La modernisation de la pompe de raffinerie augmente la production

Jul 15, 2023

Coupe transversale du corps de la pompe et des composants internes, montrant une réduction de 10/9 étages (Source de l'image : Sulzer)

Matt Kinney, spécialiste de la rénovation hydraulique chez Sulzer, examine un exemple au Texas où un projet de rénovation a permis d'atteindre de nouveaux objectifs.

Les modifications apportées aux réglementations nationales au cours des dernières années ont entraîné une augmentation significative de la demande de diesel à très faible teneur en soufre (ULSD). Par conséquent, les raffineries ont dû adapter leurs processus et trouver des solutions innovantes pour augmenter leur capacité. Au Texas, la situation a conduit une raffinerie à contacter le centre de service d'Odessa de Sulzer pour examiner les solutions possibles.

Le projet s'articulait autour de deux pompes de charge diesel BB5 à 10 étages, qui devaient augmenter les débits de livraison de plus de 47 %. L'American Petroleum Institute (API) BB5 est une pompe baril qui renferme un faisceau interne à plusieurs étages divisé axialement avec une configuration de roue opposée.

Étant donné que la limite de pression est divisée radialement, ces pompes sont généralement conçues pour des applications à haute température et/ou haute pression. Avec la capacité de gérer des pressions et des températures jusqu'à 6'250 psi (431 bar) et 800 °F (427 °C) respectivement, l'API BB5 est une excellente sélection de pompe pour des applications telles que l'injection d'eau, l'exportation d'huile, l'alimentation de chaudière, et facturer le service.

Établir de nouveaux objectifs Initialement installées en 2006, les pompes avaient un point nominal de 1'110 gpm (252 m3/hr) @ 4'014 ft (1'223 m). Cependant, avec le changement de la demande ULSD, les ingénieurs de fiabilité de la raffinerie étaient intéressés par une augmentation de la capacité à 1 628 gpm (370 m3/h) à 3 450 pi (1 052 m). L'objectif pour Sulzer était de trouver la solution la plus économique et la plus opportune pour répondre aux besoins du client.

Dans ces circonstances, il y avait trois options possibles. Tout d'abord, achetez une nouvelle pompe qui répond aux nouvelles exigences de capacité ; alternativement, modifier ou réévaluer les pompes d'origine ou faire fonctionner les deux pompes existantes en parallèle à 100 % de la capacité nominale (selon la courbe du système du client).

Chacune de ces options a ses propres avantages et inconvénients. Par exemple, le fonctionnement en parallèle serait clairement le moins coûteux pour réaliser l'augmentation de débit. Cependant, l'absence de redondance du système en cas de panne est risquée et peut souvent être très coûteuse en termes de perte de production.

Une nouvelle sélection de pompe adaptée à l'application pourrait être avantageuse en termes d'efficacité, mais les longs délais, le coût de réacheminement de la tuyauterie et les modifications de la plaque de base/fondation peuvent rendre cette option moins attrayante. Il n'y avait vraiment aucun inconvénient à réévaluer les pompes, à part les performances souhaitées qui ne sont pas toujours réalisables dans la taille de châssis donnée. Cependant, si possible, la revalorisation est souvent plus rapide et plus économique.

Simplicité de conception En fonction de la criticité de ce service pour le succès global de la raffinerie, la possibilité d'une revalorisation était d'un grand intérêt. Pour soutenir le client, les ingénieurs de Sulzer ont mené une étude de faisabilité approfondie, à la fois hydraulique et mécanique, pour déterminer si l'objectif était réalisable.

Une recherche basée sur la vitesse spécifique (Ns) dans la vaste base de données hydraulique de Sulzer a révélé une conception existante et éprouvée qui répondrait aux besoins du client - à condition que les roues puissent s'adapter physiquement et que les zones de tuyère de la volute du carter interne puissent être suffisamment augmentées pour permettre à la turbine d'atteindre les performances prévues. Un examen des dessins de développement de la volute a confirmé que les deux éléments pouvaient être satisfaits.

Sulzer a choisi de garder l'approche aussi simple que possible afin de minimiser la durée globale du projet. Ceci a été réalisé en sélectionnant une conception hydraulique de turbine standard existante qui était adaptée aux performances souhaitées et qui avait été prouvée par au moins deux tests en usine. De plus, la société s'est assurée que les modifications du boîtier pouvaient être apportées pour s'adapter à la nouvelle roue et a confirmé que la surface de la buse pouvait être suffisamment augmentée pour imiter les performances de la pompe de référence.

Idéalement, Sulzer aurait effectué un test en usine après avoir terminé ce travail, mais malheureusement, le calendrier du projet n'a pas permis cela, compte tenu du délai convenu. Par conséquent, il était important que la mise à niveau proposée soit étayée par des données et une expérience empiriques internes pour donner confiance dans l'exactitude des modifications de conception proposées. Il était nécessaire que l'assiette prévue de la turbine soit calculée correctement dès la première tentative.

Solution optimiséeAvec une vaste gamme de conceptions hydrauliques de turbines disponibles, les ingénieurs de Sulzer ont pu sélectionner une conception existante qui répondrait à la nouvelle hauteur et à la capacité requises pour l'application.

Une réduction mécanique a été effectuée pour obtenir à la fois une augmentation de la surface de la buse et du diamètre de la lèvre. Sur la base de données empiriques, l'augmentation de la surface de la buse permettrait à la nouvelle sélection de turbine de s'écouler jusqu'au nouveau point de conception. L'augmentation du diamètre de la lèvre de la volute a permis aux concepteurs d'obtenir un jeu de lèvre suffisant. Ceci, et le fait que la réduction était «en angle», a contribué à la réduction des pulsations de passage des aubes et des amplitudes de vibration globales.

Les aubes de sortie de la roue ont été sous-limées pour augmenter la zone de sortie entre les aubes (OABV) et aider à aplatir la courbe de performance. Cela a également poussé le meilleur point d'efficacité (BEP) pour atteindre des débits plus élevés.

Le processus de conception a mis en évidence le fait que le nouveau niveau de performance ne nécessitait pas les 10 étapes. Un étage a été retiré afin que la garniture de la roue puisse avoir un diamètre presque complet. Cela a profité à la fois à l'efficacité et à l'emplacement du BEP pour la pompe. Avec la réduction d'étage, l'effet sur la direction et l'amplitude de la poussée axiale a été analysé; les bagues internes ont été redimensionnées pour s'assurer que la charge axiale était acceptable pour le palier de butée.

Surmonter les défis Avec une revalorisation majeure comme celle-ci, il peut être assez difficile d'installer une nouvelle turbine relativement grande et de grande capacité dans la volute existante. En effet, les pompes à plusieurs étages, comme celle-ci, sont conçues avec l'espacement d'étage le plus court possible pour limiter la longueur totale de la pompe.

Heureusement, les pompes de cet exemple étaient équipées à l'origine d'un rotor à débit relativement faible, par rapport à sa taille de châssis, qui offrait plus d'espace pour travailler. Afin de s'adapter à l'augmentation de la largeur de sortie de la roue, les parois latérales de la volute nécessitaient un élargissement ou une «dalle» pour assurer un dégagement adéquat de la pièce latérale, ce qui est extrêmement important pour les pompes centrifuges.

De plus, le diamètre de l'alésage de la ligne du carter intérieur a été augmenté pour s'adapter au plus grand diamètre de l'œil de la roue. L'alésage a été augmenté à la valeur maximale autorisée, tout en maintenant une épaisseur de paroi suffisante entre celui-ci et les voies navigables, ainsi que l'intégrité structurelle du faisceau interne.

L'augmentation des performances de la pompe nécessitait plus de puissance que ce que le moteur d'origine de 1'250 ch (932 kW) pouvait fournir, un nouveau moteur était donc nécessaire pour répondre à cette demande. Cependant, aucune modification de la plaque de base n'a été nécessaire car la taille du châssis du moteur à puissance nominale supérieure est restée la même.

La hauteur d'aspiration positive nette requise (NPSHr) avait augmenté avec la nouvelle turbine d'aspiration sélectionnée. Cependant, ce n'était pas un problème car la hauteur d'aspiration positive nette disponible (NPSHa) était adéquate.

Offrir des avantages La décision de réévaluer les pompes existantes, plutôt que d'en acheter de nouvelles, était très avantageuse pour le client dans ce cas. Le projet de re-rating était plus économique, d'autant plus que le canon extérieur à lui seul est un composant très onéreux.

La retarification n'a nécessité aucune modification de l'empreinte de la pompe existante, ce qui a permis de gagner un temps précieux lors de la réalisation du projet. Si une nouvelle pompe avait été spécifiée, des modifications de la plaque de base et le réacheminement des tuyauteries d'aspiration et de refoulement auraient été nécessaires.

Les modifications hydrauliques ont toutes été confinées au faisceau intérieur, permettant au fût extérieur de rester canalisé dans la raffinerie. Cela a eu un effet positif significatif sur le délai de livraison global du projet et la date d'achèvement beaucoup plus courte s'est avérée très attrayante pour le client.

Résultat du projet Une fois terminée, la pompe a été réinstallée et mise en service. En raison des niveaux élevés de confiance dans la conception et l'ingénierie, les tests de performance ont été effectués sur site. La pompe a dépassé les exigences de débit et de hauteur d'origine, ce qui a dépassé les attentes du client. Les niveaux de vibration et les températures des roulements étaient bien dans les limites acceptables.

Ce projet a été un grand succès et le client a été satisfait du résultat global. Le dernier avantage majeur était que la période de récupération du coût de ce projet a été atteinte dans un délai très court de seulement 35 jours.

Source : Sulzer Ltd.