Minderung des Risikos von Flüssigkeitseinschlüssen in Ammoniak-Umwälzpumpensystemen

Von Kushal Aurangabadkar

In industriellen Ammoniak-Kälteanlagen spielen Pumpen eine entscheidende Rolle bei der Umwälzung von flüssigem Ammoniak, um die Kälteleistung an Verdampfern und Wärmeübertragern aufrechtzuerhalten. Die Wahl des Pumpentyps wirkt sich unmittelbar auf die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Wartungsanforderungen des Systems aus. Zu den gängigsten Optionen gehören konventionelle Pumpen mit Gleitringdichtung und abgedichtete, hermetische Pumpen. Das Verständnis ihrer Unterschiede hilft Fachleuten der Kältetechnik, die richtige Technologie für ihre Anlage auszuwählen. Diese Pumpen, die zur Redundanz häufig parallel installiert werden, bilden das Rückgrat industrieller Kühlhäuser und Lebensmittelverarbeitungsbetriebe.

Während ihre Bedeutung für die Prozesskontinuität weithin bekannt ist, besteht eine weniger offensichtliche, aber kritische Gefahr: der Einschluss von Flüssigkeit im Pumpengehäuse, wenn Saug- und Druckventile geschlossen sind. Wird dieser Zustand nicht berücksichtigt, kann er zu einem gefährlichen hydrostatischen Überdruck führen und damit sowohl ein Sicherheitsrisiko als auch einen Verstoß gegen Vorschriften darstellen. Dieser Artikel vergleicht zwei gängige Rohrleitungsanordnungen für Pumpen, die konventionelle Ausführung der Pumpenverrohrung und die Ausführung der Verrohrung für hermetische Pumpen, wobei der Schwerpunkt auf ihren Auswirkungen auf Flüssigkeitseinschlüsse und die Prozesssicherheit liegt.

Konventionelle Ammoniakpumpen

Konventionelle Pumpen sind so konstruiert und werden so betrieben, dass eine mechanische Wellendichtung zum Einsatz kommt, wobei die Welle das Pumpengehäuse durchdringt, um die Verbindung zum Motor herzustellen. Die Dichtung verhindert das Austreten von Ammoniak und ermöglicht gleichzeitig die Rotation der Welle mit hoher Drehzahl. Die Pumpen sind in der Regel in Blockbauweise oder auf einer Grundplatte montiert und müssen geschmiert werden, um eine lange Lebensdauer der Dichtung sicherzustellen. Der große Vorteil dieser konventionellen Pumpen besteht darin, dass es sich um eine bewährte, langjährig erprobte Konstruktion handelt, die in der Branche weit verbreitet ist. Ersatzteile und Wartungsfachwissen sind leicht verfügbar. Diese Pumpen bieten zudem niedrigere Anschaffungskosten als hermetische Ausführungen sowie Flexibilität bei der Auswahl und beim Austausch des Motors. Zu den allgemein bekannten Problemen gehört, dass die Gleitringdichtung eine Verschleißstelle und eine potenzielle Quelle für Ammoniakleckagen darstellt. Außerdem erfordern die Pumpen eine regelmäßige Überwachung des Dichtungszustands, der Schmierung und der Schwingungen. Diese Pumpen erfordern darüber hinaus eine regelmäßige Wartung und können zu ungeplanten Stillstandszeiten führen. Bei einem Dichtungsversagen besteht das Risiko einer möglichen Ammoniakfreisetzung im Bereich der Dichtflächen.

Abgedichtete, hermetische Ammoniakpumpen

Bei hermetischen Pumpen sind Motor und Pumpe in einem gemeinsamen verschweißten Gehäuse untergebracht. Der Motor arbeitet in flüssiges Ammoniak eingetaucht, ohne externe Welle oder Gleitringdichtung. Kühlung und Schmierung erfolgen direkt durch das geförderte Kältemittel. Der größte Vorteil dieser hermetischen Pumpen besteht darin, dass keine Wellendichtungen vorhanden sind, wodurch das Risiko von Dichtungsleckagen praktisch ausgeschlossen wird.  Hermetisch abgedichtete Pumpen bieten durch einen geringeren Wartungsaufwand und einen minimalen Ersatzteilbedarf langfristige Kosteneffizienz, während ihre kompakte Bauweise die Anlagenplanung verbessert und die Sicherheit erhöht, indem sie die Risiken mechanischer Ausfälle minimiert. Zu den Herausforderungen zählen die im Vergleich zu konventionellen Pumpen höheren Anschaffungskosten. Für Reparaturen ist spezialisiertes Wartungsfachwissen erforderlich, häufig müssen die Pumpen an das Werk zurückgesandt werden. Bei einem Motorausfall muss möglicherweise die gesamte Einheit ausgetauscht werden, anstatt lediglich die Dichtung zu reparieren. Im Vergleich zur konventionellen Konstruktion besteht potenziell weniger Flexibilität hinsichtlich der Motoroptionen und Verfügbarkeit.

Abbildung 1: Hermetische Ammoniakpumpe

Eines der wiederkehrenden Probleme, die ich bei konventionellen Gleitringdichtungspumpen zur Umwälzung von Ammoniak zu unseren Schockfrostern erlebte, waren Dichtungsausfälle. Die Gleitringdichtungen neigen aufgrund von Druckschwankungen und Schwingungen im Rohrleitungsnetz zu vorzeitigem Verschleiß, was zu kleinen, aber häufigen Ammoniakleckagen führt. Diese Ausfälle verursachen potenzielle Sicherheitsrisiken und Produktionsstillstände. Ein Sicherheitsrisiko entstand, weil das Bedienpersonal wiederholt auf auslösende Ammoniakdetektoren im Pumpenraum reagieren musste. Stillstandszeiten entstanden, weil bei jedem Dichtungsaustausch ein Teil der Kälteanlage abgeschaltet werden musste, was die für die Produktion erforderliche Kühlung beeinträchtigte und zu ungeplanten Stillständen führte.

Durch den Austausch der konventionellen Pumpen gegen hermetisch abgedichtete Pumpen erreichte die Anlage Folgendes:

• Keine Wellendichtungsleckagen mehr, wodurch die Sicherheit des Bedienpersonals verbessert wurde.
• Geringere Stillstandszeiten, keine wiederkehrende Dichtungswartung mehr, wodurch Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Froster verbessert wurden.
• Verbesserte Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, erhebliche Verringerung der Meldungen von Ammoniakleckagen.
• Einsparungen bei den Lebenszykluskosten, obwohl die hermetischen Pumpen anfangs teurer waren, amortisierten sie sich innerhalb von zwei Jahren durch die Verringerung des Wartungsaufwands und ungeplanter Stillstandszeiten.

Diese Änderung markierte einen Wendepunkt im Prozesssicherheitsprogramm des Werks und zeigte, wie Anlagenmodernisierungen PSM, die Einhaltung von Umweltvorschriften und die betriebliche Effizienz unmittelbar unterstützen können. Auf Grundlage der Marktforschung stellen viele Betriebe aufgrund der verstärkten Konzentration auf Sicherheit, Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitsziele auf hermetische Pumpen um. Konventionelle Pumpen sind jedoch nach wie vor weit verbreitet, insbesondere in älteren Anlagen, in denen Kosten und Vertrautheit die Entscheidungen bestimmen. In geschäftskritischen Betrieben der Lebensmittel- und Getränkeindustrie werden hermetische Pumpen zunehmend bevorzugt, um das Risiko einer Ammoniakfreisetzung zu verringern.

Die Gefahr eingeschlossener Flüssigkeit

Flüssiges Ammoniak ist wie alle Flüssigkeiten praktisch inkompressibel. Wird es in einem geschlossenen Anlagenvolumen eingeschlossen, kann bereits ein geringer Temperaturanstieg einen unverhältnismäßigen Druckanstieg verursachen. Hydrostatischer Ausdehnungseffekt: In einem Pumpengehäuse eingeschlossenes Ammoniak kann bei nur moderaten Temperaturanstiegen Drücke von weit über 1.000 psig erreichen, wenn kein Entlastungsweg vorhanden ist. Ein solches Szenario kann Pumpengehäuse zum Bersten bringen, Rohrleitungen beschädigen und große Mengen Ammoniak in die Umgebung freisetzen, was zu einem schwerwiegenden Sicherheitsvorfall und Verstoß gegen Vorschriften führen kann. Daher ist die Vermeidung von Flüssigkeitseinschlüssen in Pumpensystemen nicht nur gute Ingenieurpraxis.

Konventionelle Ausführung der Pumpenverrohrung

Traditionell wurden Pumpengehäuse mit manuellen Entlüftungsleitungen ausgestattet, die zurück zum Abscheider führen. Der Hauptzweck dieser Entlüftungen liegt in der Inbetriebnahme, da sie es dem Bedienpersonal ermöglichen, Dampf auszuspülen und sicherzustellen, dass die Pumpe vollständig mit flüssigem Ammoniak gefüllt ist. Im Normalbetrieb sind diese Entlüftungen üblicherweise geschlossen. Wenn auch die saug- und druckseitigen Absperrventile geschlossen sind, wird das Pumpengehäuse zu einem vollständig eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen. Damit diese Ausführung die Anforderungen von RAGAGEP und OSHA PSM erfüllt, erfordert sie entweder strenge Betriebsdisziplin, wobei die Entlüftung vor dem Abschalten geöffnet wird, oder den Einbau eines speziellen hydrostatischen Sicherheitsventils.

Abbildung 2: Konventionelle Verrohrung einer Ammoniakpumpe

Ausführung der Verrohrung für hermetische Pumpen

Hermetische Umwälzpumpen oder Spaltrohrmotorpumpen verwenden Kühlungsrücklaufleitungen.  Sie sorgen für den Kühlstrom zu den Pumpenmotoren und Lagern. Außerdem dienen sie als kontinuierlicher Entlüftungsweg vom Pumpengehäuse zurück zur Nasssaugsammelleitung. Da diese Rücklaufleitungen normalerweise geöffnet und nicht von Bedienereingriffen abhängig sind, verhindern sie von Natur aus, dass das Pumpengehäuse zu einem eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen wird. Aus PSM-Sicht ist die Ausführung mit Kühlungsrücklauf dadurch robuster, weil sie separate hydrostatische Sicherheitseinrichtungen überflüssig macht und die Abhängigkeit von menschlichem Handeln verringert.

Abbildung 3: Hermetische Ammoniakpumpe mit Kühlungsentlüftungsleitung

Vergleichende Analyse

Bewährte Verfahren für Betriebe

• Bestehende Pumpenausführungen bewerten: Ermitteln Sie Systeme mit ausschließlich einer Entlüftung und prüfen Sie, ob hydrostatische Sicherheitsventile installiert sind.

• Schulung des Bedienpersonals: Betonen Sie bei konventionellen Ausführungen die Bedeutung der Entlüftung vor dem Abschalten der Pumpe.

• Modernisierungspfad: Erwägen Sie, sofern möglich, die Umstellung auf hermetische Pumpen, die einen integrierten Schutz gegen Flüssigkeitseinschlüsse bieten.

• Kühlungsrückläufe niemals absperren: Stellen Sie bei Systemen mit Kühlungsrücklaufleitungen sicher, dass die Verfahrensanweisungen das Schließen dieser Leitungen unter allen Umständen verbieten.

Fazit

Sowohl konventionelle als auch hermetische Ammoniakpumpen haben ihren Platz in der Industriekälte. Während konventionelle Pumpen bewährte Zuverlässigkeit und niedrigere Anschaffungskosten bieten, erfordern sie eine fortlaufende Überwachung der Dichtungen und weisen ein höheres Leckagerisiko auf. Hermetische Pumpen sind zwar in der Anschaffung teurer, erhöhen jedoch die Sicherheit, reduzieren Emissionen und vereinfachen die Wartung. Im praktischen Betrieb hat die Umstellung von konventionellen auf hermetische Pumpen kritische Probleme gelöst, indem Ammoniakleckagen minimiert, die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften sichergestellt und die Anlagenverfügbarkeit verbessert wurden.

Die Entwicklung von der konventionellen Ausführung der Pumpenverrohrung hin zur Ausführung für hermetische Pumpen stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Sicherheit von Ammoniak-Kälteanlagen dar. Zwar dienen beide Ausführungen dazu, die Pumpen mit Flüssigkeit gefüllt zu halten, doch nur die Konfiguration mit Kühlungsrücklauf bietet einen kontinuierlichen Schutz gegen Flüssigkeitseinschlüsse und hydrostatischen Überdruck.  Aus Sicht des Process Safety Management ist die Ausführung mit Kühlungsrücklauf von Natur aus sicherer, weniger vom Bedienpersonal abhängig und entspricht eher modernem RAGAGEP. Betriebe mit Ammoniak-Kälteanlagen können das Risiko katastrophaler Pumpenausfälle erheblich verringern und langfristige Effizienzsteigerungen erzielen, indem sie diesen Unterschied erkennen und bewährte Verfahren anwenden.

Autor

Kushal Aurangabadkar
Cargill Inc
Engineering Manager

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