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Las modernas plantas desalinizadoras de ósmosis inversa operan con una alta capacidad de carga base y, por lo tanto, la confiabilidad mecánica y la eficiencia de las bombas de alimentación de membrana de alta presión merecen una consideración minuciosa. Las pérdidas de producción debido a fallas mecánicas o un mayor consumo de energía debido a una menor eficiencia hidráulica pueden ser factores significativos en los costos operativos de la planta. Miguel Ángel Rivas, gerente de cartera de productos de Sulzer Pumps, analiza las opciones disponibles.

En las primeras fases del proyecto de Ashkelon, Sulzer Pumps se comprometió a desarrollar una gama de bombas diseñada para optimizar costes y dedicada a aplicaciones de alimentación de alta presión a ósmosis inversa de agua de mar (SWRO) para plantas medianas y grandes. Sulzer Pumps Engineering analizó tanto la aplicación en sí como cuáles serían las tendencias futuras en el mercado. El enfoque fue construir una gama de bombas capaces de cumplir con las siguientes características principales:

• Capaz de manejar líquidos fríos (agua de mar) en un rango de caudales de alimentación entre 600 y 3000 m3/h

• Alturas diferenciales entre 550 a 740 m

• Potencia de entrada entre 1.000 y 6.000 kW

• Presión de diseño de aproximadamente 100 bar

• Altamente eficiente y con confiabilidad mecánica comprobada en campo

El trabajo de diseño se ejecutó en estrecha colaboración con algunos de los contratistas de ingeniería más establecidos en el campo de la construcción de plantas SWRO. Estos nuevos desarrollos contribuyeron al desarrollo de diseños de plantas ya la mejora de la eficiencia, confiabilidad y disponibilidad de las bombas de alimentación de alta presión (HP).

Potencialmente, existen dos conceptos de diseño aplicables a las bombas de etapas múltiples utilizadas para tareas de alimentación de alta presión en aplicaciones SWRO. En primer lugar, el diseño de carcasa dividida axialmente de tipo voluta con un solo límite de presión y, en segundo lugar, el diseño de carcasa de anillo segmentado de tipo difusor con un límite de presión múltiple. En la fase de desarrollo inicial, se consideraron ambos diseños para desarrollar las bombas multietapa necesarias para el rango de condiciones de operación mencionado anteriormente en servicios de alimentación de alta presión. Finalmente, se tomó la decisión de concentrar los esfuerzos de ingeniería en la construcción tipo voluta dividida axialmente, ya que era la solución más adecuada.

En un segundo paso, la gama actual de bombas de carcasa de anillo segmentado de tipo difusor se amplió para cubrir flujos de alimentación de hasta 900 m3/h para proporcionar una alternativa prediseñada para instalaciones de tamaño medio.

Basado en la gama MSD de Sulzer, que se utiliza para servir a las industrias de procesamiento de hidrocarburos y petróleo y gas, el rediseño del MSD para ósmosis inversa se llevó a cabo utilizando los siguientes principios: carcasa dividida axialmente con impulsores opuestos, doble voluta, montaje en la línea central y de servicio pesado entre la construcción de rodamientos.

• Dividido axialmente para un solo límite de presión, carcasa de servicio pesado con soporte en la línea central con la capacidad de absorber fuerzas y momentos de la tubería colocada en las boquillas (de acuerdo con API 610) con transmisión adecuada de ellos a la base, además de fácil mantenimiento con fácil acceso a las piezas giratorias

• Impulsores opuestos para el equilibrio hidráulico axial del rotor y el buje de equilibrio central para brindar estabilidad dinámica al rotor y un alto grado de amortiguación de las velocidades críticas, incluso cuando las piezas están desgastadas

• Doble voluta para el equilibrio radial del rotor, que ofrece una eficiencia alta y sostenida

• Construcción resistente entre rodamientos para evitar que el rotor entre en contacto con las piezas de desgaste estacionarias durante el proceso de arranque o debido a transitorios de flujo.

Como complemento a estas características de diseño principales descritas anteriormente, los desarrollos hidráulicos más recientes de Sulzer Pumps se adaptaron al MSD:

• Velocidad específica optimizada (nq): nq = 34 para una eficiencia óptima en la mayoría de los tamaños de bomba; también son posibles otros sistemas hidráulicos nq

• Divisores de flujo en la entrada del impulsor para evitar la recirculación del flujo interno y proporcionar una alta eficiencia, incluso con diámetros recortados

• Pasos hidráulicos suaves y anchos: cruce entre etapas generosamente dimensionado especialmente diseñado para minimizar las pérdidas hidráulicas

• La primera etapa de doble aspiración es estándar en los tamaños mayores (12 in y 14 in) y opcional en el resto (8 in y 10 in); esta es una condición previa requerida en algunos de los países de 60 Hz; se presentan paletas escalonadas para pulsaciones de baja presión y niveles de vibración de la bomba

• Distancia entre la salida del impulsor y el labio de la voluta optimizada para reducir las pulsaciones de presión y los niveles de vibración de la bomba

• La eficiencia duradera durante la vida útil de la bomba se logra principalmente mediante mejoras hidráulicas, no simplemente ajustando las holguras

• Vida útil del impulsor de 40 000 horas garantizada con una cobertura adecuada del margen NPSHa/NPSHr del 3 %

• El diseño mecánico fue muy importante y se introdujeron muchas mejoras que nos permitieron lograr nuestra optimización objetivo. Las carcasas de las bombas y los impulsores se fundieron en acero súper dúplex, ya que este es un estándar ASTM A 890 GR 1C (3843).

Para los tamaños más pequeños, 8 in y 10 in, se configuraron los siguientes criterios:

• La posición axial fija del rotor mediante cojinetes axiales de bolas de dos filas y radiales de manguito es estándar; Los cojinetes axiales de la almohadilla basculante son opcionales. El rodamiento permite monitorear la temperatura y la vibración.

• La lubricación del anillo de aceite es estándar; Está disponible la refrigeración por aire para los cojinetes DE y NDE para evitar la posible corrosión de los enfriadores de aceite.

• La lubricación con aceite de alimentación forzada es una opción.

Para los tamaños más grandes, 12 y 14 pulgadas, se optó por la siguiente configuración:

• La posición axial fija del rotor mediante cojinetes axiales radiales de manguito y almohadilla basculante es estándar. El rodamiento permite monitorear la temperatura y la vibración.

• La lubricación con aceite de alimentación forzada es estándar y el enfriador del sistema de aceite lubricante se puede enfriar con aire o con agua.

Se eligieron piezas de desgaste estacionarias hechas de materiales compuestos para ajustar las holguras. Las piezas de desgaste giratorias son integrales con los impulsores para evitar que se aflojen. Los anillos de desgaste estacionarios funcionan solo como piezas de desgaste, no como cojinetes hidrodinámicos. Las bombas cuentan con cojinetes externos adecuados para evitar la pérdida de su rendimiento mecánico si penetra arena en la bomba desde los filtros de entrada. Un diseño de impulsor opuesto de cuatro etapas simple pero probado para los tamaños más pequeños y un diseño de impulsor opuesto de dos etapas para los tamaños más grandes con un rendimiento hidráulico mejorado es la clave para las aplicaciones de alimentación de alta presión. Miles de bombas MSD de Sulzer han demostrado su diseño mecánico y durabilidad con millones de horas de funcionamiento en el campo.

Actualmente, hay cuatro tamaños disponibles de MSD dedicados a aplicaciones de ósmosis inversa, con bridas de descarga de 8, 10, 12 y 14 pulgadas respectivamente para cubrir el rango de caudales de alimentación entre 600 y 3000 m3/h. Usando básicamente el mismo tipo de perfil hidráulico (nq = 34), el número de etapas puede variar de cuatro en los tamaños más pequeños (8 y 10 pulgadas) a dos en los tamaños más grandes (12 y 14 pulgadas). Desde que estas bombas se introdujeron en el mercado, han podido batir todos los récords anteriores de operación eficiente y confiable en aplicaciones SWRO de alimentación HP. Se han utilizado como bombas dedicadas tanto en arreglos de un solo bastidor de membranas como alimentando el centro de presión para múltiples bastidores de membranas en paralelo. Ocho de las MSD-D/2 tamaños 14 × 14 × 19A suministradas a Ashkelon SWRO en 2003 siguen siendo las bombas con el caudal más alto (2500 m3/h cada una) y el motor más potente (5300 kW) en funcionamiento en el mundo de Aplicaciones de alimentación HP.

Sulzer Pumps es socio de SWRO Contractors desde la etapa inicial de un proyecto para desarrollar la solución más adecuada para la aplicación de alimentación HP, seleccionando la configuración de bombeo óptima para reducir la cantidad de bombas en funcionamiento, con un mantenimiento mínimo y el mejor ajuste hidráulico para alcanzar la mayor eficiencia posible.