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Moderne Umkehrosmose-Entsalzungsanlagen arbeiten mit einer hohen Grundlastkapazität und daher verdienen die mechanische Zuverlässigkeit und Effizienz von Hochdruck-Membranförderpumpen eine gründliche Betrachtung. Produktionsverluste aufgrund mechanischer Ausfälle oder höherer Energieverbrauch aufgrund geringerer hydraulischer Effizienz können erhebliche Faktoren für die Betriebskosten der Anlage sein. Miguel Angel Rivas, Produktportfoliomanager für Sulzer Pumps, erläutert die verfügbaren Optionen.

In den frühen Phasen des Aschkelon-Projekts verpflichtete sich Sulzer Pumps zur Entwicklung einer Pumpenreihe, die auf Kostenoptimierung ausgelegt war und sich für Hochdruck-Einspeisung in Meerwasser-Umkehrosmose-Anwendungen (SWRO) für mittlere und große Anlagen eignete. Sulzer Pumps Engineering untersuchte sowohl die Anwendung selbst als auch die zukünftigen Markttrends. Der Ansatz bestand darin, eine Reihe von Pumpen zu bauen, die die folgenden Hauptmerkmale erfüllen:

• Kann kalte Flüssigkeiten (Meerwasser) in einem Bereich von Zulaufströmen zwischen 600 und 3.000 m3/h verarbeiten

• Differenzhöhen zwischen 550 und 740 m

• Leistungsaufnahme zwischen 1.000 und 6.000 kW

• Auslegungsdruck von ca. 100 bar

• Hocheffizient und mit praxiserprobter mechanischer Zuverlässigkeit

Die Entwurfsarbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit einigen der renommiertesten Ingenieurunternehmen im Bereich SWRO-Anlagenbau durchgeführt. Diese neuen Entwicklungen trugen zur Entwicklung von Anlagendesigns und zur Verbesserung der Effizienz, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Hochdruck-Speisepumpen bei.

Möglicherweise gibt es zwei Konstruktionskonzepte, die auf die mehrstufigen Pumpen anwendbar sind, die für Hochdruckzufuhraufgaben in SWRO-Anwendungen verwendet werden. Erstens die axial geteilte Gehäusekonstruktion vom Spiraltyp mit einer einzelnen Druckgrenze und zweitens die segmentierte Ringgehäusekonstruktion vom Diffusortyp mit einer mehrfachen Druckgrenze. In der ersten Entwicklungsphase wurden beide Designs in Betracht gezogen, um die mehrstufigen Pumpen zu entwickeln, die für die oben genannten Betriebsbedingungen in Hochdruckversorgungsdiensten erforderlich sind. Schließlich wurde beschlossen, die technischen Anstrengungen auf die axial geteilte Spiralkonstruktion zu konzentrieren, da diese die am besten geeignete Lösung darstellte.

In einem zweiten Schritt wurde die aktuelle Produktreihe der Segmentringgehäusepumpen mit Diffusor auf Förderströme bis 900 m3/h erweitert, um eine vorgefertigte Alternative für mittelgroße Anlagen bereitzustellen.

Basierend auf der MSD-Reihe von Sulzer, die für die Öl-, Gas- und Kohlenwasserstoffverarbeitungsindustrie eingesetzt wird, wurde die Neukonstruktion des MSD für die Umkehrosmose unter Verwendung der folgenden Prinzipien durchgeführt: axial geteiltes Gehäuse mit gegenüberliegenden Laufrädern, Doppelspirale, mittig montiert und robuste Zwischenlagerkonstruktion.

• Axial geteilt für eine einzelne Druckgrenze, in der Mitte gestützt, robustes Gehäuse mit der Fähigkeit, Kräfte und Momente aus den an den Düsen angebrachten Rohrleitungen (gemäß API 610) zu absorbieren und diese ordnungsgemäß auf das Fundament zu übertragen, außerdem ist es leicht zu warten einfacher Zugang zu rotierenden Teilen

• Gegenläufige Laufräder für axialen hydraulischen Ausgleich des Rotors und zentrale Ausgleichsbuchse für dynamische Stabilität des Rotors und hohe Dämpfung kritischer Drehzahlen, selbst wenn die Teile verschlissen sind

• Doppelte Spirale für radiales Gleichgewicht des Rotors, was sowohl einen hohen als auch dauerhaften Wirkungsgrad bietet

• Robuste Zwischenlagerkonstruktion, um zu verhindern, dass der Rotor während des Anlaufvorgangs oder aufgrund von Strömungstransienten mit den stationären Verschleißteilen in Kontakt kommt.

Ergänzend zu diesen zuvor beschriebenen Hauptkonstruktionsmerkmalen wurden die neuesten hydraulischen Entwicklungen von Sulzer Pumps an den MSD angepasst:

• Optimierte spezifische Drehzahl (nq): nq = 34 für optimale Effizienz bei den meisten Pumpengrößen; Andere NQ-Hydraulikarten sind ebenfalls möglich

• Strömungsteiler im Laufradeinlass, um eine interne Strömungsrezirkulation zu vermeiden und einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten, selbst bei beschnittenen Durchmessern

• Glatte, breite Hydraulikkanäle: Großzügig dimensionierte Zwischenstufenübergänge, speziell entwickelt, um Hydraulikverluste zu minimieren

• Die erste Stufe mit doppelter Ansaugung ist bei den größeren Größen (12 Zoll und 14 Zoll) Standard und bei allen anderen (8 Zoll und 10 Zoll) optional; Dies ist in einigen 60-Hz-Ländern eine erforderliche Voraussetzung. Für niedrige Druckpulsationen und Pumpenvibrationen sind versetzte Flügel vorgesehen

• Der Abstand zwischen Laufradauslass und Spirallippe wurde optimiert, um Druckpulsationen und Pumpenvibrationen zu reduzieren

• Langanhaltende Effizienz über die gesamte Lebensdauer der Pumpe wird hauptsächlich durch hydraulische Verbesserungen erreicht, nicht durch bloßes Verkleinern der Spiele

• Garantierte Laufradlebensdauer von 40.000 Stunden bei angemessener Abdeckung der NPSHa/NPSHr-Marge von 3 %

• Das mechanische Design war sehr wichtig und es wurden viele Verbesserungen eingeführt, die es uns ermöglichten, unsere angestrebte Optimierung zu erreichen. Pumpengehäuse und Laufräder wurden aus Super-Duplex-Stahl gegossen, da es sich um einen ASTM A 890 GR 1C-Standard (3843) handelt.

Für die kleineren Größen 8 Zoll und 10 Zoll wurden die folgenden Kriterien konfiguriert:

• Feste axiale Position des Rotors durch Hülsen-Radial- und zweireihige Kugel-Axiallager ist Standard; Kippsegment-Axiallager sind optional. Das Lager ermöglicht die Temperatur- und Vibrationsüberwachung.

• Ölringschmierung ist Standard; Luftkühlung für die DE- und NDE-Lager zur Vermeidung möglicher Korrosion der Ölkühler ist verfügbar.

• Zwangsölschmierung ist eine Option.

Für die größeren Größen 12 Zoll und 14 Zoll wurde die folgende Konfiguration gewählt:

• Eine feste axiale Position des Rotors durch radiale Hülsen- und axiale Kippsegmentlager ist Standard. Das Lager ermöglicht die Temperatur- und Vibrationsüberwachung.

• Zwangsölschmierung ist Standard und der Kühler des Schmierölsystems kann entweder mit Luft oder Wasser gekühlt werden.

Zur Verkleinerung der Spaltmaße wurden stationäre Verschleißteile aus Verbundwerkstoffen gewählt. Rotierende Verschleißteile sind in die Laufräder integriert, um ein Lösen zu verhindern. Stationäre Verschleißringe dienen nur als Verschleißteile, nicht als hydrodynamische Lager. Die Pumpen sind mit geeigneten Außenlagern ausgestattet, um einen Verlust ihrer mechanischen Leistung zu verhindern, wenn Sand von den Einlassfiltern in die Pumpe eindringt. Ein einfaches, aber bewährtes vierstufiges Gegenlaufraddesign für die kleineren Größen und ein zweistufiges Gegenlaufraddesign für die größeren Größen mit verbesserter hydraulischer Leistung ist der Schlüssel für Anwendungen mit Hochdruckzufuhr. Tausende MSD-Pumpen von Sulzer haben ihr mechanisches Design und ihre Haltbarkeit in Millionen von Betriebsstunden im Feld unter Beweis gestellt.

Derzeit gibt es vier MSD-Größen für Umkehrosmoseanwendungen mit Auslassflanschen von 8 Zoll, 10 Zoll, 12 Zoll und 14 Zoll, um den Bereich der Zufuhrströme zwischen 600 und 3.000 m3/h abzudecken. Bei grundsätzlich gleichem Hydraulikprofil (nq = 34) kann die Anzahl der Stufen von vier bei den kleinsten Größen (8 Zoll und 10 Zoll) bis zu zwei bei den größten Größen (12 Zoll und 14 Zoll) variieren. Seit der Markteinführung dieser Pumpen konnten sie alle bisherigen Rekorde für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb in SWRO-Anwendungen mit HP-Zufuhr übertreffen. Sie wurden als dedizierte Pumpen sowohl für Einzel-Membran-Racks als auch für die parallele Versorgung des Druckzentrums für mehrere Membran-Racks eingesetzt. Acht der 2003 an Ashkelon SWRO gelieferten MSD-D/2-Größen 14 × 14 × 19A sind immer noch die Pumpen mit dem höchsten Durchfluss (jeweils 2.500 m3/h) und dem leistungsstärksten (5.300 kW) Antrieb weltweit HP-Feed-Anwendungen.

Sulzer Pumps ist Partner von SWRO Contractors bereits in der frühen Phase eines Projekts, um die am besten geeignete Lösung für die HP-Speiseanwendung zu entwickeln und die optimale Pumpenkonfiguration auszuwählen, um die Anzahl der in Betrieb befindlichen Pumpen bei minimalem Wartungsaufwand und bester hydraulischer Anpassung zu reduzieren den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen.