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Les usines modernes de dessalement par osmose inverse fonctionnent avec une capacité de charge de base élevée et, par conséquent, la fiabilité mécanique et l'efficacité des pompes d'alimentation à membrane haute pression méritent une attention particulière. Les pertes de production dues à une défaillance mécanique ou à une consommation d'énergie plus élevée due à une efficacité hydraulique inférieure peuvent être des facteurs importants dans les coûts d'exploitation de l'usine. Miguel Angel Rivas, responsable du portefeuille de produits pour Sulzer Pumps, discute des options disponibles.

Dans les premières phases du projet Ashkelon, Sulzer Pumps s'est engagé à développer une gamme de pompes conçue pour optimiser les coûts et dédiée à l'alimentation haute pression des applications d'osmose inverse d'eau de mer (SWRO) pour les installations moyennes et grandes. Sulzer Pumps Engineering a examiné à la fois l'application elle-même et les futures tendances du marché. La démarche a été de construire une gamme de pompes capables de répondre aux principales caractéristiques suivantes :

• Capable de traiter des liquides froids (eau de mer) dans une gamme de débits d'alimentation entre 600 et 3 000 m3/h

• Chutes différentielles entre 550 et 740 m

• Puissance absorbée entre 1 000 et 6 000 kW

• Pression de conception d'environ 100 bar

• Très efficace et avec une fiabilité mécanique éprouvée sur le terrain

Les travaux de conception ont été exécutés en étroite collaboration avec certains des entrepreneurs en ingénierie les plus établis dans le domaine de la construction d'usines SWRO. Ces nouveaux développements ont contribué au développement de conceptions d'usines et à l'amélioration de l'efficacité, de la fiabilité et de la disponibilité des pompes d'alimentation haute pression (HP).

Potentiellement, il existe deux concepts de conception applicables aux pompes multicellulaires utilisées pour les tâches d'alimentation à haute pression dans les applications SWRO. Premièrement, la conception de carter divisé axialement de type volute avec une seule limite de pression et, deuxièmement, la conception de carter annulaire segmentaire de type diffuseur avec une limite de pression multiple. Dans la phase de développement initiale, les deux conceptions ont été envisagées pour développer les pompes multicellulaires nécessaires pour la gamme de conditions de fonctionnement susmentionnée dans les services d'alimentation à haute pression. Enfin, la décision a été prise de concentrer les efforts d'ingénierie sur la construction à volute fendue axialement, car c'était la solution la plus appropriée.

Dans un deuxième temps, la gamme actuelle de pompes à corps annulaire segmenté de type diffuseur a été étendue pour couvrir des débits d'alimentation jusqu'à 900 m3/h afin de fournir une alternative préfabriquée pour les installations de taille moyenne.

Basé sur la gamme Sulzer MSD, qui est utilisée pour desservir les industries de traitement du pétrole et du gaz et des hydrocarbures, la re-conception du MSD pour l'osmose inverse a été entreprise en utilisant les principes suivants : carter à division axiale avec roues opposées, double volute, montage sur l'axe central et construction robuste entre les roulements.

• Divisé axialement pour une seule limite de pression, supporté par l'axe central, boîtier robuste avec la capacité d'absorber les forces et les moments de la tuyauterie placée sur les buses (selon API 610) avec une bonne transmission de ceux-ci à la fondation, ainsi qu'une facilité d'entretien avec un accès facile aux pièces rotatives

• Turbines opposées pour l'équilibrage hydraulique axial du rotor et de la douille d'équilibrage centrale pour assurer la stabilité dynamique du rotor et un degré élevé d'amortissement des vitesses critiques, même lorsque les pièces sont usées

• Double volute pour l'équilibre radial du rotor, qui offre à la fois une efficacité élevée et soutenue

• Construction robuste entre les roulements pour éviter que le rotor n'entre en contact avec les pièces d'usure fixes pendant le processus de démarrage ou en raison de transitoires d'écoulement.

En complément de ces principales caractéristiques de conception décrites précédemment, les développements hydrauliques les plus récents de Sulzer Pumps ont été adaptés au MSD :

• Vitesse spécifique optimisée (nq) : nq = 34 pour une efficacité optimale dans la plupart des tailles de pompe ; d'autres hydrauliques nq sont également possibles

• Séparateurs de débit à l'entrée de la roue pour éviter la recirculation interne du débit et fournir un rendement élevé, même avec des diamètres réduits

• Passages hydrauliques lisses et larges : croisement inter-étages généreusement dimensionné spécialement conçu pour minimiser les pertes hydrauliques

• Le premier étage à double aspiration est standard dans les grandes tailles (12 po et 14 po) et en option dans toutes les autres (8 po et 10 po); il s'agit d'une condition préalable requise dans certains des pays 60 Hz ; des aubes décalées sont présentées pour les pulsations à basse pression et les niveaux de vibration de la pompe

• Distance entre la sortie de la turbine et la lèvre de la volute optimisée pour réduire les pulsations de pression et les niveaux de vibration de la pompe

• Une efficacité durable sur toute la durée de vie de la pompe est principalement obtenue par des améliorations hydrauliques, et non par un simple resserrement des jeux

• Durée de vie de la turbine de 40 000 heures garantie avec une couverture appropriée de la marge NPSHa/NPSHr de 3 %

• La conception mécanique était très importante et de nombreuses améliorations ont été introduites qui nous ont permis d'atteindre notre objectif d'optimisation. Les corps de pompe et les roues ont été coulés en acier super duplex car il s'agit d'une norme ASTM A 890 GR 1C (3843).

Pour les tailles plus petites, 8 pouces et 10 pouces, les critères suivants ont été configurés :

• La position axiale fixe du rotor par des roulements radiaux à douille et des roulements axiaux à double rangée de billes est standard ; les paliers axiaux à patins basculants sont en option. Le roulement permet la surveillance de la température et des vibrations.

• La lubrification par bague d'huile est standard ; un refroidissement par air pour les roulements DE et NDE afin d'éviter une éventuelle corrosion des refroidisseurs d'huile est disponible.

• La lubrification forcée à l'huile est une option.

Pour les plus grandes tailles, 12 pouces et 14 pouces, la configuration suivante a été choisie :

• La position axiale fixe du rotor par des roulements axiaux à coussinets radiaux et basculants est standard. Le roulement permet la surveillance de la température et des vibrations.

• La lubrification à l'huile à alimentation forcée est standard et le refroidisseur du système d'huile de lubrification peut être refroidi par air ou par eau.

Des pièces d'usure fixes en matériaux composites pour resserrer les jeux ont été choisies. Les pièces d'usure rotatives sont solidaires des roues pour éviter le desserrage. Les bagues d'usure fixes fonctionnent uniquement comme pièces d'usure, pas comme roulements hydrodynamiques. Les pompes sont équipées de roulements externes appropriés pour éviter la perte de leurs performances mécaniques si du sable pénètre dans la pompe à partir des filtres d'entrée. Une conception de roue opposée à quatre étages simple mais éprouvée pour les plus petites tailles et une conception de roue opposée à deux étages pour les plus grandes tailles avec des performances hydrauliques améliorées sont la clé des applications d'alimentation à haute pression. Des milliers de pompes Sulzer MSD ont prouvé leur conception mécanique et leur durabilité avec des millions d'heures de fonctionnement sur le terrain.

Actuellement, il existe quatre tailles disponibles de MSD dédiées aux applications d'osmose inverse, ayant respectivement des brides de refoulement de 8 pouces, 10 pouces, 12 pouces et 14 pouces pour couvrir la plage de débits d'alimentation entre 600 et 3 000 m3/h. En utilisant sensiblement le même type de profil hydraulique (nq = 34), le nombre d'étages peut varier de quatre dans les plus petites dimensions (8 et 10 pouces) à deux dans les plus grandes dimensions (12 et 14 pouces). Depuis que ces pompes ont été introduites sur le marché, elles ont pu battre tous les records précédents pour un fonctionnement efficace et fiable dans les applications SWRO d'alimentation HP. Ils ont été utilisés comme pompes dédiées à la fois sur un seul rack d'arrangements de membranes et alimentant le centre de pression pour plusieurs racks de membranes en parallèle. Huit des tailles MSD-D/2 14 × 14 × 19A fournies à Ashkelon SWRO en 2003 sont toujours les pompes avec le débit le plus élevé (2 500 m3/h chacune) et le pilote le plus puissant (5 300 kW) en fonctionnement dans le monde des applications d'alimentation HP.

Sulzer Pumps est un partenaire de SWRO Contractors dès le début d'un projet pour développer la solution la plus appropriée pour l'application d'alimentation HP, en sélectionnant la configuration de pompage optimale pour réduire le nombre de pompes en fonctionnement, avec un minimum d'entretien et le meilleur ajustement hydraulique pour atteindre le rendement le plus élevé possible.