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Jun 14, 2023

Kostenüberlegungen bei der Auswahl von Dichtungslösungen für Kesselspeisepumpen

Jede Pumpenanwendung, unabhängig davon, wie häufig sie eingesetzt wird, weist einzigartige Herausforderungen bei der Dichtungslösung auf. Für die Dichtungslösung für eine bestimmte Pumpenanwendung gibt es selten eine allgemein akzeptierte Lösung

Jede Pumpenanwendung, unabhängig davon, wie häufig sie eingesetzt wird, weist einzigartige Herausforderungen bei der Dichtungslösung auf. Für die Dichtungslösung für eine bestimmte Pumpenanwendung gibt es selten eine allgemein akzeptierte Lösung und höchstwahrscheinlich mehrere Lösungen, die eine ähnliche Betriebszuverlässigkeit bieten. Bei der Entscheidung, welche Dichtungslösung für eine Anwendung am besten geeignet ist, müssen individuelle Standortrichtlinien, behördliche Anforderungen, Betreiberpräferenzen oder verfügbare Anlagenressourcen berücksichtigt werden.

Die Auswahl einer Gleitringdichtung für Pumpenanwendungen wird in erster Linie von den Anwendungsbedingungen bestimmt, die typischerweise durch das Gerätedesign, die Betriebsgeschwindigkeit, die Prozessflüssigkeit, den Prozessdruck und die Temperatur definiert werden. Bei der Auswahl einer Dichtungslösung müssen Betreiber auch die verfügbaren Ressourcen der Anlage, Sicherheitsbedenken, Betriebszuverlässigkeit und Lebenszyklus-Betriebskosten berücksichtigen, um die beste Lösung für ihre Anwendung zu ermitteln. Kesselspeisepumpen in Kraftwerken zur Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen sind eine hervorragende Beispielanwendung, um zu überprüfen, was bei der Auswahl einer Dichtungslösung eine Rolle spielt.

Kesselspeisepumpen fördern heißes Wasser (100 °C bis 200 °C/200 °F bis 400 °F) bei moderaten Drücken (20 bis 48 bar/300 bis 700 Pfund pro Quadratzoll [psi]). Die Prozessbedingungen der Anwendung ermöglichen mehrere Dichtungslösungen, wobei jede Lösung jahrelangen zuverlässigen Betrieb bieten kann. Der Betriebsdruck der Pumpe an der Stelle der Gleitringdichtung macht den Einsatz von Metallbalg-Gleitringdichtungen normalerweise unmöglich, und die Prozesstemperatur des Kesselspeisewassers in der Dichtungskammer der Pumpe liegt nahe den Grenzwerten für sekundäre O-Ring-Dichtungselemente aus Elastomer, die in Schiebern verwendet werden. federunterstützte) Gleitringdichtungen.

Eine Einzelschieber-Gleitringdichtung ist die typische Dichtungslösung für Anwendungen in Kesselspeisepumpen. Sie erfordern jedoch ein Dichtungsunterstützungssystem, um die Bedingungen in der Dichtungskammer der Pumpe zu ändern und eine günstigere Umgebung für die Gleitringdichtung zu schaffen. Dichtungsunterstützungssysteme oder Rohrleitungspläne für Kesselspeisepumpenanwendungen sollen die Temperatur in der Dichtungskammer senken, um sicherzustellen, dass die Elastomer-O-Ringe der Gleitringdichtung zuverlässig funktionieren und die Wasserprozessflüssigkeit für eine ausreichende Schmierung der Dichtungsfläche sorgen kann. Um die Temperatur in der Dichtungskammer der Pumpe zu senken, wird entweder eine kühle externe Flüssigkeit in die Dichtungskammer eingespritzt oder die Prozessflüssigkeit in der Dichtungskammer muss direkt gekühlt werden.

Das Kühlen der Dichtungskammer durch Einspritzen einer externen Flüssigkeit in die Dichtungskammer wird als Rohrleitungsplan Plan 32 des American Petroleum Institute (API) beschrieben. Damit eine Plan-32-Spülung ordnungsgemäß funktioniert, muss die eingespritzte Flüssigkeit mit der Prozessflüssigkeit kompatibel sein, einen Druck haben, der über dem Prozessdruck liegt, und eine für die Kühlung ausreichende Temperatur aufweisen. Darüber hinaus ist eine Drosselvorrichtung, typischerweise eine Buchse im Hals der Dichtungskammer, erforderlich, um den Gegendruck in der Dichtungskammer aufrechtzuerhalten und den Fluss der eingespritzten Flüssigkeit aus der Dichtungskammer zu steuern. Um sicherzustellen, dass die Kühlung nicht unterbrochen wird, muss die Plan 32-Spülung aus einer leicht verfügbaren Quelle erfolgen, vorzugsweise einem sauberen, nachgeschalteten Prozess innerhalb der Anlage.

Eine andere Methode zum Kühlen der Dichtungskammer besteht darin, einen Prozessflüssigkeitsstrom von der Hochdruckseite der Pumpe, typischerweise vom Pumpenauslass, durch einen Dichtungskühler (typischerweise einen wassergekühlten Rohrbündelwärmetauscher) zu leiten, bevor er eingespritzt wird in die Dichtungskammer. Dieses Dichtungsunterstützungssystem wird als API Plan 21-Rohrleitungsplan bezeichnet und nutzt die Druckdifferenz zwischen dem Pumpenauslass und der Dichtungskammer, um einen Durchfluss durch den Rohrleitungsplan zu erzeugen. Wie der Plan 32 verwendet auch der Plan 21 eine Drosselvorrichtung im Hals der Dichtungskammer, um die Dichtungskammer von der Prozessflüssigkeit zu isolieren und die aus der Dichtungskammer austretende Spülströmungsrate zu steuern. Der Plan 21-Dichtungskühler benötigt einen kontinuierlichen Fluss sauberer Kühlflüssigkeit, um der Prozessflüssigkeit Wärme zu entziehen, bevor sie in die Dichtungskammer eingespritzt wird.

Die Kühlung der Dichtungskammer kann auch mit einem API-Plan 23 erreicht werden, bei dem Prozessflüssigkeit zwischen der Dichtungskammer und einem Dichtungskühler umgewälzt wird. Eine Pumpvorrichtung innerhalb der Dichtung ist erforderlich, um einen Fluss durch den Plan 23-Kreislauf zu erzeugen, und wie der Plan 21 erfordert der Dichtungskühler einen kontinuierlichen Fluss von Kühlflüssigkeit, um der Prozessflüssigkeit Wärme zu entziehen. In einem Plan 23 gibt es keinen Druckunterschied zwischen der Dichtungskammer und dem Prozess, um einen Durchfluss zu erzeugen, aber eine Isolationsvorrichtung wird im Hals der Dichtungskammer verwendet, um den Prozessflüssigkeitsaustausch zwischen dem heißen Prozess in der Pumpe und der kühleren Prozessflüssigkeit zu minimieren in der Dichtungskammer.

Da jeder Rohrleitungsplan unterschiedliche Betriebsanforderungen hat, ist es wichtig zu prüfen, wie sich jeder Plan auf das Pumpsystem und die damit verbundenen Betriebskosten auswirkt. Kurzfristige Kosten lassen sich oft leicht an den Kosten für die Umsetzung des Rohrleitungsplans erkennen und umfassen beispielsweise die Kosten für den Kauf des Dichtungskühlers, der Halsdurchführungen, der Modifikationen der Gleitringdichtung und des Arbeitsaufwands für die Installation. Langfristige Kosten sind nicht immer leicht zu erkennen, da es sich dabei typischerweise um den Energiebedarf handelt. In Kesselsystemen wird viel Strom verbraucht, um das Prozesswasser auf Betriebstemperatur zu halten. Bei der Wärmespeicherung handelt es sich um langfristige Betriebskosten, die sich auf die Energie beziehen, die zur Überwindung der Wärmeverluste des Systems und zur Aufrechterhaltung seiner Betriebstemperatur verbraucht wird.

Der Plan 21 in der beispielhaften Kesselspeisepumpenanwendung sieht einen kontinuierlichen Warmwasserstrom vor, der aus dem Auslass der Pumpe entnommen, in einem Dichtungskühler gekühlt und dann wieder in den Prozess eingespritzt wird. Das für den Betrieb des Rohrleitungsplans erforderliche Kühlwasser ist ein direkter langfristiger Betriebskostenfaktor. Die versteckten Betriebskosten sind die Wärmeaufnahme durch die gekühlte Spülung, die in den Prozess eingespeist wird. Die Analyse eines Plan 21 (und aller anderen überprüften Rohrleitungspläne) im Life Cycle Cost (LCC)-Schätzer der Fluid Sealing Association berechnet die jährlichen (direkten) Kühlwasserkosten auf 800 US-Dollar, während die jährlichen Gesamtkosten für den Betrieb des Plan 21 24.640 US-Dollar betragen . Die jährlichen Gesamtkosten entfallen auf die 86,3 Kilowatt (kW) Leistung, die zur Überwindung der Wärmeverluste erforderlich sind.

Ein Plan 23 zirkuliert Prozesswasser in einem Kreislauf zwischen dem Dichtungskühler und der Dichtungskammer. Bei Verwendung des gleichen Dichtungskühlers und der gleichen Kühlwasserdurchflussrate wie bei Plan 21 belaufen sich die jährlichen Kühlwasserkosten für Plan 23 auf 800 US-Dollar. Da jedoch nur eine minimale Vermischung von heißem Prozesswasser in der Dichtungskammer stattfindet, ist der Wärmeaufnahmeleistungsbedarf deutlich geringer als bei der Wärmeaufnahme von Plan 21 – 4,4 kW gegenüber 86,3 kW. Diese geringe Hitzeeinwirkung reduziert die jährlichen Gesamtkosten für den Betrieb des Plan 23 auf 2.170 US-Dollar, was einer Reduzierung der Betriebskosten des Plan 21 um 91 % entspricht.

Die Einspritzung der externen Kühlwasserspülung Plan 32 in die Dichtungskammer derselben Kesselspeisepumpenanwendung verursacht mit 537 US-Dollar die niedrigsten direkten Kosten für den Kühlwasserverbrauch. Diese Kosten sind geringer, da die Kühlwasserspülung direkt in die Dichtungskammer eingespritzt wird und eine geringere Durchflussrate erfordert, um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, als das Kühlwasser, das sowohl in Plan 21 als auch in Plan 23 durch den Dichtungskühler fließt. Die direkte Einspritzung von Kühlwasser In die Dichtungskammer ist eine Leistung von 42 kW erforderlich, um die Hitzeeinwirkung auszugleichen, was jährliche Gesamtkosten von 12.213 US-Dollar verursacht. Diese Betriebskosten sind halb so hoch wie bei Plan 21, aber mehr als fünfmal so hoch wie bei Plan 23. Bei diesen Kostenberechnungen wird davon ausgegangen, dass die Spülquelle von Plan 32 einen ausreichenden Druck über dem Prozessdruck aufweist.

Ein Vergleich der im LCC Estimator der Fluid Sealing Association berechneten jährlichen Gesamtkosten der drei Dichtungsspülpläne (Tabelle 1) zeigt, dass Plan 23 der kostengünstigste Spülplan ist, da er thermisch am effizientesten ist und die geringste Wärmeaufnahme aufweist. Der Plan 23 weist physikalische Einschränkungen auf, und einige Pumpen verfügen nicht über den axialen oder radialen Raum, um die erforderliche Dichtungskammer-Halsbuchse und Pumpvorrichtung unterzubringen, die für einen effektiven Betrieb dieses Spülplans erforderlich sind.

Der Plan 21 ist der thermisch am wenigsten effiziente Spülplan und damit auch der teuerste im Betrieb, erfordert aber nur eine Dichtungskammer-Halsbuchse und erfordert keine Durchflussmodifikatoren an der Gleitringdichtung. Dies macht den Plan 21 zu einer Option für Pumpen, bei denen ein Plan 23 möglicherweise nicht passt. Der in diesem Beispiel analysierte Plan 32 ist der Spülplan mit den mittleren Betriebskosten und erfordert wie Plan 21 nur eine Buchse im Hals der Dichtungskammer, sodass er in die meisten Pumpen passt. Beachten Sie, dass bei den Berechnungen nach Plan 32 davon ausgegangen wird, dass die externe Spülversorgung einen ausreichenden Druck hat, sodass keine zusätzlichen Kosten für den Betrieb einer Pumpe zur Erhöhung des Versorgungsdrucks nach Plan 32 anfallen.

Wenn Sie mit einem Dichtungshersteller zusammenarbeiten, um die beste Dichtungslösung für eine Anwendung auszuwählen, ist es am besten, nicht nur die normalen Betriebsbedingungen der Anwendung zu prüfen, sondern auch relevante Anwendungsbedingungen, etwaige lokale Anlagenrichtlinien, behördliche Emissionsanforderungen und die verfügbaren Anlagenressourcen einzubeziehen Wird für verschiedene Rohrleitungspläne zur Dichtungsunterstützung benötigt. Die Kenntnis aller verfügbaren Ressourcen zur Unterstützung der Dichtungslösung ermöglicht eine bessere Prüfung der möglichen Lösungen, was zu einer effizienten Dichtungslösung führt, die während ihrer gesamten Lebensdauer zuverlässig funktioniert.

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Glenn Owens Jr. ist Ingenieurspezialist bei Flowserve und verantwortlich für die Anwendung und Entwicklung von Gleitringdichtungen für Pumpen und andere rotierende Geräte. Er ist seit über 15 Jahren in verschiedenen technischen Funktionen bei Flowserve tätig und verfügt über einen Bachelor of Science in Ingenieurwissenschaften der Western Michigan University.