Upgrading di stazioni di pompaggio con motori a giri variabili

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Come il gruppo dell’ingegneria di manutenzione ha individuato dei miglioramenti per oleodotti in Cina. Ne conseguono vantaggi per risparmio energetico, minori attività manutentive, aumento dell’affidabilità delle macchine

Figura 1 - Costruzione oleodotto
Figura 1 - Costruzione oleodotto
Figura 2 - Pompa centrifuga
Figura 2 - Pompa centrifuga
Figura 3 - Stazione di pompaggio
Figura 3 - Stazione di pompaggio

Oleodotti

In Cina sono stati realizzati oleodotti con 10-20 stazioni di pompaggio su ogni linea e 3-6 pompe centrifughe per ogni stazione. In questo caso si considera il “crude oil pipeline transport” da “Daqing oil fields” alle raffinerie del Nord-est della Cina, in esercizio dal 1970 (Fig.1). Le caratteristiche principali di progetto erano:

  • Lunghezza oleodotto 2000 km
  • Diametro tubazione 720 mm
  • Portata 20 milioni di tonnellate di olio all’anno

Le pompe centrifughe sono azionate da motori elettrici tradizionali, con velocità e frequenza costanti. Questa era la soluzione generalmente utilizzata in Cina, specialmente nelle vecchie stazioni.

Quando il flusso di trasporto è stabile, i vantaggi sono evidenti:

  • struttura semplice;
  • facile fabbricazione;
  • affidabilità;
  • basso costo;
  • durevole e alta efficienza;
  • buona prestazione.

L’esperienza di conduzione e manutenzione ha consentito al team di ingegneria della manutenzione di individuare e studiare modifiche migliorative. I dati raccolti sono stati utilizzati per un miglioramento continuo, con il supporto di competenze specifiche per superare i problemi tecnici insorti.

Questo approccio consente in ogni impianto di implementare macchinari e procedure al fine di ottimizzare

  • manutenibilità;
  • affidabilità;
  • economia di esercizio (con particolare
  • riguardo al di risparmio energetico).

ANALISI OPERATIVE

Il progetto iniziale del gasdotto prevedeva pompe azionate da un motore elettrico a velocità fissa e modalità operativa di trasporto in lotti. L’esperienza ha evidenziato che in realtà la portata di trasmissione annuale era mediamente pari al 65% di quella di progetto e, in talune circostanze per alcuni mesi al 50%. A causa della variabilità della viscosità dell’olio, tra un lotto e l’altro era necessario avviare e arrestare la pompa (Fig.2) frequentemente.

Questo causava un potenziale rischio operativo. Il team di ingegneria di manutenzione ha proposto una modifica da implementare sull’impianto esistente, come caso test per analizzare il miglioramento dell’efficienza energetica; la modifica consiste nell’installazione di un sistema di controllo della velocità mediante frequenza variabile per il motore elettrico di azionamento della pompa centrifuga.

Un’analisi accurata ha evidenziato che, con la semplice installazione di un inverter, si potevano ottenere diversi vantaggi che portavano a:

  • ridurre drasticamente i processi di avvio o arresto della pompa con conseguente aumento del MTBM (Mean Time Between Maintenance) e dell’aspettativa di vita della pompa, per cui in definitiva si poteva ottenere una sensibile riduzione dei rischi e dei costi di manutenzione
  • ridurre drasticamente il consumo di energia, che influisce sensibilmente sull’economia della produzione, con sensibile riduzione dei costi di gestione.

Consumo di Energia

Nel sistema di trasporto del gasdotto greggio a lunga distanza, il motore a induzione che aziona la pompadell’olio è l’apparecchiatura che genera il maggior consumo di energia: considerando un funzionamento per circa 6000 ore all’anno, il consumo energetico che ne deriva è di circa 4,4 × 109 kWh. Questo consumo ha un impatto significativo sui costi operativi e quindi è importante, per le compagnie petrolifere, cercare tutte le soluzioni per ridurlo.

Macchine e Controllo Portata

I sistemi di trasporto dell’olio utilizzano principalmente pompe centrifughe.

Il controllo della portata è normalmente eseguito da

  • funzionamento con una o più pompe;
  • regolazione dell’apertura della valvola di uscita su ciascuna pompa (throttling);
  • funzionamento intermittente (con spegnimento della pompa quando la capacità richiesta è stata erogata).

La crescente necessità di affrontare condizioni operative molto variabili haportato a indagare l’opportunità dellasoluzione suddetta. Il controllo mediante throttling richiede minori costi di installazione, ma comporta un notevole spreco di energia. Modificando la velocità del motore, ad esempio (in questo caso variando la frequenza), è possibile ottenere le condizioni di lavoro richieste della pompa in ogni istante mantenendo la massima efficienza.

Inoltre il sistema di controllo a frequenza variabile ha i seguenti vantaggi:

  • ampio campo di regolazione
  • minori guasti per le pompe

Pertanto, il team di ingegneri di manutenzione ha proposto che questo sistema di controllo fosse preso in considerazione per un’indagine per dimostrare e confermare i conseguenti benefici e risultati.

ESECUZIONE DEL PROGETTO

Variable Frequency Equipment

Per un corretto funzionamento dell’impianto, sono stati modificati anche altri dispositivi e strumenti; in particolare si è reso necessario:

  • allestire un apposito locale per i nuovi dispositivi di controllo della frequenza
  • portare il segnale della velocità del motore nella sala di controllo della stazione
  • effettuare il controllo della velocità del motore e dell’apertura della valvola utilizzando il segnale di pressione esistente proveniente dal sistema di controllo della stazione.

Dieci mesi sono stati necessari per l’approvvigionamento del materiale richiesto.

Le attività del sito sono state svolte limitando allo stretto indispensabile l’arresto della stazione di pompaggio.Le maggiori risorse sono state richieste per l’effettuazione delle modifiche e implementazioni alle parti elettriche.

Apportate tutte le modifiche, sono state effettuate campagne di misure per confermare la validità della soluzione. I vantaggi conseguiti hanno aperto la porta all’effettuazione delle stesse modifiche su altri oleodotti per ottenere ulteriore risparmio energetico e di costi operativi, aumentando i ricavi. In particolare 3 pompe sono poi state modificate in diverse stazioni per avere un controllo più flessibile della portata (Fig.3).

COSTI

Energia

Molte applicazioni nel trasporto di petrolio con pipeline sono state realizzate con motore elettrico che aziona le pompe a velocità costante.In questo caso la velocità variabile è stata ottenuta con un sistema di controllo a frequenza variabile ad alta tensione. Le modifiche alla stazione di pompaggio sono state effettuate con le nuove parti elettriche necessarie.

Considerando l’importanza delle nuove applicazioni, il team di manutenzione tecnica insieme ai fornitori dei macchinari, ha definito i metodi per controllare correttamente l’efficacia della nuova sistemazione e conseguire un importante risparmio energetico. L’analisi economica ha evidenziato che dopo l’installazione dell’inverter nel motore di una pompa centrifuga, l’efficienza del sistema di trasporto ènotevolmente migliorata. In particolare, con riferimento ai dati operativi mensili relativi al funzionamento con strozzamento delle valvole di mandata (throttling), a partire dal 2008, questo oleodotto sta ora effettivamente risparmiando 3.820.300 kWh, equivalenti a 1276 tonnellate di carbone standard. Considerando un prezzo medio di vendita di 0,797 Yuan/ kWh il risparmio annuale risulta di 3.045 milioni di Yuan (300.000 €).

Il ritorno dell’investimento avviene quindi in soli due anni e mezzo.

Manutenzione

La strategia di manutenzione dell’impianto era di tipo preventivo e pianificato, comprese, se necessario, alcune situazioni di emergenza o di riparazione.

Sulla base dell’esperienza, disponendo di più macchine nella stessa stazione, ogni macchina veniva tenuta ferma circa quattro mesi l’anno, per attività di manutenzione e ricondizionamento.

Le parti che necessitavano di maggiore attenzione erano quelle coinvolte dall’usura dovuta al contatto col petrolio trasportato, sia nella pompa che sulla tubazione.Vibrazioni e rumore erano problemi addizionali che sorgevano a causa delle severe condizioni operative.

Con l’adozione del sistema di regolazione a velocità variabile, si è eliminata la necessità di frequenti spegnimenti della pompa e quindi l’MTBM è fortemente aumentato, con conseguente aumento della disponibilità dell’impianto. I costi di manutenzione sono stati ridotti anche per effetto di una migliore organizzazione delle attività manutentive e dell’utilizzo di macchine e impianti, con un ulteriore vantaggio economico per l’esercizio finanziario della compagnia di trasporto petrolifero.

CONCLUSIONI

L’intervento della Maintenance Engineering con il supporto delle organizzazioni Operation e Maintenance ha dato un enorme contributo al miglioramento delle stazioni di pompaggio. Si sono conseguiti vantaggi significativi per l’impianto pilota e ciò ha portato alla definizione di soluzioni più vantaggiose da utilizzare per altri oleodotti esistenti.

La trasformazione a frequenza variabile dei motori ad alta tensione ha ottimi risultati per la gestione dei sistemi di trasporto degli oleodotti, portando ad una riduzione dei costi operativi per le compagnie petrolifere e generando benefici economici indiretti, tra cui:

  • minori costi delle parti di ricambio;
  • riduzione del rumore;
  • aumento dell’MTBM e dell’aspettativa di vita delle macchine.

Lin Song, Senior Research Engineer, Petrochina Pipeline Company
Liu Guohao, Senior Research Engineer, Project Team Leader, Petrochina Pipeline Company
Andrea Fusi, R&D Manager, CST Compression Service Technology

Pubblicato il Marzo 12, 2018 - (4463 views)
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