Podnieść niezawodność instalacji chemicznej – modernizacja pomp

W stosunku do instalacji przemysłu chemicznego i petrochemicznego, stawiane są wysokie wymagania dotyczące ich niezawodności i energochłonności urządzeń w nich zabudowanych. Zdarza się jednak, że już na etapie projektu, a później wykonania, zostają popełnione błędy skutkujące złym funkcjonowaniem całej instalacji i niedotrzymywaniem parametrów technologicznych wymaganych przez Inwestora. W ślad za tym idą duże straty ekonomiczne. Jak wybrnąć z takiej sytuacji? Jak zapewnić poprawną pracę instalacji?

Nie ma lepszych przykładów do nauki niż sytuacje z życia wzięte. W artykule przedstawiono działania prowadzone w celu zapewnienia poprawnej pracy instalacji saletry w Węźle Reakcyjnym (rys. 1). Dotychczasowa praca instalacji charakteryzowała się nadmiernym poziomem drgań zbiornika startowego, rurociągów oraz konstrukcji nośnej. Skutkiem występowania wysokiego poziomu drgań był brak możliwości pracy instalacji z pełną wydajnością (pełnym zakresem obrotów pomp) oraz obniżona trwałość kompensatorów zamontowanych na rurociągach. Celem przeprowadzonych prac była modernizacja pomp P-1N/1-2 oraz zmiana podparcia zbiorników startowych, w których są one zabudowane, w celu wyeliminowania nadmiernych drgań.

Przedmiot i zakres prac

Osiowe pompy P-1N o wale pionowym przeznaczone są do transportu saletry w układzie reaktora R-1N. Na Rys.1 pompy P-1N oznaczono symbolami P-1N/1 i P-1N/2, podane zostały również parametry pracy układu, definicje oznaczeń wybranych elementów układu oraz kierunki przepływu mediów.

↓ Kliknij w rys., aby powiększyć ↓

Rys.1 Schemat układu reaktora R-1N (Węzeł Reakcyjny).

Rys.1 Schemat układu reaktora R-1N (Węzeł Reakcyjny).

 

Poniżej zestawiono parametry przepływowe pomp P-1N i właściwości saletry:

  • przepływ obliczeniowy: 2800 m3/h,
  • przepływ minimalny: 2400 m3/h,
  • przepływ maksymalny: 3000 m3/h,
  • wysokość podnoszenia: 4,5 m,
  • temperatura pracy: 360°C,
  • gęstość: 1795 kg/m3,
  • max. temperatura pracy: 420°C.

Pompy napędzane były silnikiem elektrycznym:

  • moc: 110kW,
  • obroty: 740 obr/min.

Zmiana obrotów pomp miała się odbywać przy użyciu przemiennika częstotliwości w zakresie od 700 do 900 obr/min, jednak przed wykonaną modernizacją pompy mogły pracować do około 600 obr/min ze względu na wysoki poziom drgań występujących na instalacji. Przed modernizacją pompy P-1N/1 i P-1N/2 musiały realizować przepływ saletry w kierunku z góry na dół (zgodnie z czerwonymi wektorami na Rys. 1) i z dołu do góry. Wymuszenie przepływu przez pompy z dołu do góry spowodowane było koniecznością podgrzania saletry do temperatury wymaganej przez technologię. Po osiągnięciu wymaganej przez technologię temperatury saletry następowała zmiana kierunku przepływu podgrzanej saletry poprzez zmianę kierunku obrotów pompy. Pompy przed modernizacją przy przepływie z dołu do góry i zmianie kierunku obrotów generowały drgania, będące źródłem rezonansu z innymi elementami instalacji i stanowiły zagrożenie dla instalacji oraz osób ją obsługujących. Celem modernizacji pomp P-1N/1 i P-1N/2 było zmniejszenie drgań pompy, mających wpływ na stan dynamiczny całej instalacji.

Zakres modernizacji obejmował:

  • projekt i wykonanie nowych wirników,
  • projekt i wykonanie nowych elementów nieruchomych układu przepływowego,
  • skrócenie wałów pomp i części rurowej pomiędzy korpusami łożyskowymi.

Analiza stanu dynamicznego Węzła Reakcyjnego

Pomiary pomp na stanowiskach pracy wykonano dla prawych (przepływ z dołu do góry) i lewych (przepływ z góry na dół) obrotów pompy przy prędkości obrotowej równej jedynie około 650 obr/min (f0=10,67 Hz) ze względu na występowanie rezonansu z elementami instalacji – obroty nominalne wynosiły 740 obr/min. Miejsca rozmieszczenia czujników pomiarowych zostały pokazane na Rys. 2.

Rys. 2 Miejsca rozmieszczenia czujników pomiarowych.

Rys. 2 Miejsca rozmieszczenia czujników pomiarowych.

Zgodnie z normą ISO 10816-3 dla tego typu urządzeń przyjęto następujące kryteria oceny stanu pracy maszyn ze względu na występujące drgania:

  • stan bardzo dobry dla wartości drgań powyżej 0 do 2,8 mm/s,
  • stan dobry dla wartości drgań powyżej 2,8 do 4,5 mm/s,
  • stan dopuszczalny dla wartości drgań powyżej 4,5 do 7,1 mm/s,
  • stan niedopuszczalny dla wartości drgań powyżej 7,1 mm/s.

Na wykresach (rys. 3 i rys. 4) granice tych stanów zostały oznaczone odpowiednio kolorami zielonym, żółtym i czerwonym.

 

Rys. 3 Wykres pomiarów sum prędkości drgań dla pompy P-1N/1.

Rys. 3 Wykres pomiarów sum prędkości drgań dla pompy P-1N/1.

Rys. 4 Wykres pomiarów sum prędkości drgań dla pompy P-1N/2.

Rys. 4 Wykres pomiarów sum prędkości drgań dla pompy P-1N/2.

Z badań wynikało, że pompa pierwsza (P-1N/1), dla obrotów lewych mieściła się w klasie stanu bardzo dobry, natomiast dla prawych w klasie stanu dobry, a co za tym idzie była ona dopuszczona do ruchu bez ograniczeń. Pompa (P-1N/2), dla obrotów lewych mieściła się w klasie stanu dobry, zaś przy prawych obrotach, dla łożyska tocznego dolnego wartości sumy drgań przekraczały wartość 4,5 mm/s, a co za tym idzie jej stan zakwalifikowano, jako dopuszczalny. Według normy ISO 10816-3 oznaczało to, iż dla tego kierunku obrotów, może ona być czasowo dopuszczona do ruchu jednak w najbliższym czasie należy podjąć działania mające na celu poprawę jej stanu dynamicznego. Dla pełnego obrazu sytuacji należy dodać, iż na pompach P-1N/1 i P-1N/2, nie były mierzone drgania na łożysku ślizgowym, znajdującym się najbliżej wirnika pompy. Łożysko to znajduje się w obszarze pompy, która jest zanurzona w zbiorniku E-2N, dlatego pomiar na nim jest niemożliwy, a dopiero on pozwoliłyby na pełną analizę i ocenę stanu dynamicznego pompy. Analizując widma prędkości drgań (zmierzone na łożysku tocznym obydwu pomp) dla prawych obrotów, zarówno w pompie P-1N/1 jak i w pompie P-1N/2 stwierdzono, że przyjmują one wartości maksymalne dla częstotliwości około 42,7 Hz. Częstotliwość ta odpowiada czwartej krotności częstości f0 i jest ona równa częstotliwości łopatkowej wirnika.

  • f0 = 10,67Hz
  • 4*f0 = 42,68Hz
  • z = 4 – liczba łopatek pompy

Na tej podstawie można stwierdzić, iż główną przyczyną drgań pompy są zaburzenia przepływu. Analiza wyników pomiarów drgań, konstrukcji urządzenia oraz procesu technologicznego stanowiła podstawę do następujących stwierdzeń dotyczących stanu dynamicznego pomp:

  • Drgania elementów były spowodowane siłami wymuszającymi działającymi w trakcie realizacji procesu technologicznego. W pomierzonych przebiegach drgań dominowały składowe o częstościach 10,67Hz, 21,33Hz i 42,50Hz, odpowiadające prędkości roboczej pompy i jej wielokrotnościom,
  • Siły wymuszające drgania to siły hydrodynamiczne wynikające z realizacji procesu technologicznego, siły pochodzące od resztkowego niewyważenia wirnika pompy i składowa siły ciężkości występująca w czasie drgań z uwagi na mocowanie zbiornika znacznie poniżej środka masy urządzenia.

Rozwiązaniem problemu drganiowego instalacji było:

  • ograniczenie sił wymuszających drgania (zaburzeń przepływu w pompach),
  • zmiana sposobu mocowania zbiornika do konstrukcji nośnej ze sztywnego na podatny przy zastosowaniu wibroizolatorów.

Zarówno zmiana konstrukcji pompy, jak i wibroizolacja układu były konieczne do uzyskania istotnego zmniejszenia poziomu drgań urządzenia jak i sił obciążających elementy pompy.

Analiza układu hydraulicznego pompy

Podstawą oceny układu hydraulicznego pompy była kinematyka przepływu czynnika przez kanały elementów ruchomych (wirnika) i nieruchomych (kierownic wlotowej i wylotowej). Obliczenia przeprowadzono dla nominalnej prędkości obrotowej równej 740 obr/min. Parametrami oceny były trójkąty prędkości czynnika w przekrojach wlotowych i wylotowych poszczególnych elementów układu hydraulicznego. W oparciu o przeprowadzoną analizę stwierdzono, że podczas tłoczenia czynnika z góry na dół pompy, napływa on ze zbyt dużym kątem natarcia na łopatki kierownicy wylotowej. Gdy przepływ odbywa się w odwrotnym kierunku zaobserwowano, że czynnik napływa ze zbyt dużym kątem natarcia zarówno na łopatki kierownicy wylotowej jak i wirnika. Zauważono również, iż dla obydwu kierunków przepływu kąty natarcia rosną wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Zbyt duże kąty natarcia czynnika na łopatki kierownic powodowały zaburzenia przepływu w komorach hydraulicznych pompy i były głównym źródłem drgań.

Ocena wykonania elementów pompy

Porównując rysunek wirnika (Rys. 5) z wirnikiem wykonanym na jego podstawie (Fot. 1), widać wyraźne różnice w geometrii łopatek. Niedokładność wykonania łopatek wirnika oraz mała ich powtarzalność spowodowały konieczność zastosowania dużej ilości obciążników o znacznej grubości podczas jego wyważania (Fot. 2). Obciążniki te znaczne zmieniły kształt profilu łopatek oraz spowodowały ich zróżnicowanie, a co za tym idzie stały się dodatkowym źródłem drgań wynikających z niejednorodności przepływu przez układ łopatkowy. Ponadto na fotografiach 2 i 3 widać, że obciążniki mają powierzchnie boczne, ustawione prostopadle do kierunku napływu czynnika, które są źródłem zaburzeń przepływu. Na podstawie oględzin pompy stwierdzono, widoczną gołym okiem niewspółosiowość w ustawieniu elementów wirujących i nieruchomych pompy.

Rys. 5 Rysunek wirnika z oryginalnego projektu.

Rys. 5 Rysunek wirnika z oryginalnego projektu.

Fot. 1 Zdjęcia rzeczywistego wirnika.

Fot. 1 Zdjęcia rzeczywistego wirnika.

Fot. 2 Widok płytek użytych podczas wyważania wirnika.

Fot. 2 Widok płytek użytych podczas wyważania wirnika.

Fot. 3 Powierzchnie boczne obciążników ustawione prostopadle  do kierunku napływu czynnika.

Fot. 3 Powierzchnie boczne obciążników ustawione prostopadle
do kierunku napływu czynnika.

Elementy modernizowane

Zaprojektowane i wykonane nowe elementy układu przepływowego pompy pokazane zostały na kolejnych fotografiach.

Fot. 4. Wirnik z łopatami wykonanymi za pomocą obrabiarki CNC.

Fot. 4 Wirnik z łopatami wykonanymi za pomocą obrabiarki CNC.

Fot. 5. Kierownica dolna i górna.

Fot. 5 Kierownica dolna i górna.

Fot. 6. Elementy nieruchome układu przepływowego pompy.

Fot. 6 Elementy nieruchome układu przepływowego pompy.

W celu odstrojenia konstrukcji instalacji od rezonansu, zaproponowano zmianę sposobu mocowania zbiornika do konstrukcji ze sztywnego na podatny oraz skrócono wał, wraz z częścią rurową między korpusami łożyskowymi (podstawa dolna – fot. 6), pomp P1-N. Zastosowanie odpowiednich wibroizolatorów spowodowało zmianę charakteru dynamicznego układu z podrezonansowego na nadrezonansowy, ponieważ częstości własne układu są znacznie niższe od częstości wymuszających. Dało to efekt, wraz ze skróceniem wału, co najmniej kilkukrotnego zmniejszenia drgań zbiornika i sił przenoszonych na konstrukcję podpierającą. Nie ma natomiast wpływu na siły wymuszające działające wewnątrz układu. W celu doboru odpowiednich wibroizolatorów przeprowadzono analizę drgań układu zbiornik – podatne podparcie. Zmiana charakteru podparcia na podatne polegała na zamocowaniu zbiornika do konstrukcji podpierającej poprzez wibroizolatory w miejscach, gdzie był on mocowany do konstrukcji na sztywno.

Rys. 6 Widok układu zbiornika startowego z wkładem pompowym z zaznaczonymi miejscami zamocowania wibroizolatorów typu M i SAW (kolor brązowy).

Rys. 6 Widok układu zbiornika startowego z wkładem pompowym z zaznaczonymi miejscami zamocowania wibroizolatorów typu M i SAW (kolor brązowy).

Zmiany zaplanowano tak, aby były do wykonania bez ingerencji w rurociągi jak i w pozostałe urządzenia Węzła Reakcyjnego.

Efekty modernizacji pomp P-1N:

  • zaprojektowanie nowego wirnika, którego łopaty wykonane zostały za pomocą obrabiarki CNC, a także elementów nieruchomych układu przepływowego – dwóch kierownic wlotowej i wylotowej,
  • zwiększenie niezawodności całej instalacji saletry poprzez zmniejszenie drgań zbiornika i sił przenoszonych na konstrukcję podpierającą ze względu na zastosowanie odpowiednich wibroizolatorów zmieniających charakter układu dynamicznego z podrezonansowego na nadrezonansowy i skrócenie wałów pomp P1-N, a więc pośrednio także zwiększenie trwałości kompensatorów zamontowanych na rurociągach,
  • zmodernizowane pompy realizują wymagane parametry pracy, dodatkowo zwiększono zakres sterowania ich obrotami do wymaganych technologicznie, a co z tym związane zwiększono uzyskiwaną wydajność w układzie Reaktora R-1N.

Autorzy:

  • Andrzej Błaszczyk, Adam Papierski – Instytut Maszyn Przepływowych, Politechnika Łódzka
  • Mariusz Nawrocki – Politechnika Łódzka, studia doktoranckie: Budowa i Eksploatacja Maszyn

Fot., rys.: zasoby autorów

Więcej art. nt. pomp w dziale: Pompy i armatura