalla kertaa muun mitituksen yhteydessä tarkitukseen spiva ylimititus ja lisäksi humiidaan putkistssa levat säätöventtiilit, jtka mititetaan kukin erikseen. Lisäksi kertavastusten salta er n humattava, sillä käsin laskettaessa kunkin
23 kertavastuksen vastusarv tulee etsiä kirjallisuudesta mutta laskentataulukka varten tarvitaan vain vastusten kappalemäärät, eri venttiilien, mutkien ja haarakhtien salta. Siis laskentataulukssa n valmiina kaikki yleisesti kirjallisuudesta löytyvät pumpun mitittamiseen tarvittavat yhtälöt ja kertavastusarvt. Taulukkphjaisen laskennan tarkkuus n yhtä suuri kuin käytössä levien lähtöarvjen tarkkuus. Mnet laskennan tekijät, kuten putkien pituudet ja putken pinnankarheudet judutaan arviimaan, puutteellisten tai vasta alustavien tietjen takia. Nämä kaikki edellä mainitut asiat aiheuttavat jnkin verran epätarkkuutta laskentaan. Kuitenkin lähes aina n käytettävissä vanhjen vastaavien laitteiden tietja jihin mia laskentatulksia vi vertailla ja näin arviida lähtökhtaisten laskenta-arvjen tarkkuutta. 3.4 Prsessiteknisen mitituksen tulkset Prsessilaskennan tulksena selvitettiin pumpun tärkeimmät timinta-arvt, pumppujen minaiskäyrät ja timintapisteet. Tässä tapauksessa määritettiin myös putkilinjissa levien säätöventtiilien arvt tunnetun putkigemetrian ja haluttujen alkuehtjen perusteella. Prsessilaskennan tulkset n esitetty taulukssa 3 ja pumppujen minaiskäyrät kuvissa 7 ja 8. Taulukk 3 Mititettujen pumppujen timinta-arvt sekä linjissa levat ja mititetut säätöventtiilit Pumppu GA-653 GA-601S Mititusperiaate Eri painesäätö SV:n painehäviö tunnetaan dp = 100kPa Putkistn kknaispainehäviö kpa 3400 3151,2 Tilavuusvirta m 3 /h 9,3 17,4 Nstkrkeus m 622,3 559 Pumpun imupaine eli NPSH a kpa / m 394,2 / 5 332 / 3,4 Suunnittelu arvt: Paine min. kpa 0 0 Paine max. kpa 4670 4710 Lämpötila min. C 0 0 Lämpötila max. C 110 110 Imusäiliön varventtiilin avautumispaine kpa 790 1050 Säätöventtiilit FC-610 FC-613 FC-614 FC-656 Paine-er venttiilin yli kpa 473 555 373 1427 Virtaama m 3 /h 0,9 8 15,5 17,3 C v arv - 0,4 3,9 7,1 4,2
24 Pumpun GA-653 tuttkäyrä Pumpun GA-601S tuttkäyrä 800,0 800,0 700,0 700,0 600,0 600,0 Painekrkeus, m 500,0 400,0 300,0 Painekrkeus, m 500,0 400,0 300,0 200,0 200,0 100,0 100,0 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 Pumpun Läpivirtaus, m3/h 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 Pumpun Läpivirtaus, m3/h Kuva 7 Pumpun GA-653 tuttkäyrä Kuva 8 Pumpun GA-601S tuttkäyrä Taulukssa 3 esitetyt mititusarvt vat nrmaalin käytön aikaisia arvja. Näiden lisäksi laskentatauluklla määritettiin minimi arvt 50 % suudella nrmaaleista ja lisäksi 10 20 % ylimititus nrmaali arvista. Lähtökhtaisesti mititettiin mlemmille pumpuille mat timintaarvt. Mikäli vertailussa löydetään pumppu, jnka minaiskäyrälle mlempien tapausten arvt spivat, vidaan mlempiin tapauksiin valita samanlaiset pumput. Mititusperiaatteena GA-653:lla levalla eri painesäädöllä tarkitetaan sitä, että k. pumpun imu- ja painepulella levien säiliöiden välillä ei le paineriippuvuutta keskenään. Pumpun GA-601S mititusperusteena n käytetty putkistssa levan säätöventtiilille haluttua painehäviötä, jnka perusteella n määräytynyt kuvan 8 pumppukäyrä. Mlempien pumppujen putkistissa n kaksi säätöventtiiliä, jiden mititusarvt käyvät ilmi tauluksta 3. Näistä säätöventtiileistä jhtuu se että kuvissa 7 ja 8 pumpun ja putkistn minaiskäyrät eivät leikkaa. Siis virtauksen säätö tapahtuu säätöventtiilillä, jka kuristaa kuvissa 7 ja 8 levat painekrkeudet pis ja saa minaiskäyrät leikkaamaan. Taulukssa 3 esiintyvä C v arv kert miten paljn venttiili läpäisee virtausta, eli sitä suurempi virtaus mitä suurempi C v arv. Kyseiset säätöventtiilit vat vanhan putkistn sana levia venttiileitä ja vanhjen mititustietjen perusteella venttiilit riittävät edelleen myös uusille pumpuille. Pumpun GA-601S mititusperiaatteeksi valittiin säätöventtiilin mukaan mititus, jtta suunnittelupaineen arva saatiin pienennettyä. Tämä timenpide haluttiin tehdä, jtta ei ylitettäisi lemassa levan putkistn suunnittelupainetta. Taulukssa 3 esitetyt pumppujen suunnitteluarvt määräytyivät putkistn suunnittelu arvjen mukaan. Suunnittelu lämpötilat livat täysin samat mlemmissa pumpuissa, mutta paineissa era syntyi imusäiliöiden krkeuserista pumppuun
25 nähden sekä varventtiilien avautumispaineiden erista jhtuen. Ilmitetut paineet vat absluuttisia arvja ja paineiden ehdttmana ylärajana li 4725 kpa, jka li putkistjen suunnittelupaine. Taulukssa 3 ilmitettujen suunnittelupainearvjen saamiseksi judutaan säätämään pumpun GA-601S imusäiliön FA-602 varventtiilin avautumispainetta 1280 kpa:sta 1050 kpa:n, jtta pumpun kehittämä suurin mahdllinen paine ei ylitä putkistn suunnittelupainetta. Kats liitteet V ja VI. Prsessilaskennan avulla saatujen tulsten ja tehtävien kyselyiden perusteella tullaan valitsemaan khteeseen parhaiten spiva pumppu. Kappaleen 3 lähdetietina n käytetty Neste Oilin hjetta QD 21729 rev. 6, QD10014 rev. 2 ja spesifikaatita G-102 rev. 5 sekä prsessin PI-kaaviita. Lisäksi prsessimititukseen liittyvistä asiista n keskusteltu Raun Tivsen ja Jhan Björkin kanssa. 4 Keskipakpumpun määrittely Keskipakpumpun määrittelyllä tarkitetaan pumpun materiaalia ja rakennetta määriteltäviä teknisiä tietja, jiden perusteella pumppuvalmistaja kykenee tarjamaan käyttötarkitukseen parhaiten spivan laitteistn. Tässä luvussa tullaan käsittelemään luvussa 2 esitettyjen prsessilaskelmien ja niiden tulsten perusteella nestekaasupumpun määrittelyä ja sitä mihin sa tekijöihin määrittely perustuu. Määrittelyiden perustana käytetään API 610 ja API 682 standardeja ja Neste Oilin mia spesifikaatiita sekä suunnitteluhjeita. 4.1 Pumppujen määrittelyn lähtökhdat Keskipakpumpun määrittely perustuu pumpun käyttötarkitukseen, pumpattavan aineen aine minaisuuksiin ja pumpulta vaadittaviin timinta-arvihin. Lisäksi tulee määritellä pumpun tarvittavat säätöminaisuudet, pumpun käyttölaite ja sijitus paikka. [Insk 208 85 kpl 3 s.2-3] Määrittelyn lähtökhtana vat taulukssa 2 esitetyt pumpattavien aineiden aineminaisuudet sekä pumpun mititusarvt taulukssa 3. Tämän tarkasteltavan pumpun tehtävänä n pumpata prpaania ja butaania sekä käsiteltyä nestekaasua nestekaasuklnnin ylimensäiliöstä prsessireaktriin, jssa k. nestekaasuista pistetaan epäpuhtauksia. Pumpattavana aineena leva nestekaasu n hyvin räjähdys- ja palherkkä aine, jten erityisesti rakenneteknisessä määrittelyssä tulee phtia erityisen tarkkaan materiaali sekä
26 laitteisttyyppi valinnat. Määritellään pumpun vitelu periaate ja tiivisteratkaisut huuhtelujärjestelmineen sekä imu- ja painepulen liitkset. Muina määriteltävinä sa-alueina vat pumpun käyttölaite ja pumppu valmistajalta vaadittavat pumpun timintaa kuvaavat testausajt, jita vat pumpun minais-, hyötysuhde-, teh- ja NPSH käyrä. Edellä mainittujen asiiden lisäksi n annettava lisähumautus, mikäli pumpattava aine sisältää esim. kiintainetta tai pumppauksessa n humiitava jkin muu asia, jka vaikuttaa materiaaleihin yms. 4.2 Pumpun määrittely käytännössä Pumpun määrittely suritetaan käytännössä vertailemalla k. tapausta vastaavan kaltaisiin tilanteisiin, eli käyttämällä hyväksi vanhja tietja vastaavan kaltaisista pumpuista. Verrattavina tekijöinä vat muun muassa pumpattava aine, nstkrkeus ja tarvittava tilavuusvirta sekä vanhat tiivisteratkaisut. Vanhan vertailuun kelpaavan arkisttiedn lisäksi hyödynnetään materiaali ja tiiviste pulen erikissaajia sekä kaikkea saatavilla levaa kkemusperäistä tieta vastaavan kaltaisista tilanteista. Tämä kyseessä leva prjekti n selvitysvaiheessa, jten materiaalien ja muiden määrittelyjen salta pyritään selvittämään tärkeimmät khdat ja esitetään laitevalmistajalle käyttölsuhteet sekä muut ratkaisevat tekijät. Määrittely tarkentuu laitevertailun jälkeen merkittävästi, kun laitevalmistajalta saadaan valittavan laitteen tarkat tiedt. 4.3 Pumppumäärittelyn tulkset Tässä luvussa käsitellään nestekaasu- ja sulanpistpumppua kskevat mekaaniset määrittelyt, kuten ne vat luvussa 4.1 esitetty. 4.3.1 Nestekaasupumppu Taulukssa 3 esitettyjen tulsten perusteella havaitaan, että pumpulla n suuri nstkrkeus ja suhteellisen pieni tilavuusvirta. Näiden asiista jhtuen pumpputyyppinä tullaan käyttämään mnivaiheista keskipakpumppua tai yksivaiheista krkeakierrspumppua, riippuen siitä kumpi ratkaisu katstaan levan khteeseen spivampi valinta vaiheessa. Tässä tapauksessa n kyseessä öljynjalstuksen prsessipumput, jtka sijaitsevat räjähdysvaarallisella alueella ja jissa pumpattavat aineet vat helpsti syttyviä, jten kaikki pumpun rakenteet ja materiaalit tulee lla kipinöimättömiä. Pumpun rakenteelliseksi materiaaliksi valitaan kylmänkestävähiiliteräs tai rustumatnteräs(kylmänkestävyys -48 celsiusastetta) eli kaikkien pumpun sien tulee täyttää kylmänkestävyysvaatimus. Syy kylmänkestävyysvaatimukseen n siinä, että pumpun tulee kestää krrsita, ei niinkään kylmää. Määrittelyissä valittiin vain
27 pumpun pesän materiaali ja muiden sien materiaalivalinnat jätettiin tässä vaiheessa valmistajan valittaviksi. Pumpun phjalevyn materiaaliksi valittiin teräs. Nestekaasupumpun tiivistejärjestelmän valinnassa nudatetaan Neste Oilin spesifikaatita QD21729, jssa n suraan määritelty tarvittava tiivisteratkaisu k. tapaukseen. Pumppujen tiivisteratkaisujen yhteydessä n aina humiitava, että kaikki mekaaniset tiivisteet vutavat jnkin verran eli mekaanista vutamatnta tiivistettä ei le lemassa. Tiiviste järjestelmänä käytetään API PLAN 76, jssa n ns. tandem eli kaksismekaaninen tiiviste eli kaksi peräkkäistä tiivistystä vudn minimimiseksi, jssa ensiötiiviste n tutteen vitelema ja tisitiiviste kuivakäyntinen mekaaninen tiiviste. Lisäksi ensiö- ja tisipulen tiivisteiden välistä jhdetaan vutanut aine jalstamn sihtujärjestelmään, jssa vutanut aine pltetaan. Tämä ratkaisu jhtuu siitä että nestekaasut vat ilmaan päästessään höyrystyviä sekä kaasumaisina herkästi syttyviä ja räjähtäviä. Tiivistejärjestelmä n suunniteltu siten, että pumpattavana tutteena levaa nestekaasua pääsee vutamaan välitilaan mutta välitilasta ei vuda mitään tutteen jukkn ja tällä varmistetaan se, ettei tutteen laatu muutu vudn sattuessa. [Flwserve: Mechanical seal piping plans: API PLAN 76] Lisäksi API PLAN 76:n tullaan yhdistämään API PLAN 11, jnka timinta ja tarkitus n selstettu sulanpistpumpun yhteydessä kappaleessa 4.3.2. Kappaleessa 4.3.2 mainittua thrttle bushing rakennetta ei käytetä nestekaasupumpuilla kska API PLAN 76 ratkaisu sisältää vastaavan kaltaisen minaisuuden. API PLAN 11 ja 76 timivat nestekaasupumpuissa täysin erillisinä, eli 11 hitaa huuhtelun ja 76 tiivistyksen. Tarkkaa yksittäistä akselitiivistevalmistajaa ei tässä vaiheessa määritetä, vaan se tarkentuu valmistajilta saatavien tarjusten perusteella. Pumpun imu- ja painepulen liitsten määrittelyssä n humiitava sekä imu- että paineputkien painelukat määrittelyssä. Painelukan n nestekaasupumpuilla ltava vähintään 300 # mutta ei alhaisempi kuin käytössä levan putkistn painelukka. Liitsten paine lukiksi määritettiin 300 # edellä mainitusta tekijöistä jhtuen. Lisäksi määriteltiin, että kiinnityslaippjen tulee lla kuvan 6 mukaisesti keskisastaan krtettuja, eikä laipan reunjen kanssa samassa tasssa. Tähän käyttötarkitukseen suuresta nstkrkeudesta jhtuen sveltuvat mnivaiheiset keskipakpumput ja lisäksi krkeakierrspumppu, jsta vertailujen yhteydessä enemmän.
28 Ei khumaa Khuma Vaihteht Tteutustapa Kuva 6 Pumpun ja putkistn väliset kiinnityslaipat, sivulta katsttuna. Humaa khuma valitussa tteutus tavassa. Pumpun käyttölaitteeksi määritellään sähkömttri, jnka salta n humiitava, että sen tulee lla EX sujattu, eli sellainen ettei se kipinöi. Sähkömttrin käyttöjännitteeksi määrättiin 400 V ja taajuus n 50 Hz. Pumpun sähkömttria ei hjata taajuusmuuttajalla eli pumpulla ei käytetä pyörimisnpeussäätöä. Tarkemman määrittelyn mttrille tekee sähkösuunnittelija. Sähkömttrin teh tulee valita tarvittavan tehkäyrän yläpäästä, jtta teha saadaan riittävästi käyttöön. Lisäksi tulee humiida mahdllinen pumpattavan nesteen minaispainnvaihtelu esimerkiksi prsessin käynnistystilanteessa. [Neste Oilin spesifikaati G-102] Pumppujen vertailuja varten n myös määriteltävä mitä testaustietja halutaan saada. Kestuksina nestekaasupumppujen salta vaaditaan pumppukäyrät ja varmennus NPSH r määrästä eri tilavuusvirrilla sekä pumpun painekestävyyske, jsta ilmitetaan testauspaine. Humautuksena ilmitetaan, että pumpun ja mttrin väliin tulevan kytkimen tulee lla kipinöimätön ja ATEX sertifiitu. 4.3.2 Sulanpistvesipumppu Sulanpistpumpun salta määritellään aivan samat asiat kuin nestekaasupumpulla ja seuraavassa käydään läpi ne asiat mitkä tteutetaan eri tavalla kuin nestekaasupumpun määrittelyssä. Pumpun rakenteellisina materiaaleina käytetään Duplex materiaalia, jka n tavallista hiiliterästä kestävämpää. Tätä materiaalia tarvitaan, kska sulanpistvesi, jta pumpataan sisältää jpa 600 ppm klrideja, jtka syövyttävät tavalliset hiiliteräsmateriaalit npeasti. Lisäksi pumpattavan aineen jukssa n pieniä määriä raakaöljyä. Sulanpistpumpun tiivisteratkaisuna käytetään ns. single-tiivistettä API PLAN 11:ta huuhtelulla. Tässä tiiviste ratkaisussa n käytössä akselitiivisteen huuhtelu pumpun painepulelta. Kyseessä n
29 siis yksinkertainen tiivistehuuhtelujärjestelmä, jssa pumpattavalla tutteella huuhdellaan akselitiiviste ja k. tute kierrätetään takaisin pumpun pesään. Lisäksi tiivisteen yhteydessä tullaan käyttämään thrttle bushing rakennetta eli ns. paineistamatnta kuristusrengasta, jka estää tiivisteestä vutaneen tutteen pääsyn ympäristöön. Kuristusrenkaan ja akselitiivisteen väliseen tilaan vutanut tute jhdetaan öljyistenvesien viemäriin, ja sitä kautta edelleen käsiteltäväksi jalstamn jätevesien puhdistamlle. [Flwserve: Mechanical seal piping plans: API PLAN 11] Vaihtehtinen ratkaisu edellä esitetylle lisi llut kaksismekaaninen paineistettu tiiviste, jssa n lisäksi kiertävä jäähdytysaine tiivisteelle. Sulanpistpumppuun tulevien imu ja paine pulen liitsten lisäksi asetetaan pumpusta yksi liits viemäriin, jta kautta tiivisteestä vutavat aineet pääsevät pis. Vutavat aineet vidaan tässä tapauksessa jhtaa öljyistenvesienviemäriin, kska ne eivät le myrkyllisiä eivätkä höyrystyviä ulkilmassa. Kestuksina sulanpistpumpulle vaaditaan pumppukäyrät ja painekestävyyske, jsta ilmitetaan testauspaine. Muilta sin sulanpistpumpun määrittelyyn liittyvät asiat vat täysin samanlaiset kuin nestekaasupumpulla, jtka n esitetty kappaleessa 4.3.1. Kappaleen 4 lähdetietina n käytetty Neste Oilin hjetta QD 21729 rev. 6 ja QC10016. Lisäksi n hyödynnetty spesifikaatita G-102 rev. 5. Määrittelyiden asiasisällöistä n käyty keskusteluja Raun Tivsen ja Jarn Laineen kanssa. 5 Vaihtehtisten pumppujen vertailu ja tarkitukseen spivimman pumpun valinta Tässä kappaleessa käsitellään kyselyjen perusteella saatuja pumppuja ja vertaillaan niiden minaisuuksia ja timivuutta. Tärkeimpänä tavitteena n valita paras mahdllinen pumppu kaikkien vaihtehtjen juksta, ttamalla humin kaikki valintaan vaikuttavat, niin mekaaniset kuin prsessitekniset asiat. 5.1Vertailun lähtökhdat ja tavitteet Lähtökhtaisesti vertailun avulla pyritään selvittämään riittävän mnia eri vaihtehtja kyseessä levaan khteeseen. Vertailussa kiinnitetään humita useisiin eri valintakriteereihin, jista kaikkein tärkeimmät niistä vat laitteen turvallisuus, timivuus, hullettavuus, kestävyys ja varasat sekä hinta. Myös merkittävänä tekijänä vat vastaavien laitteiden hankinnassa aikaisemmin lleiden henkilöiden kkemukset eri laitetimittajista sekä vastaavan kaltaisista tapauksista. Lisäksi
30 vastaavien laitteiden aikaisemmat käyttökkemukset prsessin eri sissa vat merkittäviä päätöstä tehtäessä. Edellä mainituista tekijöistä tärkein n turvallisuus. Tämä jhtuu siitä, että laitteen n ltava turvallinen käyttää, jtta se visi lla timiva ja kestävä. Ei turvallisen laitteen käyttö saattaa aiheuttaa henkilö- ja ainevahinkja jissakin käyttötilanteessa ja niiden seuraukset vivat lla laajalle ulttuvia ja vakavia. Tästä jhtuen turvallisuudesta n ensisijaisesti hulehdittava valittaessa uutta laitteista. Tisena tekijänä leva timivuus tarkittaa sitä että laitteistn tulee lla prsessimitituksella tehtyjen laskelmien mukainen, jtta se visi timia. Timivuus tarkittaa myös sitä että laitteistlla kyetään surittamaan kaikki sille asetetut tehtävät ilman ngelmia. Lisäksi häiriötilanteista tulee kyetä selviytymään nrmaalitilaan ilman vaaratilanteita, esimerkiksi akselitiivisteen vuttilanteesta. Laitteistn hullettavuutta ja kestävyyttä tarkasteltaessa n tarpeellista tutkia nk vastaavia laitteita käytössä samanlaisissa khteissa ja nk varasien saanti riittävän tehkasta miin tarpeisiin. Vastaavista laitteista saatuja kkemuksia hyödyntämällä vidaan löytää paras vaihteht k. tapaukseen. Kestävyyden kannalta laitteistn tulee lla sellainen, että se kykenee timimaan ilman ngelmia kk hultvälin ajan. Laitteenhinta ratkaisee pumpun valinnan vasta sen jälkeen, kun turvallisuus ja käytettävyysasiat vat kunnssa. Vertailun lähtökhtana käytetään laitevalmistajilta, pumpuista saatuja tietja, jhn kuuluvat mekaaniset, materiaalitekniset ja prsessitekniset asiat. Vertailussa käytetään lisäksi apuna paljn kkemusta maavia henkilöitä, jtka työskentelevät päivittäin tämän tyyppisten asiiden parissa. Heidän avullaan tullaan valitsemaan parhaiten käyttökhteeseen spiva ja turvallinen pumppu, jnka käyttöikä sekä kestävyys vastaavat prsessin tarpeita. 5.2 Vertailtavat pumput Pumppujen hinta- ja timitusaikatiedt vat pumppuvalmistajan ja laitteenstajan välinen liikesalaisuus, mistä jhtuen näitä kyseisiä tietja ei tässä yhteydessä käsitellä, eikä julkaista. Myöskään pumppuvalmistajien nimiä, jilta kyselyt tehtiin, ei julkaista vaan pumppuvalmistajista käytetään nimityksiä A, B, C ja D. Tämä jhtuu siitä, ettei Neste Oililta ei saatu lupaa julkaista pumppuvalmistajien nimiä. Pumppuvertailut suritettiin neljän (4) eri pumppuvalmistajan kesken. Vertailussa tärkeimpinä asiina vat kappaleessa 4.1 esitetyt tekijät, jiden perusteella löydetään kyseessä levaan khteeseen paras mahdllinen saatavissa leva vaihteht, vertailussa levilta
31 valmistajilta. Vertailtavien pumppujen valmistajilta saatuja pumppukhtaisia tietja n esitetty nestekaasupumpun salta liitteessä II ja sulanpistpumpun salta liitteessä III. Pumppuvalmistajilta vertailua varten saadaan tietn kappaleessa 3 esitetyt asiat ja niiden lisäksi mittapiirustukset, jista havaitaan muun muassa pumpun imu- ja painepulen yhteiden halkaisijat sekä muut pumpundimensit. Erityishumi kiinnitetään vertailun yhteydessä valmistajan ilmittamiin pumpun timinta-arvihin, eli nstkrkeuteen ja tilavuusvirtaan ja näiden kautta pumppukäyrään. Tämä jhtuu siitä että lähes aina pumppua n tarpeellista säätää jllakin tavalla ja pumppukäyrän perusteella kyetään havaitsemaan nk pumpussa riittävästi säätömahdllisuuksia k. prsessia varten. Neljältä eri pumppuvalmistajalta saadut pumpputarjukset perustuvat taulukssa 3 esitettyihin prsessilaskennan tulksiin ja kappaleessa 4 esitettyihin mekaanisiin määrittelyihin. 5.3 Pumppu vertailun tulkset Nestekaasupumppujen valinnassa li kaikkiaan kaksi (2) eri vaihtehta mlemmille pumpuille, kyselyt tehtiin sekä GA-601S että GA-653 pumpulle. Nestekaasupumppujen vertailutiedt n esitetty liitteessä III. Sulanpistpumpun valinnassa li käytettävissä klmen (3) eri pumppuvalmistajan tarjamat vaihtehdt, jiden vertailutiedt n esitetty liitteessä IV. Humiitava, että sulanpistpumpun salta pumppuvalmistaja B tarjsi kahta erilaista vaihtehta k. khteeseen, ns. API pumppua, jka täyttää API standardin ja yleistä kemiantellisuuden pumppua, jka n ns. nrmipumppu. Valmistajien A ja C vaihtehdt vat valmistajan B tarjaman kemian nrmipumpun kaltaisia. Liitteessä III esitetyistä vertailutiedista havaitaan että mlemmat pumput kykenevät timimaan halutuissa timintapisteissä, jten tästä jhtuen valinnan tärkeimmiksi kriteereiksi nusivat prsessin lutettavuus ja aikaisemmat käyttö- sekä hultkkemukset. Pumppuvalmistajan D etuna n se, että sen tarjamat vaihtehdt timivat mlempien pumppujen GA-653 ja GA-601S tapauksissa, jsta n hyötyä perintia ajatellen. Lisäksi käyttökkemusten ja prsessien lutettavuuden perusteella valmistajan D pumppua vitaisiin pitää parempana, kska ne vat lleet lutettavia, kuitenkin k. mnivaiheisen keskipakpumpun hult ja krjaus n kallista ja aikaa vievää. Valmistaja E tarjsi kumpaankin khteeseen tuttarviltaan erilaista pumppua syystä, että pumpun haluttu timinta-alue li liian laaja valmistajan E krkeakierrspumpputyypille. Tästä jhtuen pumppujen GA-653 ja GA-601S:ksi juduttaisiin asentamaan erilaiset pumput sekä pumppukhtainen minimivirtauspiiri, jhn kuuluu säätöventtiilit, virtausmittarit, putket ja autmaati. Minimivirtauspiiri asennetaan, jtta pumput saataisiin timimaan käynnistysten ja