Для компаний, которые стремятся к использованию возобновляемых и экологически безопасных ресурсов в соответствии с современными требованиями, крайне важно хорошо ориентироваться в самых лучших доступных технологиях. Прежде, чем двигаться в этом направлении и рассмотреть применение подобных технологий, такие компании должны оценить соотношение своих затрат и выгоды.
Соответственно, компетентные руководители компаний также принимают во внимание свои предположения относительно изменений спроса и требований рынка. Ясно, что проекты, приносящие большую выгоду, как с точки зрения конкурентного рынка, так и защиты окружающей природы, хотя и являются наиболее приоритетными для руководителей, сопряжены с рядом сложностей. Однако здесь может помочь основательный анализ рынка. Также свою лепту вносят опытные, надежные и компетентные поставщики технологий, которые помогают концентрироваться на определенных аспектах и зачастую ускоряют процесс принятия решений. Показательным примером может служить уплотнение технологических насосов, о котором пойдет речь далее.
Предположим, пивоварня или другой крупный производитель напитков слишком поздно обнаруживает, что его конкурент нашел способ сократить потребление воды, а его чистая прибыль при этом только увеличивается. В этом случае, производитель, который не торопился внедрять у себя те же самые методы, которыми пользуются его более успешные конкуренты, дорого заплатит за свое промедление.
В настоящей статье рассказывается о том, как прозорливые производители напитков используют проверенные подходы к управлению водоснабжением, которые продлевают срок службы насосов, сокращают потребление воды и значительно повышают прибыльность предприятий. Точные данные в данной статье были предоставлены Круглым столом по вопросам охраны окружающей среды в сфере производства напитков (BIER), чей вклад оказался очень ценным.
Данные Круглого стола по вопросам охраны окружающей среды в сфере производства напитков
Охрана и рациональное использование водных ресурсов — это важнейший аспект программ по обеспечению экологической безопасности. Не так давно, BIER опубликовал ежегодный анализ рынка, в котором раскрываются последние тенденции и наблюдения. В течение 10 лет в исследовании проводился сравнительный анализ производства, водопотребления, энергопотребления и выбросов более, чем на 1600 объектах по всему миру.
Основным показателем является коэффициент водопотребления (л/л), то есть общий объем использованной воды на единицу готовой продукции. В отчете BIER от января 2019 года были представлены данные от 453 пивоварен, 83% из которых специализируются исключительно на производстве пива. Коэффициент водопотребления всех предприятий составил 3,35 л/л, а занимающихся только производством пива — 3,39 л/л. В целом, коэффициент водопотребления в среднем улучшается на 9% с каждым годом, если брать период с 2017 по 2019 год (рисунок 1).
Рисунок 1. Данные от Круглого стола BIER 2019 года (изображение предоставлено авторами статьи)
Передовое уплотнение для технологических насосов
В насосах, используемых в процессе пивоварения, применяются торцевые уплотнения, классифицируемые либо как одинарные (рисунок 2 — план промывки API 03 Американского института нефти), либо как двойные торцевые уплотнения (рисунок 3 — патронное двойное торцевое уплотнение, план промывки API 54). От 20% до 30% всех насосов, используемых в пивоварении, оснащены двойным уплотнением для операций перекачивания, скажем, горячего сусла, затора из котла и смешанного материала, как и насосы, имеющие возможность безразборной очистки. Любому уплотнению требуется тонкая водная пленка или газ, чтобы предотвратить контакт поверхностей и перегрев уплотнения. Однако, помимо тех 9% ежегодных улучшений в отношении коэффициента водопотребления, можно добиться снижения этого коэффициента еще на 10%, если модифицировать и модернизировать традиционно используемые схемы трубной обвязки торцевых уплотнений всего в 25 из множества насосов, которые работают на пивоварне.
Рисунок 2. Одинарное торцевое уплотнение. План промывки API 03
Рисунок 3. Патронное двойное торцевое уплотнение. План промывки API 54
Рисунок 4. Двойное уплотнение; план промывки API 55, представленный здесь с передовым двунаправленным комбинированным насосным устройством для повышения эффективности насоса (рисунки 4-6 предоставлены компанией AESSEAL, Inc.).
Двойные уплотнения не могут функционировать без вторичной жидкости, действующей в качестве смазывающей буферной или барьерной жидкости для разделения поверхностей жидкостной пленки и охлаждения. В плане API 55 используется двойное уплотнение при расходе 1,5 галлонов/мин для обеспечения буферной жидкости из чистой воды между внутренней и внешней поверхностями уплотнения (рисунок 4). Однако, в то время как в плане 55 указывается слив буферной воды, устранение потока к сливу всего на 25 насосах снижает коэффициент водопотребления примерно на 10%, согласно усредненным данным, полученным в ходе исследования BIER.
Соответственно, стратегия по снижению коэффициента водопотребления должна включать систему регулирования воды, а не план API 55, представленный на рисунке 4. Системы регулирования воды (рисунок 5) представляют собой модифицированный план API 53-A: это замкнутые системы, в которых не требуется вмешательство оператора для обслуживания буферной емкости. Чистая вода изолируется системой обвязки уплотнения и рециркулирует с помощью индуктора внутреннего потока и/или посредством тепловой конвекции. Это означает, что вода из городского водопровода не сливается в канализацию, более того, среднее время наработки на отказ увеличивается, поскольку каждый насос регулируется отдельно. Оптимальное давление барьерной жидкости выбирают так, чтобы обеспечить постоянное наличие чистой жидкостной пленки между всеми поверхностями уплотнения.
Рисунок 5. Система регулирования уплотняющей воды.
Оптимизация давления технологической жидкости необходима, поскольку затор и сусло достаточно абразивны. Внутренние поверхности уплотнения с высокой точностью притираются с плоскостностью 1 HBL (гелиевая световая полоса), а внутренняя поверхность уплотнения вращается относительно неподвижной поверхности. Торцевое уплотнение оснащено поджатыми пружинами, и гидравлические силы закрытия при правильно рассчитанном давлении уплотнения, деленном на среднюю скорость (соотношение давление/скорость), будут создавать тонкую пленку жидкости. Если буферная водопроводная вода подается при давлении ниже, чем давление технологической среды, абразивная технологическая жидкость, скорее всего, будет проникать и образовывать жидкостную пленку.
Это означает, что технологическая жидкость со временем перекрестно загрязняет вторичную буферную воду, поэтому ее нельзя повторно использовать в контуре уплотняющей воды, и вместо этого она сбрасывается в канализацию. Однако при повышении давления воды вторичного уплотнения чистая водопроводная вода превращается в пленку жидкости, увеличивая срок торцевого уплотнения. Для этого требуется, чтобы в каждом насосе и в разных областях применения давление повышалось по-разному. Возможность индивидуального повышения давления — это основное отличие между планами API 55 и API 54.
Специалисты, занимающиеся очисткой и техническим обслуживанием, указывают на целесообразность выбора простых в очистке материалов и компонентов. Хорошо зарекомендовавшая себя конструкция с уплотнением показана на рисунке 5. Быстросъемный зажим позволяет легко открывать, осматривать, чистить и закрывать сосуд.
Поправки к действующим отраслевым стандартам
Чтобы добиться 10% снижения коэффициента водопотребления, знающие специалисты на пивоварнях внесли поправки/добавления в действующие отраслевые стандарты на оборудование. Поправки содержат следующее:
- Система обвязки торцевых уплотнений должна поставляться как предварительно разработанная система под ключ: в нее должны входить все приборы и арматура, необходимая для установки на месте эксплуатации.
- Емкость резервуара должна составлять минимум 10 л (2,64 галлона) и соответствовать требованиям стандарта Американского общества инженеров-механиков (ASME, раздел VIII, часть 1) и Директиве о безопасности оборудования, работающего под давлением (PED). Смачиваемые поверхности должны иметь заполняющий слой многослойного сварного шва.
- Для снятия нижней части резервуара для очистки и осмотра следует использовать быстросъемные зажимы. Это обеспечит более эффективный контроль за соблюдением жестких стандартов чистоты и поддержанием качества продукции.
- Устройство должно быть самозаполняющимся и иметь быстроразъемные соединения для удобства проверки и очистки.
- Должен быть установлен индикатор расхода для визуального контроля целостности внутренних поверхностей уплотнения.
- Система должна подавать барьерную жидкость при давлении не менее 15 фунтов/дюйм2 изб./103 кПа, превышающем рабочее давление в сальниковой коробке насоса; средства регулирования должны располагаться в буферной емкости.
- В системе уплотнений должна выполняться проточная фильтрация водопроводной/технической уплотняющей воды со степенью очистки до 1 мкм. Должны быть установлены внутренний стояк на подающей линии, трехходовой клапан на обратной линии и перепускной клапан на дне резервуара для очистки системы от загрязнений после первоначальной установки и в течение всего срока службы.
- Документация, входящая в начальный пакет поставки, должна включать отчет о тепловыделении каждой установки. В отчете должны быть описаны условия эксплуатации для предполагаемого диаметра вала, скорости, давления рабочей среды/барьерной жидкости, температуры и потока. Данные должны содержать входные данные для оценки теплового равновесия и для расчета тепла, выделяемого конкретным уплотнением, поставляемым в каждом конкретном случае.
В заключение, коэффициент водопотребления — важный показатель в отрасли производства напитков. Использование плана трубной обвязки API может обеспечить улучшение на 10% всего на 25 насосах. Согласно исследованию BIER, с 2015 по 2017 годы для данной отрасли среднегодовое снижение коэффициента водопотребления составило 9%, что, предположительно, обусловлено применением различных стратегий улучшения. Коэффициент водопотребления можно понизить путем модификации плана трубной обвязки API. Практически во всех случаях предполагается быстрая окупаемость. Опытные производители могут помочь пользователям в расчете экономии средств, предполагаемой после внедрения современных систем регулирования воды при производстве напитков.
Хайнц П. Блох начал свою карьеру в 1962 году в качестве регионального специалиста по машинному оборудованию в компании Exxon Chemical в США. Хайнц П. Блох является автором и соавтором более 770 публикаций, в числе которых 22 книги по управлению техникой, анализу и предотвращению отказов, компрессорам, паровым турбинам, насосам, смазке масляным туманом и оптимизированной смазке для промышленного использования. Получил степень бакалавра и магистра в области машиностроения в инженерном колледже Ньюарка.
Питер Руло — генеральный директор компании AESSEAL Inc., уже тридцать лет работает в сфере торцевых уплотнений. В компании AESSEAL работает с 2006 года.
Дополнительная информация представлена на сайте www.aesseal.com.
