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Wärmeträgerölanlage für Raffinerie - Gekapselter, leckagefreier Aufbau: Spezielle Spaltrohrmotorpumpe mit externer Kühlflüssigkeit fördert betriebssicher Thermoöl mit bis zu 400 °C

Da die Leistung der im Jahr 2007 installierten Wärmeträgerölanlage der Classen Apparatebau Wiesloch GmbH („CAW“) infolge von Kapazitätsausbau nicht mehr ausreichte, wurde das Unternehmen von einem langjährigen Kunden beauftragt, eine zweite Anlage für dessen Raffinerie zu liefern und beide Thermoölerhitzer in ein gemeinsames Gesamthydrauliksystem mit allen Hochtemperatur-Verbrauchern und einem gemeinsamen Ausdehnungssystem zu integrieren. Nachdem in der ursprünglichen Anlage bereits verschiedene NIKKISO-Spaltrohrmotorpumpen der LEWA GmbH als Primär-, Transfer- und Verbraucherumwälzpumpen erfolgreich im Einsatz waren, entschied sich der Anlagenbauer, auch für den neuen Auftrag NIKKISO Non-Seal Pumpen einzusetzen. In der HT-Ausführung mit externer Kühlflüssigkeit eignen sich diese Aggregate besonders gut für die Förderung von heißen Flüssigkeiten wie dem in der Raffinerie eingesetzten Wärmeträgeröl, das eine Temperatur von 400 °C erreicht. Gleichzeitig verfügen die Pumpen über einen speziellen Aufbau mit doppelter Sicherheitshülle, der ein Austreten des Fördermediums an die Atmosphäre verhindert. Das kompakte Design, bei dem Zentrifugalpumpe und Spaltrohrmotor eine Einheit bilden, sorgt zudem für einen geringen Platzbedarf und begünstigt die Lieferung als vormontierte Kompakt-Baugruppe gemäß CAW-Werksstandard. Der OEM profitiert vom Einsatz der NIKKISO-Pumpen außerdem durch eine umfangreiche, selbsterklärende Dokumentation sowie einen besonders kundenfreundlichen Inspektions- und Testumfang.

 

Im Jahr 2007 hatte der Hochtemperaturwärmetechnik-Spezialist CAW für einen Raffineriekunden in Skandinavien eine Wärmeträgerölanlage geplant und geliefert, die über viele Jahre der verlässlichen, alleinigen Wärmeversorgung aller im Werk installierten Hochtemperatur-Verbraucher diente. Der Betreiber, ein international führendes Unternehmen im Bereich der Raffinierung von Altöl und ölhaltigen Flüssigkeiten sowie in der Produktion von Ölen und Schmierstoffen, entschied sich im Jahr 2018 dafür, die Wärmeüberträgergesamtleistung zu erhöhen. So wurde wiederum CAW auch mit der Ergänzung des ursprünglich im Werk installierten Beheizungssystems um eine zweite Wärmeträgerölanlage beauftragt. „Das Komplettsystem sollte die höchstmögliche betriebliche Flexibilität und Verfügbarkeit aufweisen sowie optimal bedienbar und in höchstem Maße betriebssicher sein“, erklärt Peter Schirmer, verantwortlich für thermische Abluftreinigung und Chemieanwendungen bei CAW. „Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen haben wir ein funktionales Konzept erarbeitet, das eine hydraulische Verschaltung beider Wärmeträgerölanlagen auf ein gemeinsames Gesamtsystem vorsieht, inklusive der separaten Wärmeversorgung eines jeden Verbrauchers mittels eigener Verbraucherstation.“

Die Steuerung und sicherheitstechnische Absicherung beider Wärmeträgerölanlagen wird von mehreren dezentralen, sicheren und nicht-sicheren SPS-Steuerungen übernommen, die CAW ebenfalls geliefert hat und die in enger Abstimmung mit dem Betreiber geplant wurden. „Eine weitere Besonderheit der Anlage ist sicher auch die hohe Vorlauftemperatur von maximal 400 °C, die der möglichen Anwendungstemperatur des eingesetzten Wärmeträgers entspricht“, so Schirmer. Da neben der hohen Vorlauftemperatur und Anlagenverfügbarkeit auch ein möglichst hoher Anlagenwirkungsgrad gefordert war, kam unter anderem ein Verbrennungsluftvorwärmer zum Einsatz. Dieser senkt durch direkte Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen nicht nur deren Temperatur vor Kamineintritt, sondern erhöht zugleich auch die adiabate Flammentemperatur ganz erheblich. Dies führt in letzter Konsequenz zu einem unvermeidlichen Anstieg der Filmtemperatur in der laminaren Grenzschicht innerhalb des Erhitzers, die mit 426 °C nur unwesentlich über der zulässigen Betriebstemperatur des eingesetzten Thermoöls liegt. „Um solche Grenzauslegungen zu ermöglichen, greifen wir neben unserem langjährigen Know-how mit derartigen Sonderanwendungen insbesondere auf unsere selbstentwickelten Erhitzer-Berechnungsprogramme zurück und setzen eine eigens von uns für diese Anwendungen entwickelte Anlagenkonzeption ein.“

Leckagesichere Pumpen für hohe Temperaturen

Für die neue Anlage wurden Pumpen benötigt, die unter diesen extremen Temperaturbedingungen eine einwandfreie Funktion und damit eine hohe Anlagenverfügbarkeit sowie Sicherheit für Betrieb und Umwelt gewährleisten. Als Primärpumpe für den neu gelieferten KONTAKTOMAT® -Wärmeträgererhitzer und als Transferpumpe zur Förderung des Wärmeträgers innerhalb der Thermoölringleitung zu den Verbraucherkreisen wurde daher jeweils eine NIKKISO Non-Seal Spaltrohrmotorpumpe mit 18,5 kW von LEWA eingesetzt. „In der Gesamtanlage waren bereits zuvor diverse NIKKISO-Spaltrohrmotorpumpen installiert, die sowohl als Primär-, als auch als Transfer- und Verbraucherumwälzpumpen genutzt werden“, so Oliver Schroll, Sales Non-Seal Pumps, der das Projekt bei LEWA betreute. „Die NIKKISO Non-Seal Pumpen eignen sich für diese Anwendung besonders gut, da sie unter anderem Hochdruck- und Hochtemperatur-Anwendungen abdecken.“

Die Aggregate dieses Typs bestehen aus einer Zentrifugalpumpe und einem luftdichten Spaltrohrmotor mit gemeinsamer Welle, die damit eine Einheit bilden. Der gekapselte und gänzlich leckagefreie Aufbau, bei dem sich der Motor im Inneren des druckfesten Statorgehäuses befindet, erlaubt eine dichtungsfreie Pumpenkonstruktion. „Die doppelte Sicherheitshülle minimiert sowohl unmittelbare als auch langfristige Gefahrenrisiken für die Mitarbeiter und die Umwelt“, erklärt Schroll. „Es werden nicht nur Produktverluste, sondern auch die Abgabe schädlicher Emissionen in die Atmosphäre verhindert.“ Dies gilt selbst für den unwahrscheinlichen Fall einer Beschädigung des Spaltrohres. Gleichzeitig ist das Bedienpersonal vor dem Kontakt mit 400 °C heißen, gesundheitsschädlichen Substanzen geschützt. Die Förderung explosiver, flammbarer und weiterer aggressiver Fluide ist somit problemlos möglich. Durch das Fehlen dynamischer Dichtungen, die in der Regel kosten- und reparaturintensiv sind, erhöhen sich außerdem die Mean-time-between-failures-Werte, was ebenfalls zur Anlagensicherheit beiträgt.

Bei den verwendeten Lagern handelt es sich um Gleitlager, die in Abhängigkeit von den Eigenschaften des geförderten Mediums in verschiedenen Werkstoffen ausgeführt werden können. Die Palette reicht dabei von unterschiedlichen Kohlenstoffgraphitsorten über PTFE und Siliziumkarbid bis hin zu einem Mischgefüge aus Kohlenstoff und Siliziumkarbid, welches einen besonderen Verschleißschutz gewährleistet. In der Anwendung für die Raffinerie wurde Kohlegraphit aufgrund bester Erfahrungen hinsichtlich des minimalen Verschleißes und der Beständigkeit bei hohen Temperaturen eingesetzt. Die Schmierung der Lager erfolgt bei Non-Seal Pumpen in der Regel durch das geförderte Fluid. Je nach Pumpenausführung und Medium ist eine maximale Förderleistung von bis zu 1.200 m³/h möglich, wobei die Fluidtemperaturen zwischen -200 und 450 °C liegen können. „Die hervorragenden technischen Produkteigenschaften der verschiedenen Ausführungen der NIKKISO-Spaltrohrmotorpumpen machen ein breites Einsatzspektrum möglich. Dieses reicht von Kühlanwendungen mit Ammoniak und CO2 bis hin zu Hochtemperaturanwendungen mit Thermoölen“, erläutert Schroll. „Die Pumpen können nach API 685 ausgeführt sowie nach ATEX 2014/34/EU zertifiziert werden. Somit erfüllen sie die hohen Anforderungen und Belastungen in Raffinerien, der Chemie- sowie der Petrochemischen Industrie.“

HT-Ausführung speziell für heiße Flüssigkeiten

Für die Anwendung in der Raffinerie wurde die Ausführung HT mit externer Motorkühlung ausgewählt, die speziell für heiße Medien konzipiert wurde. Bei dieser Ausführung wird die Prozessflüssigkeit innerhalb der Rotorkammer über ein Hilfslaufrad umgewälzt. Zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Flüssigkeitstemperatur in der Rotorkammer ist ein Kühlmantel zusammen mit einem Spiralrohrwärmetauscher und einem thermischen Isolierzwischenstück vorgesehen. Aggregate dieses Typs erreichen eine Fördermenge von bis zu

780 m³/h, eine Förderhöhe von bis zu 210 m und eine Motorleistung von maximal 200 kW (ohne ATEX). Sie können bei Medien mit einer Viskosität ≤ 200 cP und Temperaturen bis zu 450 °C eingesetzt werden. Wie die anderen Pumpen der Serie zeichnen sie sich neben der absoluten Dichtheit auch durch eine große Laufruhe und eine lange Lebensdauer aus.

Zusätzlich werden die Pumpen mit einem sogenannten E-Monitor ausgestattet. Dabei handelt es sich um ein Überwachungssystem, das eine permanente Kontrolle der Lagerzustände leckagefreier Pumpen ermöglicht und so die Voraussetzungen für einen hochsicheren Einsatz schafft. Hierfür ermitteln im Stator integrierte Sensoren die radiale und axiale Position der Rotorbaugruppe während des Betriebs. Kommt es beispielsweise zu einem Lagerverschleiß, registrieren die entsprechenden Sensoren diese Ausnahmesituation sofort. Dies wird über ein Display mit Ampelsystem angezeigt, sodass gezielt Maßnahmen zur Wartung geplant werden können.

Lieferung als Kompakt-Baugruppe

Zudem erlaubt das kompakte Design der Pumpen in Kombination mit einer geringen Anzahl von erforderlichen Bauteilen nicht nur eine einfache Wartung, da Fühlerlehre oder Ausgleichsbleche nicht mehr notwendig sind. Die Integration von Pumpe und Motor sorgt zudem für eine besonders effiziente Raumnutzung und damit für einen minimalen Platzbedarf. Dies begünstigt die Ausführung der Aggregate als sogenannte CAW-Pumpenfestpunktkonstruktion. „Wie nahezu alle von uns gelieferten Pumpenaggregate wurden auch die beiden Non-Seal Pumpen als komplett vormontierte Kompakt-Baugruppen entsprechend CAW-Standard aufgebaut“, so Schirmer. „Dabei erfolgt ein Einbau in eine solide Profilstahlkonstruktion. Die Pumpen werden intern verrohrt und alle Armaturen verschweißt.“ Neben der Druck- und Dichtheitsprüfung noch in der Fertigung sowie der einfachen Montage der kompakten Einheit am Aufstellungsort besteht der wesentliche Vorteil dieses Vorgehens darin, dass durch den Einbau in den massiven Profilstahlrahmen unter definierter Vorspannung unzulässige Schubkräfte auf die Pumpenstutzen und das Pumpengehäuse sicher vermieden werden.

Alle Anlagen von CAW werden den projektspezifischen Anforderungen der Kunden entsprechend ausgeführt und weltweit überall dort eingesetzt, wo industrielle Wärmeverbraucher eine betriebssichere Hochtemperaturversorgung benötigen. „Die von uns hergestellten Anlagen und Komponenten sind grundsätzlich maßgeschneiderte Lösungen, die gemäß höchsten Ansprüchen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Effizienz und Emissionen geplant und ausgeführt werden“, so Schirmer. Diese Voraussetzungen müssen auch zugelieferte Komponenten wie die NIKKISO-Pumpen erfüllen. „Wir legen sehr viel Wert darauf, mit maximaler Flexibilität auf Anforderungen von OEMs reagieren zu können“, erklärt Schroll. „Entscheidende Faktoren sind neben der präzisen Erfüllung der Vorgaben der Anlagenbetreiber in Bezug auf die Anwendung der Pumpen und einem guten Preis-Leistungsverhältnis unter anderem auch eine umfassende, selbsterklärende Dokumentation sowie ein besonders kundenfreundlicher Inspektions- und Testumfang.“

Für die Anwendung in der Raffinerie wurde eigens die Ausführung HT mit externer Kühlflüssigkeit ausgewählt, die speziell für heiße Flüssigkeiten konzipiert wurde.

Die Non-Seal Pumpen verfügen über einen speziellen Aufbau mit doppelter Sicherheitshülle, der ein Austreten des Fördermediums an die Atmosphäre verhindert.

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