Spaltrohrmotorpumpen zur Förderung von Flüssiggasen

Flüssiggase sind Stoffe oder Stoffgemische, deren kritische Temperatur unter 50 °C oder deren Dampfdruck bei 15 °C über 200 kPa liegt. Flüssiggase entstehen bei der Produktion von Benzin und Diesel, zum Beispiel Butan und Propan (LPG = Liquified Petroleum Gas). Andere Flüssiggase, wie etwa Ethylen, Propylen, Ammoniak, Phosgen, Chlor, Vinylchlorid und Schwefeloxid, sind Zwischenprodukte in der kohlenwasserstoffverarbeitenden Industrie (HPI = Hydrocabon Processing Industry).

Unter leichtem Überdruck von rund 800 kPa verflüssigen sich diese Gase. Das Volumen verringert sich dabei auf ein 260stel und kann auf diese Weise in größeren Mengen einfacher in Tanks eingelagert werden.

Flüssiggase sind nicht zu verwechseln mit Flüssigerdgas (LNG = Liquified Natural Gas). Erdgas wird in einer Entschwefelungsanlage von Stickstoffen, Kohlendioxid, Edelgasen und Wasser gereinigt. Erst wenn am Ende das Gemisch zu mehr als 90 % aus Methan besteht, darf es sich Erdgas nennen.
Nach der Reinigung wird es auf -162 °C heruntergekühlt. Ab dieser Temperatur verändert Methan seinen Zustand, es wird flüssig. Der Effekt: Erdgas verkleinert sich auf ein Sechshundertstel seines Volumens. So schrumpfen 600 m³ Erdgas auf 1 m³ LNG.

Viele Flüssiggase sind jedoch gefährlich: giftig, brennbar, explosibel, selbstentzündlich, chemisch instabil oder korrosiv. Sie sollten deshalb nach der TA-Luft, die nationale Umsetzung der EU-Richtlinie 96/61/EG über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung, sowie das Bundes-Immissionsschutzgesetz mit den „besten verfügbaren Techniken“ gefördert werden.

Funktionsprinzip einer Spaltrohrmotorpumpe

Spaltrohrmotorpumpen sind gekennzeichnet durch ein integrales, kompaktes Aggregat. Motor und Hydraulik sind eine Einheit, wobei der Rotor und das Laufrad auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Der Läufer wird durch zwei baugleiche, mediumgeschmierte Radiallager geführt. Der Stator des Antriebmotors wird durch ein dünnes Spaltrohr vom Rotorraum getrennt. Der Rotorraum bildet mit dem Gehäuseteil der Pumpe einen gemeinsamen Raum, der vor der Inbetriebnahme mit Fördermedium gefüllt sein muss. Die Verlustwärme des Motors wird durch einen Teilstrom zwischen Rotor und Stator abgeführt.

Da die gesamte Motorverlustwärme an das Förderfluid abgegeben wird, muss durch konstruktive Maßnahmen verhindert werden, dass das Fluid innerhalb des Aggregates verdampft. Generell ist ein Verdampfen des Fördermittels innerhalb der Pumpe dann ausgeschlossen, wenn der lokale statische Druck noch größer ist als der Dampfdruck der erwärmten Förderflüssigkeit an dieser Stelle.
Gleichzeitig schmiert dieser Teilstrom die beiden hydrodynamischen Gleitlager im Rotorraum. Neben dem Spaltrohr als hermetisch dichtes Bauteil stellt das Motorgehäuse eine zweite Sicherheitshülle dar. Dies zeichnet die Spaltrohrmotorpumpe neben der kurzen und kompakten Bauform sowie dem sehr niedrigen Geräuschspiegel gegenüber konventionellen Kreiselpumpen und Magnetkupplungspumpen aus.

Spaltrohrmotorpumpen sind deshalb im Zweifelsfall bei Flüssiggasen immer die besseren, sicherheitsrelevanten Alternativen. Je nach Förderaufgabe werden einstufige oder mehrstufige Spaltrohrmotorpumpen eingesetzt.

Einstufige Spaltrohrmotorpumpen für die Flüssiggasförderung

Für die Flüssiggasförderung wurde eine spezielle einstufige Pumpe Typ CNF entwickelt. Der Teilstrom zur Kühlung des Motors und Schmierung der Radiallager wird an der Peripherie des Laufrades abgezweigt und nach dem Durchströmen des Motors wieder auf die Druckseite zurückgeführt. Damit entfällt eine externe Rückführungsleitung für den Teilstrom in den Zulaufbehälter bzw. Abscheider.

Ein Hilfslaufrad dient zur Überwindung der auf diesem Weg anfallenden hydraulischen Verluste. Durch die Teilstromrückführung zur Druckseite hat der der größten Erwärmung entsprechende Punkt 5 im Druck-Temperatur-Diagramm genügend Abstand von der Siedelinie. Unter sonst gleichen Bedingungen können daher mit dieser Ausführung auch Flüssiggase mit extrem steiler Dampfdruckkurve gefördert werden.

Mehrstufige Spaltrohrmotorpumpen für die Flüssiggasförderung

Die mehrstufige Baureihe CAM wurden ebenfalls speziell für den Flüssiggastransport entwickelt. Außerordentlich günstige NPSH-Werte ermöglichen – je nach Pumpentyp – gute Umwälzleistungen. Die Pumpen stehen als 2- bis 14-stufige Ausführungen zu Verfügung und können für alle Flüssiggase eingesetzt werden.

Der Teilstrom zur Kühlung des Motors und zur Schmierung der Radiallager wird nach dem letzten Laufrad auf der Druckseite entnommen und durch den Motorraum geführt. Er wird durch die Hohlwelle nicht zur Saugseite der Pumpe, sondern bei mehrstufigen Pumpen zur Kühlung des Motors und zur Schmierung der radialen Lager in der Regel hinter das zweite oder dritte Laufrad zurückgeführt und trägt somit nicht zur saugseitigen Erwärmung des ersten Laufrades bei. Für die einwandfreie Funktion der Pumpe ist entscheidend, dass der wärmste Punkt 6 im Druck-Temperatur-Diagramm noch oberhalb der Dampfdruckkurve liegt.

Energieeffizienz von Spaltrohrmotorpumpen

Üblicherweise werden Spaltrohrmotorpumpen in der Praxis mit Blenden ausgerüstet. Eine Q_min-Blende sichert den erforderlichen Mindestdurchfluss zur Abfuhr der Motorverlustwärme. Die Q_max-Blende stellt sicher, dass der Mindestdifferenzdruck im Rotorraum, den man zum Stabilisieren des axialen Schubausgleiches und zum Vermeiden der Teilverdampfung benötigt, aufrecht erhalten wird. Darüber hinaus verhindert diese Blende ein Abreißen des Förderstromes, falls nur eine gewisse Mindestzulaufhöhe zur Verfügung steht. Alternativ zu Q_max-Blende kann auch ein Mengenbegrenzungsventil eingesetzt werden. Das Mengenbegrenzungsventil ist speziell für Flüssiggase entwickelt worden, um den sicheren Betrieb von Spaltrohrmotorpumpen in einem Bereich, der für Pumpen mit Q_max-Blenden normalerweise nicht möglich ist, zu ermöglichen.

Das bedeutet eine höhere Förderhöhe und eine größere Fördermenge bei gleichbleibendem Schutz gegen Kavitation und Motorüberlastung. Oftmals kann auch eine kleinere, preisgünstigere Pumpe eingesetzt werden oder mehrstufige Pumpen, die aufgrund des besseren Wirkungsgrads mit einer Stufe weniger eingesetzt werden können. Dies spart in der Regel rund 5 % des Pumpenpreises.

Neben der Kosteneinsparung durch eine energieeffizientere Pumpe hat das Mengenbegrenzungsventil auch den Vorteil einer nachhaltigen Energieeinsparung. Die Fläche zwischen den Pumpenkennlinien mit Qmax-Blende und Mengenbegrenzungsventil stellt die Energieeinsparung dar. Da die Anschaffungskosten einer Pumpe nur 5 bis 10 % der Lebenszykluskosten ausmachen, die Energiekosten jedoch bis zu 80 % betragen können, ist dies ein zusätzliches Kriterium, ein Mengenbegrenzungsventil anstelle einer Qmax-Blende einzusetzen.

Einsatz mehrstufiger Spaltrohrmotorpumpen

Mehrstufige Spaltrohrmotorpumpen kommen in der Regel zum Einsatz bei kleineren Fördermengen und großen Förderhöhen. Sie können konstruktiv als Gliederpumpen oder als sogenannte Topfpumpen (Barrel type) ausgeführt sein. Bevorzugt werden mehrstufige Spaltrohrmotorpumpen eingesetzt, wenn die erforderliche Förderhöhe bei 2.900 min^-1 nicht mehr erreicht werden kann oder wenn der Gesichtspunkt des maximalen Wirkungsgrads im Vordergrund steht.
Der Wirkungsgrad von Kreiselpumpen hängt im Wesentlichen von der spezifischen Drehzahl nq und der Fördermenge Q ab. Bei etwa nq = 40 hat der Wirkungsgrad ein Maximum, das mit wachsendem Förderstrom zunimmt. Deshalb werden auch moderne Kesselspeisepumpen für konventionelle Kraftwerke mit Leistungen bis rund 50 MW in diesem Bereich ausgelegt.
Die spezifische Drehzahl nq, eine wichtige Kennzahl der Laufradgeometrie, bezieht sich auf die Förderdaten im Punkt besten Wirkungsgrades eines Laufrades, bei mehrstufigen Kreiselpumpen auf die Förderdaten nur einer Stufe (Gleichung 1: nq = n*i ¾ Qopt ½ / Hopt ¾ min^-1).

Teilt man die erforderliche Gesamtförderhöhe Hges auf mehrere Stufen i auf, kann eine Erhöhung der spezifischen Drehzahl gegenüber einstufigen Pumpen und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden (Gleichung 2: nq = n*i ¾ * Qopt ½ / Hges ¾ (n in min^-1, Q_opt in m³/s, Hopt in m).

Am Beispiel einer hermetischen Spaltrohrmotorpumpe kann dies gezeigt werden. Es wird für folgende Förderdaten eine wirkungsgradoptimierte Pumpe gesucht: Fördermedium: Methylchlorid, Fördermenge: 25 m³/h, Förderhöhe: 110 m, Dichte: 890 kg/m³, Temperatur: 30 °C.

Zunächst wird eine einstufige Spaltrohrmotorpumpe mit einer Chemienormhydraulik (EN 22858; ISO 2858) CNF 40-315 mit 2.930 min^-1 ausgewählt. Der Gesamtleistungsbedarf beträgt laut Kennlinie 20 kW bei einem Wirkungsgrad von 33,2 % und einem nq= 7,2 min^-1. Verteilt man die Gesamtförderhöhe auf mehrere Stufen, so kann man eine vierstufige Spaltrohrmotorpumpe Typ CAM 32/4 mit einer Drehzahl von 2.955 min^-1 und gleichen Förderdaten auswählen. Dabei erhöht sich die spezifische Drehzahl gemäß Gleichung 2 auf nq =20,4 min^-1. Laut Kennlinie beträgt der entsprechende Gesamtleistungsbedarf nur noch 12,3 kW, weil sich der Pumpengesamtwirkungsgrad auf 54,2 % erhöht.

Die einzusparende Leistungsdifferenz beträgt 7,7 kW. Die Energieeinsparung beträgt mehr als ein Drittel (39 %).