Installazione di materiali moderni e aggiornamenti del design attraverso progetti di retrofit negli impianti chimici

22.10.2020
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I moderni impianti di produzione chimica dipendono da numerose risorse importanti per un funzionamento affidabile e per mantenere la produttività. Conservare le apparecchiature precedenti è un modo conveniente per ridurre al minimo la spesa in conto capitale, a condizione che l'efficienza e l'affidabilità possano essere garantite. L'implementazione di progetti di retrofit consente alle moderne tecniche di produzione di materiali e parti di aggiornare i componenti esistenti estendendo la vita utile dell'asset.
Installazione di materiali moderni e aggiornamenti del design attraverso progetti di retrofit negli impianti chimici

La produzione personalizzata di nuovi componenti può ridurre i tempi di consegna (Fonte immagine: Sulzer)

In molti casi le apparecchiature rotanti, come turbine a vapore, generatori, pompe, compressori ed espansori, costituiscono una parte importante del processo di produzione. Attraverso l'uso continuato, l'usura dei componenti e i giochi aumentano, portando a una riduzione dell'efficienza. Allo stesso tempo, i processi cambiano e ci si può aspettare una maggiore produttività dalle apparecchiature legacy; affrontare con successo queste sfide può ridurre i costi operativi e migliorare l'affidabilità.

Pharic Smith, Head of Engineering, Parts Retrofit presso Sulzer, spiega quante aree di un moderno impianto di produzione chimica possono trarre vantaggio dai progetti di retrofit.

Ottimizzazione del tempo di attività
Il settore della produzione chimica offre molte sfide, non ultimo l'ambiente operativo, lavorare con materiali corrosivi e il vapore può aumentare la pressione sul team di manutenzione. Lavorare con apparecchiature in servizio da molti anni, soprattutto quando non è disponibile il supporto del produttore di apparecchiature originali (OEM), significa che è necessario trovare soluzioni alternative quando sono necessarie riparazioni e aggiornamenti.

Pianificazioni di produzione ristrette significano che i tempi di fermo devono essere ridotti al minimo, quindi è sempre preferibile utilizzare un programma di manutenzione pianificata per evitare guasti imprevisti che possono causare perdite di entrate. Sebbene i team di manutenzione in loco siano spesso esperti nel funzionamento delle apparecchiature, il supporto di esperti può ridurre i tempi di riparazione e fornire soluzioni convenienti per riparazioni più complesse.

Per massimizzare l'investimento iniziale in attrezzature, la vita utile deve essere estesa per quanto economicamente possibile. I progetti di retrofit offrono l'opportunità di aggiornare o sostituire componenti che possono aumentare le prestazioni attraverso un design o materiali migliorati.

Soluzioni convenienti
Le pompe di grandi dimensioni sono spesso citate per progetti di retrofit perché una durata di funzionamento continuo può portare all'usura delle giranti / rotori, che riduce l'efficienza e aumenta i costi di esercizio. Coloro che operano nel settore della produzione chimica potrebbero dover sopportare un ambiente di lavoro difficile.

Ad esempio, l'acido nitrico, che è una materia prima essenziale per la produzione di fertilizzanti, viene creato utilizzando componenti poco costosi, ammoniaca, acqua e aria atmosferica. Tuttavia, il processo di produzione è molto dispendioso in termini di energia e capitale, utilizzando diverse turbomacchine come compressori, pompe, turbine di espansione a gas di coda e diversi motori di grandi dimensioni. È quindi importante che i produttori mantengano un alto livello di efficienza affinché il processo rimanga redditizio.

Piuttosto che sostituire le risorse complete quando la loro produttività inizia a diminuire, è molto più conveniente riparare il componente usurato e anche migliorarne il design allo stesso tempo. La moderna tecnologia di scansione laser tridimensionale (3D) significa che i disegni OEM originali non sono necessari; le parti possono essere create dal componente originale, anche se è stato danneggiato.

Pompe alimentazione caldaie
Molti impianti di produzione utilizzano il vapore per generare la propria fornitura di elettricità e questi sistemi si affidano a pompe di alimentazione delle caldaie per fornire un approvvigionamento idrico costante. In molti casi queste importanti risorse possono funzionare in modo affidabile per decenni, ma una ridotta efficienza avrà un impatto sui costi di esercizio. Tuttavia, dopo così tanti anni, l'OEM potrebbe non essere in grado di fornire nuove parti, quindi è necessaria una soluzione alternativa.

Oggi, è possibile creare e produrre miglioramenti delle tenute e miglioramenti dell'efficienza attraverso parti soggette a usura non metalliche e design del rotore migliorati utilizzando apparecchiature all'avanguardia. I moderni processi di progettazione e le tecniche di produzione additiva possono ridurre notevolmente i tempi di consegna delle nuove parti.

I programmi di retrofit possono andare molto oltre e alterare la produzione dell'asset laddove la domanda della pompa è cambiata nel corso degli anni. Modificando i profili della girante o riducendo il numero di stadi, la pompa può essere ottimizzata per l'applicazione corrente, spesso riducendo i requisiti di alimentazione e riducendo i costi di esercizio.

Compressori
I compressori di grandi dimensioni sono comuni nel settore della produzione chimica e spesso funzionano 24 ore su 24. In quanto tali, l'affidabilità e l'efficienza sono molto importanti, quindi di solito sono disponibili programmi di manutenzione rigorosi e apparecchiature di monitoraggio delle condizioni.

In molti casi, gli operatori del compressore tengono rotori di riserva che possono essere sostituiti rapidamente, riducendo al minimo i tempi di fermo e concedendo più tempo per riparare il rotore che è stato in servizio. Tuttavia, questa procedura non consente di accedere alla sezione fissa del compressore, che potrebbe richiedere attenzione anche durante una revisione o un progetto di retrofit.

Ciò può essere mitigato utilizzando la tecnologia di scansione laser e creando un modello CAD 3D del rotore e dell'involucro. Combinando i due e utilizzando una tecnologia all'avanguardia, è possibile generare un grafico delle prestazioni per il modello 3D. Questo può essere confrontato con i dati effettivi del compressore stesso e utilizzato per perfezionare il modello fino a renderlo una rappresentazione reale.

Miglioramenti alla modellazione
Da questo punto i progettisti possono introdurre miglioramenti al modello e stabilire la loro influenza su output ed efficienza. Le modifiche ai profili della girante, i miglioramenti ai cuscinetti e alle tenute a labirinto possono essere simulati e valutati per stabilire i progetti più vantaggiosi.

Le moderne tecnologie di produzione e lavorazione possono essere applicate non solo per ridurre i tempi di consegna, ma anche per creare componenti più efficienti, come le giranti con geometria 3D delle palette. Tutti possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni e aumentare la portata massica, se necessario.

Il vantaggio del CAD 3D teorico è che i miglioramenti suggeriti possono essere testati e valutati per il loro impatto su altri componenti, come gli intercooler. In alcuni casi, il potenziamento degli accessori può essere giustificato per l'aumento della produzione. Inoltre, tutti i dati possono essere esaminati per consentire una decisione più informata.

Espansori di gas caldo
Con tali enormi quantità di energia coinvolte nella produzione chimica, qualsiasi metodo di recupero deve essere adeguatamente mantenuto per massimizzarne i benefici. L'ambiente operativo degli espansori di gas caldo significa che sono soggetti a condizioni difficili con notevoli sollecitazioni esercitate sul rotore e sui suoi cuscinetti.

Ruotando a velocità fino a 11.000 giri / min, il rotore deve essere supportato da cuscinetti in grado di sopportare le sollecitazioni operative e fornire affidabilità a lungo termine. Un progetto di retrofit può aggiornare i cuscinetti a manicotto cilindrico per inclinare i componenti del cuscinetto. I cuscinetti a sede sferica possono essere sostituiti con un design che utilizza rulli cilindrici, offrendo migliori prestazioni a lungo termine.

Il rotore stesso ha un design a più stadi in cui un albero cavo con passaggi di raffreddamento interni mantiene i dischi e le pale della turbina in posizione con un singolo bullone passante. Questo bullone è soggetto a notevoli sollecitazioni termiche ed è spesso lavorato a macchina in acciaio inossidabile nelle specifiche di costruzione originali.

La parte può essere aggiornata alla lega di acciaio inossidabile 450 che consente un maggiore allungamento del bullone e una maggiore schiacciamento del fascio sul gruppo rotore. Le dimensioni sono lavorate per corrispondere esattamente all'originale utilizzando i disegni CAD 3D e possono essere installate come parte di una ristrutturazione del rotore.

Prestazioni della lama migliorate
Gli espansori di gas caldo possono anche trarre vantaggio da una riduzione delle perdite dalla punta della pala, che rappresenta una sostanziale perdita di efficienza nelle apparecchiature precedenti. L'installazione di un rivestimento abrasivo sulla superficie interna dello statore fornisce un migliore controllo del gioco per le pale del rotore. Chiaramente questo tipo di aggiornamento richiede che l'espansore sia in manutenzione per un periodo prolungato, quindi è più adatto a un periodo di arresto pianificato.

Ulteriori miglioramenti possono essere ottenuti migliorando i materiali utilizzati per fabbricare le lame stesse. Nelle applicazioni che richiedono un'elevata resistenza e una buona resistenza alla corrosione fino a 1’300 ° F (700 ° C), l'uso di una super lega, come A286, nelle lame può essere utile.

Naturalmente, con le pale di turbina che operano in ambienti ad alta temperatura, le turbine a gas hanno diverse caratteristiche in comune con gli espansori di gas, e come tali, tecnologie simili possono essere applicate ad entrambi. Gli sviluppi nei rivestimenti delle pale possono ridurre le incrostazioni e l'ossidazione sia nella sezione rotante che in quella fissa.

Turbine a gas
Apparecchiature importanti, come le turbine a gas, possono fornire alimentatori primari e di riserva, quindi la loro affidabilità è fondamentale. Nel tempo, sono stati sviluppati miglioramenti del design sia dagli OEM che dai fornitori di manutenzione indipendenti e questi possono essere applicati alle apparecchiature installate attraverso progetti di retrofit.

Ad esempio, nelle turbine a gas Siemens serie V, l'anello a F del tubo di fiamma ha la tendenza a ossidarsi e produrre incrostazioni che possono essere ingerite dalla turbina durante le normali condizioni operative. Per migliorare questa situazione, il componente può essere lavorato per esporre materiale fresco e consentire la saldatura di un rivestimento in Inconel alla nuova superficie prima di essere lavorato di nuovo al diametro richiesto. Inconel 82 è una lega di nichel cromo con un'elevata resistenza e un'eccezionale resistenza alla corrosione che migliorerà la durata del componente.

Allo stesso modo, la sezione di combustione della turbina a gas può essere protetta con un rivestimento a barriera termica (TBC) applicato a tutti i tubi di fiamma e altri componenti del percorso del gas caldo. Un TBC in ceramica applicato agli anelli della lunetta e alle piastre dei segmenti, ai gomiti di miscelazione e all'involucro interno, aumenta la resistenza allo stress termico nelle aree più calde dell'unità.

È possibile apportare altri miglioramenti alle prestazioni di raffreddamento di alcune parti, come il tubo di fiamma, per aumentare la durata delle parti riducendo l'ossidazione e l'erosione. Insieme, tutti questi miglioramenti possono estendere l'affidabilità e garantire un'efficienza continua della turbina a gas.

Soddisfare nuovi standard
Poiché le apparecchiature legacy continuano a fornire un servizio affidabile, gli standard moderni si evolvono a vantaggio dell'ambiente e del miglioramento del funzionamento e dell'efficienza. Molti di questi possono essere applicati retroattivamente, ed è spesso più rapido ed economico modificare i macchinari esistenti, piuttosto che sostituirli con nuove apparecchiature.

Capire cosa si può ottenere da un progetto di retrofit e come applicarlo al meglio, sono competenze importanti che vengono acquisite attraverso l'esperienza sia nel settore in questione che nello sviluppo di soluzioni all'avanguardia. Sviluppando modelli teorici e mettendo a punto il progetto, gli ingegneri possono evidenziare i vantaggi e garantire che l'apparecchiatura sia adatta per la ristrutturazione.

La capacità di migliorare l'efficienza e ridurre il consumo di energia attraverso l'ingegneria moderna offre anche l'opportunità di ridurre l'impronta ambientale dell'azienda. Poiché viene esercitata una maggiore pressione sugli impianti industriali per migliorare l'impatto ambientale delle loro operazioni, il progetto di retrofit ha il potenziale per fornire sia una riduzione dei costi che delle emissioni di CO2.

Raccogliere i frutti
Ogni parte dell'attrezzatura dell'impianto presenta le proprie sfide, ma è possibile affrontarne molte lavorando con ingegneri esperti che comprendono le esigenze del processo e la progettazione delle apparecchiature coinvolte. L'utilizzo di un programma di aggiornamento ben definito e integrato può fornire miglioramenti significativi alla vita utile prevista dell'apparecchiatura, nonché migliorare la produttività.

I progetti di retrofit rappresentano un'opportunità per l'introduzione economica ed efficiente di nuovi componenti che utilizzano materiali e tecniche di produzione moderni. La capacità di creare rapidamente parti una tantum, senza disegni OEM, riduce al minimo i tempi di inattività e garantisce un corretto turnaround durante un'interruzione pianificata.

Apportando miglioramenti significativi in termini di efficienza e affidabilità, gli impianti chimici possono ridurre le proprie emissioni di CO2 facendo un uso migliore dell'energia dei gas di scarico, che a sua volta riduce la quantità di energia richiesta dai generatori a vapore. I fornitori di servizi indipendenti possono offrire esperienza nella riduzione delle perdite, nel miglioramento delle prestazioni delle turbine e nell'aggiornamento delle apparecchiature rotanti, consentendo ai produttori di prodotti chimici di vedere prestazioni migliorate e costi del ciclo di vita migliorati.

Fonte: Sulzer Ltd.

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