Auf die Höhe kommt es an

Bestimmung der Förderhöhe beim Auslegen von Pumpenleitungen

Anlagenbau
Chemie
Pharma
Ausrüster
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

02.09.2019 Werden Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck gefördert, ist die Zulaufhöhe zur Pumpe ein entscheidender Faktor. Wird diese falsch ausgelegt, kann es zu erheblichen Problemen und schlimmstenfalls sogar zu Produktionsverlusten in Millionenhöhe kommen.

Entscheider-Facts

  • Die Auslegung nach den Hydraulic Institute Standards 9.6.1 und 9.6.6 berücksichtigt die Beschleunigung durch die Förderhöhe derzeit nicht angemessen.
  • Besonders bei Kohlenwasserstoffen mit hohem Dampfdruck sollten die Ingenieure entsprechende Vorsichtsmaßnahmen treffen.

The panoramic view of the Propane plant in the morning

Werden Förderleitungen und Zulaufhöhe von Kreiselpumpen in Chemieanlagen falsch ausgelegt, kann das teuer werden. Bild: okinawakasawa – AdobeStock

Wer ein Pumpen- und Leitungssystem mit hohem Dampfdruck und einem langen Saugrohr konstruiert, sollte sich genau überlegen, welche Netto-Saughöhe (NPSHA) für den Betrieb benötigt wird. Und dies bedeutet mehr, als nur die Branchenstandards anzuwenden – denn es könnte sonst wie bei einer Anlage mit leichten Kohlenwasserstoffen enden: Dort wurden die Konsequenzen der Beschleunigungsverluste nicht berücksichtigt, was zu erheblichen Anlagenproblemen führte, die wiederum Einnahmeverluste in Höhe von mehreren Millionen US-Dollar pro Tag zur Folge hatten.

Industriestandard für die NPSH-Marge

Derzeit wird bei Kohlenwasserstoff-Anlagen für die Berechnung der Haltedruckhöhe (NPSHA-Bemessungsspanne) der Hydraulic Institute Standard 9.6.1 (2012) [1] als Branchenstandard angewendet. Für die Auslegung von Rohrleitungen enthält der Hydraulic Institute Standard 9.6.6 (2016) [2] eine Anleitung für die korrekte Auslegung der Ansaug- und Druckleitungen der Pumpe. Die Standards enthalten viele nützliche und umsetzbare Informationen. Sie enthalten jedoch keine ausreichenden Angaben für die Auslegung, wenn es darum geht, die Folgen einer Flüssigkeitsbeschleunigung zu berücksichtigen.

In einer Großanlage sollten beispielsweise flüchtige Kohlenwasserstoffe gefördert werden. Die Flüssigkeit wird in einem erhöhten Behälter gelagert, der bis zu drei einstufige Kreiselpumpen parallel über einen gemeinsamen Verteiler speist. Die NPSH-Bemessungsspanne (NPSHA-NPSHR) beträgt etwa 5 m. Obwohl die Auslegung den in HI 9.6.1 und 9.6.6 beschriebenen Standards voll entsprach, scheiterte die erste Auslegung und Ausführung in der Praxis. Erstens war die Saugleitung zwischen dem erhöhten Behälter und den Pumpen etwa 90 m lang und entsprach unter Berücksichtigung der Verluste durch Ventile und Rohrbögen einer Rohrlänge von etwa 200 m. Zweitens wurden die Pumpen, wie die meisten Pumpen in der Öl- und Gasindustrie, mit einem einfachen Direktstart (DOL) motorisch angetrieben. Dies bedeutet, dass kein Sanftanlauf oder Frequenz­umrichter (VFD) vorhanden war.

Beschleunigung beim Anfahren spielt eine wichtige Rolle

technology

Lange Ansaugleitungen können zum Strömungsabriss in der Saugleitung sowie zur Kavitation in der Pumpe führen. Bild: snapfoto – AdobeStock

Woran scheiterte die ursprüngliche Auslegung? Häufig wird das Einströmen in eine Kreiselpumpe als ein reibungsloses stationäres Ereignis betrachtet. Obwohl die Kavitation in einer Kreiselpumpe von Natur aus nur vorübergehend und kein stationärer Zustand ist, kann Sie im Hinblick auf die Auslegung als stationärer Zustand betrachtet werden. Während des Anlaufens muss die Flüssigkeit vom Stillstand auf den Nenndurchfluss beschleunigt werden. Das 2. Newtonsche Gesetz besagt, dass das Ausüben einer bestimmten Kraft F auf eine bestimmte Masse m deren Beschleunigung a zur Folge hat (F = m·a). Leitet man die Beschleunigung aus dem erforderlichen Nenndurchfluss ab, kann die erforderliche Kraft berechnet werden. Die Kraft muss durch den auf die Flüssigkeit einwirkenden Druck bereitgestellt werden. Das bedeutet, dass ein Teil der verfügbaren Haltedruckhöhe (NPSHA) verwendet wird, um die erforderliche Kraft zum Beschleunigen der Flüssigkeit bereitzustellen. Die Gleichung, die den Prozess veranschaulicht, ist H = L·ΔV/(g·t) [3], wobei H der erforderliche Beschleunigungsverlust in Metern ist, L die Länge der Saugleitung in Metern, ΔV die erforderliche Geschwindigkeitsänderung in Metern pro Sekunde (m/s), g die Erdbeschleunigung (9,81 m/s2) und t die Zeit in Sekunden. Verwendet man die Projektwerte bei einem einzelnen Pumpenstart, lautet die Gleichung H = 90 · 1,5 / (9,81 · 0,5) = 27,5 m.

Die Berechnung verdeutlicht, dass die enorme Länge der Zulaufleitung und die große Flüssigkeitsmenge darin den NPSHA limitieren. Die sehr schnell anlaufenden Pumpen (t = 0,5 s) bedingen einen erforderlichen Beschleunigungsverlust von 27,5 m, während die NPSHA-NPSHR im Projekt unter Berücksichtigung der Erwärmung des Mediums und der Reibungsverluste in den Saugleitungen und Armaturen nur etwa 5 m betrug. Dies bedeutete, dass die Pumpe nicht normal anlaufen konnte, ohne vollständig in Kavitation zu geraten (vollständiger Druckverlust) und ohne dass die Ansaugströmung abreißt.

Schlimmer noch, selbst wenn die Pumpe unter Beibehaltung der saugseitigen Strömung gestartet werden könnte, wäre es für die Pumpe schwierig, den ansteigenden Förderstrom zu bewältigen. Denn die Durchflussänderung müsste langsam genug erfolgen, damit die Flüssigkeit in der Saugleitung auf die neue höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden kann, ohne dass die Kavitation in der Pumpe übermäßig stark wird. Der Auslegungsfehler bedeutete für den Betreiber der über eine Mrd. USD teuren Anlage hohe Ausfallkosten.

Accel-head-centrifugal-pump-systems_article_D

Problempunkte bei der Auslegung der Zulaufhöhe von Kreiselpumpen. Bild: Circor

Am Ende wurde eine Lösung erarbeitet, bei der die Saugleitungen radikal verkürzt wurden. Zudem wurde eine relativ komplizierte Steuerlogik für das Mindestdurchfluss-Regelventil und die Hauptdurchfluss-Regelventile erarbeitet, mit der ein Fehlerzustand vermieden werden konnte. Im Hinblick auf die Anzahl der möglichen Betriebsbedingungen eine ziemliche Herausforderung. Folgende Sequenzen führte zum Erfolg:

1. Pumpe ohne Durchfluss anfahren und schnell prüfen, ob die Pumpe 100 % Drehzahl erreicht hat. Damit dies möglich ist, muss die Pumpe vor dem Start vollständig entlüftet sein.
2. Die Bypassleitung für den minimalen Durchfluss langsam über einen Zeitraum von 8 s bis zum minimalen kontinuierlichen Durchfluss der Pumpe (MCSF) öffnen.
3. Sicherstellen, dass der Mindestdurchfluss erreicht wurde.
4. Den Durchfluss in der Hauptdruckleitung langsam über einen Zeitraum von 12 s erhöhen, bis der geforderte Durchfluss erreicht ist.
5. Wenn ein höherer Durchfluss gefordert wird, muss der Durchfluss in der Hauptdruckleitung mit der gleichen Geschwindigkeit wie in Schritt 4 erhöht werden.

Die Regelparameter mussten durch umfangreiche Tests mit einer Pumpe ermittelt werden. Die Tests und Einstellungen wurden anschließend mit zwei und drei parallel laufenden Pumpen erneut vorgenommen.

Beschleunigung nicht unterschätzen

Das Beispiel verdeutlicht, dass die Hydraulic Institute Standards 9.6.1 und 9.6.6 die Beschleunigung durch die Förderhöhe derzeit nicht angemessen berücksichtigen. Und dies, obwohl die Zusammenhänge zwischen Beschleunigung und Förderhöhe aus dem Umgang mit Kolbenpumpen bekannt ist. Dort werden Flüssigkeiten ständig beschleunigt und abgebremst. Die Auslegungsrichtlinien des Hydraulic Institute Standards 6.1-6.5 (2015) [5] befassen sich mit diesen Problemen.

Wenn die Hydraulic Institute Standards 9.6.1 und 9.6.6 den Auftragnehmer vor den Folgen der Beschleunigung durch die Förderhöhe gewarnt hätten, wären die Rohrleitungen und das Steuerungssystem bereits in der Planungsphase optimiert worden, lange bevor Beton gegossen oder Stahl geschweißt wurde. Bis die Problematik Eingang in die Normen findet, sollten alle Planer, die ein Pumpsystem mit Flüssigkeiten mit hohem Dampfdruck und langen Ansaugleitungen entwerfen, entsprechende Vorsichtsmaßnahmen treffen. In der betroffenen Anlage mussten die Betreiber das Rohrleitungssystem neu auslegen und umfangreiche Änderungen an der Prozesssteuerung vornehmen. Die Verzögerungen bei der Inbetriebnahme führten zu Verlusten von rund 3 Mio. USD pro Tag.

Referenzen und Quellen:

  1. Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin (ANSI/HI 9.6.1-2017 – Secure PDF), https://estore.pumps.org/Standards/Rotodynamic/NPSHPDF.aspx, retrieved 11/1/2018.
  2. Rotodynamic Pumps for Pump Piping (ANSI/HI 9.6.6-2016 – Secure PDF), https://estore.pumps.org/Standards/Rotodynamic/PipingPDF.aspx, retrieved 11/1/2018.
  3. Acceleration Head, Terry Henshaw, Pumps and Systems, December 17, 2011, https://www.pumpsandsystems.com/topics/pumps/centrifugal-pumps/acceleration-head, retrieved 11/19/18.
  4. Stephen Shakeshaft, ein auf rotierende Geräte spezialisierter Maschinenbauingenieur, der als beratender Ingenieur bei der Inbetriebnahme der Anlage tätig war. Mehr über ihn erfahren Sie hier: https://www.linkedin.com/in/rotatingequipmentengineer/
  5. Reciprocating Pumps (ANSI/HI 6.1-6.5-2015 – Secure PDF), https://estore.pumps.org/Standards/Reciprocating/PumpsPDF.aspx, retrieved 11/1/2018.
Heftausgabe: September/2019
Simon Bradshaw, Director Engineering Pumps Americas, Circor

Über den Autor

Simon Bradshaw, Director Engineering Pumps Americas, Circor
Loader-Icon