Magnetkupplungen für Kohlenwasserstoffpumpen

In einer Raffinerie in Deutschland fand im Rahmen des sogenannten „Total Monomer Concept“ (TMC)-Prozesses ein Umbau des Ethylencrackers und der Neubau einer Olefins Conversion Unit (OCU) zur Steigerung der Ethylen- und Propylenproduktivität statt. Im Zuge dessen bekam EagleBurgmann den Auftrag, für die hermetische Abdichtung von vier mehrstufigen vertikalen Topfpumpen. Diese sind zur Förderung von hochentzündlichen, flüssigen Kohlenwasserstoffen (C2 und C4) eingesetzt.

Für solche Anwendungen bietet der Einsatz einer Magnetkupplung einige Vorteile. Sie hält hermetisch dicht, auf ein externes Versorgungssystem kann verzichtet werden und der Aufwand für Wartung ist aufgrund des verschleißarmen Betriebs äußerst gering. Gleichzeitig bedeutet es aber auch eine große Herausforderung an Technik und eingesetzte Werkstoffe, z.B. für den Spalttopf der Kupplung. Neben hohem Druck, extremen Drehmomenten und hoher Leistung kennzeichnet das hochentzündliche Medium den Einsatz.

Eine zunächst eingesetzte NMB 22P-8R-65-ND2 erwies sich nach kurzer Zeit und nach mehreren Starts als nicht leistungsfähig genug. Die Dichtheit des Systems war jedoch zu jedem Zeitpunkt gegeben.

Die Ursache waren die starken Drehmomente, die während des Anfahrens zu einem Abriss der magnetischen Verbindung zwischen dem rotierenden Aussenrotor (Verbindung zu Motor) und dem synchron rotierenden Innenrotor (Verbindung zu Pumpenlaufrad) führten. Es kommt dabei zu starken Erschütterungen sowie hohen Temperaturen im Spalttopf.

Als Zwischenlösung wurde eine identische Magnetkupplung geliefert, die mit einem Frequenzumformer sanft angefahren wurde, und einwandfrei funktionierte (Startverhalten: 0 … 2.980 min-1 in 60 s).

Um dem Kunden einen Direktstart der Pumpe zu ermöglichen und eine noch effizientere und sicherere Dichtungslösung zu bieten, konstruierte EagleBurgmann Nova Magnetics eine deutlich leistungsfähigere Magnetkupplung, die die Herausforderungen hoher Druck bei gleichzeitig hoher Drehzahl mit hohem Drehmoment ohne Probleme meistert. Um gleichzeitig die Wirbelstromverluste aus Effizienz- und Sicherheitsgründen in Grenzen zu halten, wurde für den Spalttopf statt 1.4571 nun Hastelloy (hohe Festigkeit bei geringer elektrischer Leitfähigkeit) eingesetzt. Durch diese Lösung konnte das Drehmoment um 63 % gesteigert und die Wirbelstromverluste um 35 % gesenkt werden.

Magnetkupplungen haben eindeutige Vorteile gegenüber anderen Dichtsystemen: sie sind hermetisch dicht, wartungsarm und tragen zur Schwingungsdämpfung bei. Um sie auch in Maschinen mit hohen Antriebsleistungen (>75 kW) einsetzen zu können, wurde bei EagleBurgmann Nova Magnetics ein spezieller Spalttopf entwickelt, der auch bei hohen Drücken und Drehzahlen äußerst effizient arbeitet (nur ca. 2 % Wirbelstromerluste gegenüber 10 % bei einem konventionellen Spalttopf). Durch die Segmentierung und elektrische Isolierung der Segmente zueinander entstehen weniger Wirbelströme. Somit steigt die Effizienz, und es können auch große Pumpen sicher und wirtschaftlich abgedichtet und betrieben werden.

Abb.: Gelb = rotierend, blau = stationär, grau = Gehäuse

• Medium: Kohlenwasserstoffe C2 und C4
• Temperatur: -32 °C und +40 °C
• Druck: 65 bar
• Drehzahl: 2.980 min-1
• Antriebsleistung: 315 kW im Direktstart
• Auslegungsdrehmoment: 1.700 Nm
• Dichtungstyp: Magnetkupplung Typ NMB 22P-10R-65-ND2
   
• Spalttopf: Hastelloy, 1.4571, PTFE,
• Innenrotor: 1.4571, Neodym-Eisen-Bor
• Aussenrotor: Kohlenstoffstahl, Neodym-Eisen-Bor