Introduzione
Il polietilene è il polimero più semplice ed è la più comune tra le materie plastiche. È una resina termoplastica solida trasparente (amorfa) o bianca (cristallina) con ottime proprietà isolanti e di stabilità chimica. Molto versatile ed economico il Polietilene ad alta densità (HDPE) è poco ramificato, con forze intermolecolari elevate e maggiore rigidità rispetto al LDPE (polietilene a bassa densità).
È usato come isolante per cavi elettrici, film per l'agricoltura, buste di plastica, contenitori, tubazioni, strato interno di contenitori per alimenti ed altro.
Impianti per HDPE
La produzione viene realizzata in impianti a bassa pressione.
I compressori alternativi utilizzati devono raggiungere una pressione di circa 30 bar, solitamente in 3 fasi con cilindri generalmente non lubrificati.
Un impianto, in esercizio da oltre 40 anni, ha avuto un'evoluzione progressiva per le esigenze di mercato e per migliorare prestazioni e affidabilità.
In passato la compressione è stata realizzata con 3 macchine aventi portate ridotte e con la necessità di tenerne 2 in marcia.
La portata di 2 compressori era però sovrabbondante e quindi occorreva un'adeguata parzializzazione.
Fin dall'inizio erano presenti sistemi di controllo continuo della portata con azionamento sulle valvole, basate sul principio del riflusso.
La disponibilità di un sistema innovativo quale il FluxtoFlow, più semplice e sicuro rispetto al precedente, ha permesso di fare un passo avanti.
FluxtoFlow?
È un sistema elettronico moderno, che, attraverso speciali attuatori elettromeccanici controlla l'esatta posizione dell'otturatore della valvola aspirante durante tutti i cicli di compressione. Basato sul principio del Reverse Flow consente una regolazione continua. La realizzazione impiantistica è semplice e consente di ridurre i tempi di manutenzione. L'attuazione elettromagnetica, capace di raggiungere con l'ultima versione ben 8000 N, è rapida, flessibile e precisa in ogni ciclo, fino a 1200 giri al minuto, con vantaggi notevoli nella fase operativa del controllo (Fig.1).
Mantenendo aperta la valvola aspirante oltre il punto morto inferiore, il gas ritorna indietro. Nell'istante di chiusura della valvola, inizia la compressione della sola quantità di gas necessaria, con conseguente risparmio energetico rispetto agli altri sistemi.
Gli attuatori elettromeccanici sono installati sui coperchi delle valvole d'aspirazione, mentre il quadro elettrico con le unità elettroniche di controllo è situato vicino al compressore. Sensori sono necessari per la misura delle grandezze funzionali.
Il sistema processa i segnali della sala controllo e del compressore per agire correttamente sugli attuatori.
La monitorizzazione del sistema è possibile interfacciandosi direttamente con il quadro elettrico o accedendo al pannello di controllo tramite connessione remota.
Il FluxtoFlow? permette:
- Controllo dell'otturatore in ogni ciclo di compressione, indipendente per ogni valvola, con elevate prestazioni dinamiche
- Variazione della portata (10-100%) con elevato risparmio energetico
- Facile installazione su compressori esistenti, con possibile Remote Monitoring del sistema.
All'interno dell'attuatore è localizzato un sensore per conoscere in ogni istante la posizione delle parti mobili garantendo così un controllo preciso e ripetibile.
Relativamente alla sicurezza, certificazioni ATEX 94/9/EC: II 2G EEx e c T4 ed EMC 2004/108/EC, rispondono alle esigenze dei compressori alternativi.
Applicazioni su macchine esistenti
L'introduzione del sistema sulle macchine in esercizio (Fig.2) da molti anni per la produzione di Polietilene ad alta densità (HDPE), ha comportato uno studio e la discussione con i tecnici dell'impianto per valutare le implicazioni relative alla modifica ed agli aspetti della sicurezza.
L'installazione è avvenuta con grande facilità, anche se su macchina esistente.
Il kit del sistema comprende:
- Valvole di aspirazione adatte ad azionamenti ad alta frequenza con attuatori elettromeccanici.
- Sensore di posizione sul manovellismo
- quadro elettrico di controllo (accanto al compressore)
- Collegamenti elettrici degli attuatori al quadro elettrico
- segnale 4-20 mA da riportare al DCS.
La configurazione del compressore non ha subito variazioni. La trasformazione ha comportato una flangia di adattamento coperchio valvola-attuatore elettromeccanico ed il collegamento dell'attuatore al quadro elettrico.
La macchina, con una portata di 900 m3/h a 460 giri al minuto, comprimeva gas fino a 2,8 MPa, con cilindri a doppio effetto: 2 in prima, 1 in seconda e 1in terza fase.
Le attività di installazione e configurazione sono state realizzate in soli due giorni lavorativi, dato il vantaggio di avere solo connessioni elettriche.
Il sistema funzionava 24 ore al giorno garantendo all'impianto stabilità del processo, risparmio energetico e riduzione delle emissioni.
Dopo l'installazione del FluxtoFlow?, con sensori di pressione e temperatura, sono state verificate le condizioni operative al variare della portata. Le temperature nel plenum della mandata non hanno registrato variazioni sostanziali a vantaggio del risparmio energetico nella compressione.
In tutto il campo operativo c'è stata una buona correlazione tra riduzione della portata e risparmio energetico, in accordo alle aspettative.
Nell'impianto erano presenti due compressori ( di base) di uguale portata ed un altro con portata più piccola.
Normalmente i compressori di base erano entrambi in marcia con una portata equivalente ed una parzializzazione del 70% circa. Quando una macchina necessitava di manutenzione il compressore piccolo entrava in marcia e veniva tenuto al 100% mentre l'altro veniva regolato per adeguarsi alle condizioni di portata richieste.
Up-grading dell'Impianto
La necessità di rispondere alle esigenze di mercato con macchine ancora più efficienti e moderne ha portato all'introduzione di due nuove macchine alternative uguali e sovrabbondanti.
Si tratta di 2 macchine, con cilindri a V, azionate da motore elettrico a 750 giri al minuto ed una potenza di circa 300 kW.
Si è pensato ad una ridondanza in quanto il funzionamento del compressore è un elemento critico per la continuità di marcia e la sicurezza di impianto e viene incontro alle esigenze manutentive del compressore in caso di necessità.
Fin dall'inizio, visti i risultati sulle macchine esistenti, si è pensato di installare il sistema FTF e quindi se ne è tenuto conto con il costruttore già nella fase di progettazione. Ciò ha consentito di controllare le situazioni operative in maniera completa ed efficace durante l'esecuzione dei calcoli di dimensionamento delle varie parti del compressore con beneficio dell'efficienza e della sicurezza.
La portata di ciascuna macchina soddisfa abbondantemente le necessità di produzione ed ha la possibilità di una regolazione step-less come richiesto dal processo. In genere dopo l'avviamento effettuato in by-pass allo 0% il compressore passa rapidamente al 20-30% che è il minimo richiesto durante il transitorio per poi procedere fino alla pressione finale.
Il sistema FTF diventa operativo intorno al 6-10%, della portata nominale mentre la marcia normale comporta una regolazione tra il 50 e il 70%, per far fronte alle necessità del processo di produrre prodotti differenti.
Esperienza
L'installazione su macchine già in esercizio, concordata con i costruttori dei compressori, ha costituito un ammodernamento efficace e sicuro per aumentare flessibilità, prestazioni e affidabilità, con risparmio nei costi operativi (esercizio e manutenzione).
La decisione di installare il FluxtoFlow?, già dalla fase progettuale semplifica la gestione delle condizioni operative e ottimizza il risparmio energetico.
L'esperienza è molto positiva in quanto le attività manutentive sul sistema sono risultate trascurabili e non influenti sulla disponibilità dell'impianto.
Referenze
[1] Giacomelli E., Schiavone M.,Manfrone F., Raggi A., "Design and Performance of Valves for Compressors in LDPE Plants", 2013 ASME Pressure Vessels and Piping Conference, July 14-18, 2013, Paris, France, EU, PVP2013 -97312.
[2] Giacomelli E., Schiavone M., "Cylinder Valve Performance, Service and Diagnostic to Improve Reciprocating Compressors Availability, 2010, Euromaintenance 2010, May 12-14,Verona, Italy.
Manrico Grassi, INEOS Manufacturing Italia Spa
Andrea Raggi, Claudio Vaglini, Enzo Giacomelli
Dott.Ing.Mario Cozzani Srl
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