Blog

Jun 14, 2023

Consideraciones de costos al seleccionar soluciones de sellado para bombas de alimentación de calderas

Cada aplicación de bomba, independientemente de cuán común sea el servicio, tiene desafíos únicos en cuanto a soluciones de sellado. La solución de sellado para cualquier aplicación de bomba determinada rara vez tiene una solución universalmente aceptada.

Cada aplicación de bomba, independientemente de cuán común sea el servicio, tiene desafíos únicos en cuanto a soluciones de sellado. La solución de sellado para cualquier aplicación de bomba dada rara vez tiene una solución universalmente aceptada y lo más probable es que haya múltiples soluciones que ofrezcan una confiabilidad operativa similar. Se deben considerar las pautas de ubicación de la planta individual, los requisitos gubernamentales, las preferencias del operador o los recursos disponibles de la planta al decidir qué solución de sellado es la mejor para una aplicación.

La selección de un sello mecánico para aplicaciones de bombas viene dictada principalmente por las condiciones de la aplicación, generalmente definidas por el diseño del equipo, la velocidad de operación, el fluido del proceso, la presión y la temperatura del proceso. Al seleccionar una solución de sellado, los operadores también deben considerar los recursos disponibles de la planta, las preocupaciones de seguridad, la confiabilidad del servicio y los costos operativos del ciclo de vida para determinar la mejor solución para su aplicación. Las bombas de alimentación de calderas en plantas de generación de energía de combustibles fósiles son un excelente ejemplo de aplicación para revisar lo que implica seleccionar una solución de sellado.

Las bombas de alimentación de calderas mueven agua caliente (100 C a 200 C/200 F a 400 F) a presiones moderadas (20 a 48 bar/300 a 700 libras por pulgada cuadrada [psi]). Las condiciones del proceso de la aplicación permiten múltiples soluciones de sellado donde cada solución puede ofrecer años de operación confiable. La presión de funcionamiento de la bomba en la ubicación del sello mecánico generalmente elimina la capacidad de usar sellos mecánicos de fuelle metálico, y la temperatura del proceso del agua de alimentación de la caldera en la cámara de sello de la bomba está cerca de los límites para los elementos de sellado secundario de junta tórica elastomérica utilizados en el empujador ( activados por resorte) sellos mecánicos.

Un sello mecánico de un solo empujador es la solución de sellado típica para aplicaciones de bombas de alimentación de calderas, pero requieren un sistema de soporte de sello para alterar las condiciones en la cámara de sello de la bomba y crear un ambiente más hospitalario para el sello mecánico. Los sistemas de soporte de sello, o planos de tuberías para aplicaciones de bombas de alimentación de calderas, están diseñados para reducir la temperatura en la cámara del sello para garantizar que las juntas tóricas elastoméricas del sello mecánico funcionen de manera confiable y que el fluido del proceso de agua pueda proporcionar una lubricación adecuada de la cara del sello. Para reducir la temperatura en la cámara de sellado de la bomba, se inyecta un fluido externo frío en la cámara de sellado o el fluido de proceso en la cámara de sellado debe enfriarse directamente.

El enfriamiento de la cámara de sellado mediante la inyección de un fluido externo en la cámara de sellado se describe como un plan de tuberías del Plan 32 del Instituto Americano del Petróleo (API). Para que un lavado Plan 32 funcione correctamente, el fluido inyectado debe ser compatible con el fluido del proceso, estar a una presión mayor que la presión del proceso y debe estar a una temperatura adecuada para el enfriamiento. Además, se requiere un dispositivo de restricción, normalmente un casquillo en la garganta de la cámara de sellado, para mantener la contrapresión dentro de la cámara de sellado y controlar el flujo del fluido inyectado fuera de la cámara de sellado. Para garantizar que no haya interrupciones en el enfriamiento, el lavado del Plan 32 debe provenir de una fuente fácilmente disponible, preferiblemente un proceso limpio y posterior dentro de la planta.

Otro método para enfriar la cámara del sello implica dirigir un flujo de fluido de proceso desde el lado de alta presión de la bomba, generalmente desde la descarga de la bomba, a través de un enfriador del sello (generalmente un intercambiador de calor estilo carcasa y tubos enfriado por agua) antes de inyectarlo. en la cámara de sellado. Este sistema de soporte de sello se conoce como plan de tuberías API Plan 21 y utiliza el diferencial de presión entre la descarga de la bomba y la cámara del sello para generar flujo a través del plan de tuberías. Al igual que el Plan 32, el Plan 21 utiliza un dispositivo de restricción en la garganta de la cámara de sellado para aislar la cámara de sellado del fluido del proceso y para controlar el caudal de lavado que sale de la cámara de sellado. El enfriador de sello Plan 21 requiere un flujo continuo de fluido refrigerante limpio para eliminar el calor del fluido del proceso antes de inyectarlo en la cámara del sello.

El enfriamiento de la cámara del sello también se puede lograr utilizando un Plan API 23, donde el fluido del proceso se recircula entre la cámara del sello y un enfriador del sello. Se requiere un dispositivo de bombeo dentro del sello para generar flujo a través del circuito del Plan 23 y, al igual que el Plan 21, el enfriador del sello requiere un flujo continuo de fluido refrigerante para eliminar el calor del fluido del proceso. En un Plan 23, no hay diferencia de presión entre la cámara de sello y el proceso para crear flujo, pero se usa un dispositivo de aislamiento en la garganta de la cámara de sello para minimizar el intercambio de fluido de proceso entre el proceso caliente en la bomba y el fluido de proceso más frío. en la cámara de sellado.

Sabiendo que cada plan de tuberías tiene diferentes requisitos operativos, es importante revisar cómo cada plan afecta el sistema de bombeo y sus costos operativos asociados. Los costos a corto plazo a menudo se ven fácilmente en los costos de implementar el plan de tuberías e incluyen cosas como el costo de comprar el enfriador del sello, los casquillos de garganta, las modificaciones del sello mecánico y la mano de obra para la instalación. Los costos a largo plazo no siempre son fáciles de ver, ya que normalmente son requisitos de energía. Se consume mucha energía en los sistemas de calderas que mantienen el agua de proceso a las temperaturas de funcionamiento. La absorción de calor es un costo operativo a largo plazo que se refiere a la energía consumida para superar las pérdidas térmicas del sistema y mantener su temperatura operativa.

El Plan 21 en la aplicación de bomba de alimentación de caldera de ejemplo tiene un flujo continuo de agua caliente que se extrae de la descarga de la bomba, se enfría en un enfriador de sello y luego se inyecta nuevamente en el proceso. El agua de refrigeración necesaria para operar el plan de tuberías es un costo operativo directo a largo plazo. El costo operativo oculto es el calor absorbido por la descarga enfriada que se inyecta en el proceso. El análisis de un Plan 21 (y todos los demás planes de tuberías revisados) en el estimador de costo del ciclo de vida (LCC) de la Fluid Sealing Association calcula que el costo anual del agua de refrigeración (directo) es de $800, mientras que el costo anual total para operar el Plan 21 es de $24,640. . El costo anual total representa los 86,3 kilovatios (kW) de energía necesarios para superar las pérdidas por absorción de calor.

Un Plan 23 hace circular agua de proceso en un circuito entre el enfriador del sello y la cámara del sello. Utilizando el mismo enfriador de sello y caudal de agua de refrigeración que el Plan 21, los costos anuales del agua de refrigeración para el Plan 23 son de $800. Sin embargo, debido a que hay una mínima mezcla de agua de proceso caliente en la cámara de sellado, los requisitos de energía de absorción de calor son notablemente menores que los del Plan 21: 4,4 kW frente a 86,3 kW. Esta baja absorción de calor reduce el costo anual total para operar el Plan 23 a $2,170, una reducción del 91% del costo para operar el Plan 21.

Inyectar el flujo externo de agua fría del Plan 32 en la cámara de sellado de la misma aplicación de bomba de alimentación de caldera tiene el costo directo más bajo para el consumo de agua fría: $537. Este costo es menor porque el flujo de agua fría se inyecta directamente en la cámara del sello y requiere un caudal menor para proporcionar un enfriamiento adecuado que el agua de refrigeración que fluye a través del enfriador del sello tanto en el Plan 21 como en el Plan 23. La inyección directa de agua fría en la cámara de sellado requiere 42 kW de potencia para compensar la absorción de calor y representa un costo anual total de $12,213. Este costo operativo es la mitad que el del Plan 21, pero más de cinco veces el del Plan 23. Estos cálculos de costos suponen que la fuente de descarga del Plan 32 tiene una presión suficiente por encima de la presión del proceso.

La comparación de los costos anuales totales calculados en el Estimador LCC de la Fluid Sealing Association de los tres planes de lavado de sellos (Tabla 1) muestra que el Plan 23 es el plan de lavado menos costoso de operar debido a que es el más eficiente térmicamente con la menor absorción de calor. El Plan 23 tiene limitaciones físicas y algunas bombas no tienen el espacio axial o radial para acomodar el casquillo de garganta de la cámara de sellado y el dispositivo de bombeo necesarios para que este plan de lavado funcione de manera efectiva.

El Plan 21 es el plan de descarga menos eficiente térmicamente, lo que lo convierte en el más costoso de operar, pero solo requiere un casquillo de garganta de la cámara de sellado y no requiere que se agreguen modificadores de flujo al sello mecánico. Esto hace que el Plan 21 sea una opción en bombas donde es posible que no quepa un Plan 23. El Plan 32, como se analiza en este ejemplo, es el plan de lavado con costo operativo medio y, al igual que el Plan 21, solo requiere un casquillo en la garganta de la cámara de sellado, lo que le permite caber en la mayoría de las bombas. Tenga en cuenta que los cálculos del Plan 32 suponen que el suministro de descarga externo tiene una presión suficiente que no requiere el costo adicional de operar una bomba para aumentar la presión de suministro del Plan 32.

Cuando se trabaja con un proveedor de sellos para seleccionar la mejor solución de sellado para una aplicación, lo mejor es revisar no solo las condiciones normales de funcionamiento de la aplicación, sino que también debe incluir la aplicación relevante de las condiciones, las pautas locales de la planta, los requisitos gubernamentales sobre emisiones y los recursos disponibles de la planta. requerido para diferentes planes de tuberías de soporte de sello. Conocer todos los recursos disponibles para respaldar la solución de sellado permitirá una mejor revisión de las posibles soluciones, lo que conducirá a una solución de sellado eficiente que funcionará de manera confiable durante toda su vida útil.

Le invitamos a recibir sugerencias sobre temas de artículos, así como preguntas sobre cuestiones de sellado, para que podamos responder mejor a las necesidades de la industria. Dirija sus sugerencias y preguntas a [email protected].

Glenn Owens Jr. es un especialista en ingeniería en Flowserve, responsable de la aplicación y desarrollo de sellos mecánicos para bombas y otros equipos rotativos. Ha desempeñado diversos roles técnicos dentro de Flowserve durante más de 15 años y tiene una Licenciatura en Ingeniería de la Western Michigan University.