Sulzer Technical Review Ausgabe 2 / 2016

Leistungsprüfung für Pipelinepumpen vor Ort

13. Juli 2016 | Fred Robinett

Durch Optimierung der Betriebseffizienz von Pumpen lassen sich erhebliche Einsparungen erzielen. Die Messung der genauen Pumpenleistung mit Erdöl unter realistischen Bedingungen im Feld ist der erste Schritt zur zukünftigen Verbesserung des Wirkungsgrads.

Pipeline with snowy mountains on the background
Rund 20 Milliarden Barrel Erdöl flossen im Jahr 2015 durch Pipelines. Alle Erdölpipelines der Welt zusammen erreichen eine Gesamtlänge von über einer Million Kilometern. Allein in den USA gibt es über 100 000 km Pipelines. Mehr als 60 000 Pumpen liefern die nötige hydraulische Energie, um das Erdöl durch die Pipelines zu fördern. Der Antrieb aller Pumpen erfordert rund 150 GW Leistung, was etwa dem jährlichen Stromverbrauch von 20 Städten der Grösse New Yorks entspricht. Durch Optimierung der Betriebseffizienz von Pumpen kann über deren Lebensdauer hinweg viel Energie eingespart werden.

PRCI beauftragt Sulzer

Zurzeit gibt es keine standardisierten Prüfverfahren zur Bestimmung der Effizienz von installierten Pumpen im Feld. Im Jahr 2014 begann Sulzer im Auftrag des Pipeline Research Council International (PRCI) mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Prüfung der Leistung von Erdölpipeline-Pumpen vor Ort. PRCI ist eine Forschungsorganisation, die sich der Verbesserung der Sicherheit, Zuverlässigkeit, Umweltverträglichkeit und Effizienz von Pipelines widmet. Zu den Mitgliedern gehören viele führende Pipelineunternehmen aus aller Welt.

Korrekturfaktoren für die Industrie

Normalerweise werden für den Erdöltransport durch Pipelines leistungsstarke Pumpen mit grossen Volumenströmen eingesetzt. Diese müssen die Anforderungen der API-Norm 610 erfüllen, die u. a. vorsieht, dass die hydraulischen Abnahmeprüfungen gemäss ISO-Norm 9906 mit Wasser und nicht mit viskosen Flüssigkeiten durchgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit von Pipelinepumpen wird durch die Viskosität des Erdöls beeinflusst. Aus diesem Grund hat das Hydraulic Institute (HI) eine Reihe von empirischen Formeln zur Berechnung der Pumpenleistung mit Erdöl auf Basis der Pumpleistung mit Wasser entwickelt. Die HI-Norm 9.6.7 «Effects of Liquid Viscosity on Rotordynamic Pump Performance» bietet Korrekturfaktoren auf der Grundlage einer Vielzahl von Tests, die allerdings mit viel kleineren Pumpen als den in der Pipelineindustrie üblichen durchgeführt wurden. Diese empirischen Korrekturen wurden zwar für grössere Pumpen extrapoliert, doch es gibt noch immer erhebliche Abweichungen. Diese Ungenauigkeit kann dazu führen, dass grössere Pumpen und Antriebssysteme über- oder unterdimensioniert sind. Nur eine genaue Leistungsprüfung dieser Pumpen mit viskosen Flüssigkeiten kann dabei helfen, die potenziellen Fehler zu eliminieren. Reproduzierbare Tests erfordern geeignete Verfahren, die korrekt und wiederholbar sind. Die zu entwickelnden Verfahren sollen sich für alle Arten von grossen Kreiselpumpen für grosse Volumenströme eignen, wie sie in Erdölpipelines eingesetzt werden.

Installation der Prüfausrüstung

Entlegene Pumpstationen verfügen nicht immer über die notwendige Instrumentierung zur Durchführung der Prüfungen. Ausserdem sind für die Installation der erforderlichen Messinstrumente an einer mit einer brennbaren Flüssigkeit gefüllten Pipeline besondere Berechtigungen und Genehmigungen erforderlich. Bei der Ausführung ist grösste Vorsicht geboten, da zur Installation der verschiedenen Instrumente (für Druck, Temperatur, Dichte und Viskosität) möglicherweise die Hauptleitung angebohrt werden muss.

Die Dichte und die Viskosität des Erdöls fallen entlang der Pipeline unterschiedlich aus. Dies ist hauptsächlich von der Temperatur, aber auch vom Druck abhängig (Bild 1). Um die Leistung und den Wirkungsgrad der Pumpe zu bestimmen, wird die genaue Öldichte benötigt. Die Viskosität muss bekannt sein, damit die Pumpenleistung im Feld mit der bei der Werksprüfung mit Wasser ermittelten Leistung verglichen werden kann. Sulzer testet zurzeit entsprechende Inline-Sensoren für Dichte und Viskosität. Durchflussmessungen stehen in entlegenen Pumpstationen normalerweise nicht zur Verfügung. Die Installation von Durchflussmessern bzw. eichfähigen, aussen angebrachten Ultraschall-Durchflussmessern erfordert besondere Vorkehrungen, damit die Geräte einwandfreie Messungen liefern.

Wie Honig seine Viskosität bei unterschiedlichen Temperaturen verändert, variieren Dichte und Viskosität von Erdöl je nach Charge und Temperatur. Daher werden genaue Dichte- und Viskositätswerte pro Charge benötigt. Diese Messungen müssen an der Pumpe und am Durchflussmesser erfolgen. Werden sie an anderen Stellen gemessen, können sie in Bezug auf Temperatur und Druck mithilfe folgender Formeln korrigiert werden.

 

Bild 1 Korrekturfaktoren für Dichte und Viskosität im Verhältnis zur Temperatur des Erdöls.

Zur Messung der Pumpeneingangsleistung ist ebenfalls spezielle Ausrüstung erforderlich. Pumpen werden in der Regel von Elektromotoren, Gasturbinen oder Dieselmotoren angetrieben. Die Messung der vom Antrieb bereitgestellten Eingangsleistung erfolgt vorzugsweise mithilfe eines Drehmomentmessers an der Pumpenkupplung. Bei elektrisch angetriebenen Pumpen kann die Eingangsleistung mithilfe des Motorwirkungsgrads und einer genauen elektrischen Leistungsmessung bestimmt werden. Dazu ist der Zugang zu den Schaltschränken in der Pumpstation notwendig, was aus Sicherheitsgründen nur mit spezieller Genehmigung möglich ist.

Zu entwickelnde Korrekturmethoden

Selbst wenn die Instrumentierung vorhanden ist oder installiert werden kann, entsprechen die geometrischen Gegebenheiten möglicherweise nicht den Prüfnormen (z. B. ISO 9906, HI 14.6 usw.). Deswegen hat Sulzer Messkorrekturfaktoren für folgende Feldsituationen entwickelt, die sich von der Prüfung im Werk unterscheiden:

  • Die Druckmessumformer befinden sich nicht in einem geraden Rohrabschnitt (Bild 3 und 4), wie von den Prüfnormen gefordert (Bild 2).
  • Die elektrische Leistung wird in grösserer Entfernung zum Elektromotor gemessen als unter Prüfbedingungen (Bild 2).
  • Die Dichte- und Viskositätsmessungen erfolgen in grösserer Entfernung zur Pumpe.

Die erforderlichen Methoden zur Korrektur suboptimaler Bedingungen werden ebenfalls im Rahmen des Projekts entwickelt. Das Gesamtziel einer Prüfung ist es, eine Pumpenkennlinie unter realistischen Bedingungen zu ermitteln. Dazu müssen die Pipelinebetreiber den Durchfluss möglichst über einen Bereich von 60  – 120 % des Bestpunkts der Pumpe (BEP) variieren. Ist dies nicht möglich, sollte die Messung in einem Durchflussbereich von 80  – 110 % des BEP durchgeführt werden. Der BEP muss erfasst werden, um die Pumpenleistung im Feld mit den Werksprüfungen mit Wasser zu vergleichen. Pumpenleistungswerte, die mit viskosen Flüssigkeiten ermittelt wurden, können aufgrund der Varianz in den Reibungswiderständen und der Reynolds-Zahl bei viskosen Flüssigkeiten nicht mithilfe von Ähnlichkeitsgesetzen korrigiert werden. Aus diesem Grund muss die Leistungsprüfung vor Ort über den gesamten geprüften Durchflussbereich hinweg bei einer relativ konstanten Drehzahl und mit einer konstanten Mediendichte und -viskosität durchgeführt werden. Darüber hinaus muss der Betriebszustand der Pumpe im Feld geprüft werden, falls die ermittelten Leistungsdaten mit den im Werk ermittelten Daten verglichen werden sollen. Jegliche Unterschiede zur Werksprüfung müssen berücksichtigt werden, einschliesslich der verwendeten Dichtungssysteme, Bypasskühlung, möglichen Verschleisses der Pumpe oder wartungs- und konstruktionsbedingter Änderungen. Diese Einflüsse können unter Berücksichtigung der volumetrischen Wirkungsgrade korrigiert werden.

Erforschung der tatsächlichen Prüfmöglichkeiten

Sulzer befragte mehrere Pipelineunternehmen, um die Unterschiede zwischen den Prüfmöglichkeiten im Werk und im Feld festzustellen. Anschliessend besuchten Ingenieure von Sulzer einige Pipelinepumpstationen, um die Bedingungen vor Ort genauer zu untersuchen und realistische Anforderungen für die Durchführung von Leistungsprüfungen vor Ort zu definieren. Die Besuche ergaben, dass für jeden Standort eine Vorabüberprüfung erforderlich ist, um die standortspezifischen Anforderungen vor einer Leistungsprüfung vor Ort abzuklären.

Überprüfung des Konzepts

Zurzeit laufen Massnahmen zum Nachweis der Konzepttauglichkeit des Prüfverfahrens. Die Prüfungen finden auf dem Prüfstand von Sulzer in der Schweiz statt. Ziel der Prüfungen ist es, festzustellen, ob das Verfahren und die Prüfmethoden einwandfreie Daten liefern – eine Art Gegenprüfung in einer kontrollierten Umgebung. Nach den Laborprüfungen in Winterthur werden zur endgültigen Bestätigung des Verfahrens die eigentlichen Leistungsprüfungen an Erdölpipeline-Pumpen vor Ort durchgeführt.

Kunden profitieren von Prüfungen vor Ort

Das von Sulzer im Auftrag des PRCI entwickelte Verfahren soll eine praktische Methodik zur Prüfung der Pumpenleistung mit viskosen Flüssigkeiten vor Ort bereitstellen. Die Ergebnisse der vor Ort und im Labor durchgeführten Prüfungen liefern die Grundlage für entsprechende Korrekturberechnungen. Bei Abweichungen von den idealen Messbedingungen minimieren die Korrekturberechnungen die Unsicherheit der Ergebnisse der Leistungsprüfungen. Damit erhält Sulzer genauere und besser vergleichbare Leistungsdaten mit viskosen Flüssigkeiten, als dies bisher durch Werksprüfungen mit Wasser möglich war. Die detaillierten Prüfergebnisse werden der Branche dabei helfen, den Pipelinebetrieb zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken.

Pipeline Research Council

International PRCI-Projektnr.: CPS-7-10
«Development of Field Pump Performance Testing Procedure»
Katalognr.: PR-471-14207-R01
Ausschuss: Compressor and Pump Station
Download von www.prci.org

Technische Artikel


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Nadia Qaud

Editor-in-Chief


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