機器の性能の良し悪しの違いは、細部へのこだわりにある

API(米国石油協会)プランは、最高の運転アップタイムパフォーマンスを達成するためのプロセスシステムのベストプラクティスの取り決めを規定する標準化されたガイドラインです。各APIプランの利点と欠点を理解することは、回転機器とメカニカルシールの寿命を最大限に延ばすために不可欠である。本稿ではAPIプラン23を取り上げます。

APIプラン23は、高温で流体を処理する遠心ポンプのような回転機器によく使用されます。代表的な用途としては、ボイラー供給ポンプや循環ポンプ、熱油ポンプなどがあります。

APIプラン23は、メカニカルシールに流体を供給してシール面を冷却・潤滑し、メカニカルシールとポンプの寿命を向上させるように設計されています。

‍

アピ・プラン23とは何か？

図1- プラン23

図 1 に、典型的な API Plan 23 の構成を示します。

プラン23では、その驚異的な冷却性能により、メカニカルシールの長寿命化を実現しています。

プラン23は、基本的に「クローズド・クーリング・サーキット」システムであり、プロセスポンプの温度と条件をシール面の条件と分離することにより、メカニカルシール面に理想的な環境を作り出します。

このようなシステムには、温度計やフィン付きチューブのような適応、拡張、付加があることは明らかだが、基本的なプラン23のシステムは、基本的に、メカニカルシールの一部であることが多い流体循環装置と、外部熱交換器を採用している。

プラン23のシステムでは、「分離された」プロセス流体が、シールから熱交換器、そしてシールに戻る、実質的に閉ループの回路で循環される。

‍

ここで、エンジニアリングの基本原則を見てみよう。

質問「閉回路システムの熱交換器で流体を効果的に冷却したい場合、大量の流体を冷却しようとするのと、少量の流体を冷却するのでは、どちらがよいのでしょうか？

‍

答え他のすべての条件が同じであれば、閉回路システムの熱交換器を通過する流体の体積が小さければ小さいほど、流体から熱を放散できる熱交換器の効果は高くなります。

‍

これは、小さな流体貯留槽は、大きな流体貯留槽に比べ、任意の時間内に何度も熱交換器を通過するためである。これを図2に示す。

‍

図2-良いプラン23対悪いプラン23

覚えておこう：クールなアザラシの顔＝ハッピーなアザラシの顔。

‍

したがって、プラン23システムの設置を検討する場合、まず考慮しなければならないのは、閉回路プラン23システム内に存在する液体の量である。

では、実際のシール／ポンプ・プラン23の設計例を見てみよう。

API682は、多くの産業分野で使用されている高級メカニカルシール仕様ですが、特に石油・ガスや石油化学処理で使用されています。

API682では、シール面の冷却と潤滑を促進するために、基本的にシール面周辺の流体量を最大化するために、プロセスポンプに大きなシール室領域を定義している。

しかし、この大きな流体量は、特に機器設計者が図3に示すように制限ブシュをシール室の底部に配置した場合、プラン23の用途では不利に働きます。

図3-プラン内の大量の流体 23 閉回路。

図3に示すように、シールチャンバー内のプロセス液の「大きなプール」容積全体が、閉回路システムの一部である！これは大量の流体であるだけでなく、ポンプの高温部分からポンプケーシングを通る熱対流によって、流体が常に過熱されています。これはプラン23の閉回路に不必要な熱を加えることになる。シール面に関する限り、この配置は二重のマイナスです！

このような貧弱な機器設計の結果、シール面はオーバーヒートするか、システムサプライヤーは巨大な「溶岩プール」の流体を処理するためにオーバーサイズの熱交換器を指定しなければならなくなる。これは、システムに不必要なコストと、メカニカルシール面の性能リスクを追加することになる。

図4は、より優れたプラン23のデザインを示している。

図4から、カートリッジメカニカルシールには、シール面のプロセス流体からシール室のプロセス流体を隔離するために、独自の一体型制限ブシュが組み込まれていることがわかります。

まず、メカニカル・シールの「閉回路」内の流体量が、図3に比べて図4の解決策では大幅に少なくなっていることがわかるだろう。

第二に、読者は図4から、メカニカルシール閉回路の周囲を循環するプロセス流体が、プロセスポンプからシールチャンバー流体に作用する熱対流熱から隔離されていることが分かるであろう。

この配置は、メカニカルシールの面、熱交換器の性能、サイズ／コストにとって有益であるだけでなく、図3の配置のように、高温のプロセス流体から常に熱を吸ったり冷やしたりすることがないことを意味する。

図4のメカニカル・シール設計は、細部に注意を払うだけで、全体的なポンプ・システムのエネルギーとコストを大幅に節約することができる。

図4- 計画内の少量の流体 23 閉回路。

エレガントなプラン23のデザインは、環境面でもコスト面でもメリットがあるのか？

図4のプラン23のシール設計により、必要な熱交換器のサイズ／容量が最小化されたため、代替の熱交換器を使用することができる。

経験豊富な読者であれば、従来のプラン23の熱交換器のほとんどが「シェル＆チューブ」設計であるという事実に共感されるであろう。これらの熱交換器は、図4に示すように、熱交換器のケーシングに水を流すことで冷却される。この水は、閉回路リング・メイン・システムから供給されることもあれば、熱交換器からの使用済み水を単にドレンに送ることもある。

世界には、水道水が「硬水」である地域があります。これは、カルシウムやマグネシウムが多く含まれていることを意味し、配管の内面に堆積し、最終的には水の流れやシステムの熱伝達効率を制限することになる。そのため、硬水を使用する前に、水を処理してカルシウムとマグネシウムを除去する工場もある。これは、プラントコストを増加させ、システムをあらゆる面で物理的に不格好にする。

つまり、どのような給水方法であれ、従来のプラン23の熱交換器に水を供給するにはコストがかかるということだ。

さて、図4のエレガントなメカニカル・シールの設計に戻ろう。

熱交換器のサイズ／容量が最小化された今、代替の、おそらく効率は悪いが費用対効果の高い、熱除去ソリューションを検討することができる。

図5のソリューションを見てみよう。

図5-環境に優しいプラン 23 閉回路。