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Vertikale Inlinepumpen für FPSO-Anlage

Pumpenentwicklung in Rekordzeit
Vertikale Inlinepumpen für FPSO-Anlage

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Für eine Floating Production Storage and Offloading Unit (FPSO) in der Nordsee wurden bei Dickow vertikale Inlinepumpen angefragt. Der Auftrag beinhaltete auch Baugrößen, die es im bestehenden Lieferprogramm noch nicht gab. Sie stellten eine große Herausforderung dar, da durch den engen Liefertermin von 36 Wochen keine Möglichkeit bestand, unterschiedliche Ausführungen zu testen. Der erste Schuss musste also sitzen.

Vertikale Inlinepumpen können wie Armaturen direkt in das Rohrleitungsnetz eingebaut werden. Die Saug- und Druckstutzen liegen auf einer Ebene. Kleinere Baugrößen brauchen keine Grundplatte und kein kostspieliges Fundament; verstärkte Rohrleitungsschellen sind ausreichend. Bei größeren Aggregaten sind zusätzliche Unterstützungen unterhalb des Pumpenkörpers notwendig. Der große Vorteil dieser Inlinepumpen liegt in der platzsparenden Ausführung.

Die vertikalen Inlinepumpen werden in unterschiedlichen Ausführungsformen gebaut. Für einfache Anwendungen und niedrige Temperaturen kommen vertikale Inlinepumpen in Blockausführung zum Einsatz. Das Laufrad der Pumpe sitzt direkt auf der verlängerten Motorwelle. Es sind keine zusätzlichen Wälzlager erforderlich. Damit ergibt sich ein kleines, kompaktes Pumpenaggregat. Der Nachteil dieser Ausführung ist der aufwendige Service in einem Schadensfall. Für einen Wechsel der Gleitringdichtung muss die komplette Pumpe zerlegt werden.

Weiterhin gibt es die Möglichkeit, Pumpen- und Motorwelle starr miteinander zu verbinden, z. B. durch eine Spannkupplung. Auch hier erfolgt eine Lagerung durch die Wälzlager des Antriebsmotors. Diese Ausführung baut höher, die Kippstabilität ist niedriger und durch die zusätzliche Pumpenwelle ohne Wälzlagerung können erhöhte Schwingungen mit entsprechenden Auslenkungen im Laufradbereich auftreten. Der maximale Laufraddurchmesser sollte bei dieser Ausführung nicht größer als 210 mm betragen.

Spezielle Pumpen für Öl und Gas

In der chemischen Verfahrenstechnik, Öl und Gas sowie der Petrochemie kommen aus diesem Grund fast ausschließlich vertikale Inlinepumpen mit zusätzlicher zweifacher Wälzlagerung und elastischer Kupplung zum Einsatz. Diese werden als mittelschwere Ausführung gemäß ISO 5199 oder als schwere Ausführung nach API610 mit der Typbezeichnung OH3 gebaut.

Eine besondere Herausforderung stellen bei diesen Pumpen die geforderten Schwingungswerte und zulässigen Temperaturen im Wälzlagerbereich dar. Ab einem Laufraddurchmesser von mehr als 250 mm sind die auftretenden Radial- und Axialkräfte nicht vernachlässigbar und müssen bei der Konstruktion der Pumpe berücksichtigt werden.

CFD-Analyse der Einlaufgeometrie

Für eine Floating Production Storage and Offloading Unit (FPSO) in der Nordsee,
ca. 400 km nordöstlich von Aberdeen, wurden solche Inlinepumpen angefragt. Die Entwicklung dieses Feldes besteht aus der Bereitstellung von Unterwasser- und FPSO-Produktionsanlagen zur Lieferung von Öl aus 14 Produktionsbohrungen an einen Shuttle-Tanker. Ein FPSO ist ein Schiff, das bei der Gewinnung von Erdöl oder Erdgas zur Förderung, Lagerung, Reinigung oder Verladung eingesetzt wird.

Die zu liefernden Inlinepumpen beinhalteten auch Baugrößen mit einer Druckstutzennennweite von 150 mm und einem Laufraddurchmesser von 400 mm. Diese stellten die eigentliche Herausforderung dar, da es diese Baugröße im Lieferprogramm noch nicht gab und durch den engen Liefertermin
von 36 Wochen keine Möglichkeit bestand, unterschiedliche Ausführungen zu testen.

Insbesondere die Einlaufgeometrie verlangte eine besondere Betrachtung, um die Verluste zwischen dem Saugflansch der Pumpe und dem Laufradeintritt mit der dazugehörigen Umlenkung so gering wie möglich zu halten. Durch eine ausführliche CFD-Analyse mit einer Untersuchung unterschiedlicher Ausführungen konnte die optimale Geometrie relativ schnell gefunden werden.

Funktionsfähiges Spiralgehäuse

Bei dieser Größenordnung der Pumpe ist die Ausführung als Doppelspiralgehäuse Stand der Technik. Dadurch werden die auftretenden Radialkräfte erheblich reduziert. Zusammen mit der richtigen Auslegung des Wellendurchmessers kommt es zu einer wesentlich kleineren Wellendurchbiegung, die zu einer erhöhten Lebensdauer der Gleitringdichtung und der Wälzlagerung führt.

Gleichzeitig sind die Abstände der beiden Wälzlagerungen zueinander und zu dem fliegend gelagerten Laufrad rechnerisch zu berücksichtigen.

Durch den Einsatz von moderner Berechnungssoftware wie FEM und CFD konnte
innerhalb kürzester Zeit ein funktionsfähiges Spiralgehäusemodell der Gießerei zur Verfügung gestellt werden. Die Flansch-zu-Flansch-Abmessung des Spiralgehäuses
betrug 1100 mm, die Gesamthöhe des Pumpenaggregates inkl. Motor belief sich auf
ca. 2500 mm.

Niedrige Schwingungswerte

Die frühzeitige Einbindung aller Beteiligten der Lieferkette trug erheblich dazu bei, den zugesagten Liefertermin von 36 Wochen einzuhalten. Die geforderten Pumpendaten konnten ohne Nacharbeit während des Prüfstandslaufes der Pumpen, im Beisein des Kunden, nachgewiesen werden.

Die im Wälzlagerbereich für den bevorzugten Arbeitsbereich (80 bis 100 % von Qopt)
gemessenen Schwingungswerte und Temperaturen sind mit 1,5 mm/s RMS und 40 °C bei einer Drehzahl von 1750 min-1 für diese Pumpengröße außergewöhnlich niedrig. Dadurch konnte der zulässige Arbeitsbereich dieser Pumpen, der im Regelfall in einem Bereich von 70 bis 120 % vom Wirkungsgradoptimum liegt, bis auf 15 % vom optimalen Wirkungsgrad erweitert werden.

Dickow Pumpen GmbH & Co. KG, Waldkraiburg


Autor: Jürgen Konrad

Bereichsleiter Technik/Entwicklung/QM,

Dickow Pumpen


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