Manutenzione di impianto Cracking catalitico in raffineria

Il Gruppo Saras è attivo nel settore dell'energia ed è uno dei principali operatori indipendenti europei nella raffinazione di petrolio. La raffineria di Sarroch, sulla costa a Sud-Ovest di Cagliari, è una delle più grandi del Mediterraneo per capacità produttiva (15 milioni di tonnellate all'anno, pari a 300 mila barili al giorno) ed una delle più avanzate per complessità degli impianti (Indice Nelson pari a 10,0). Collocata in una posizione strategica al centro del Mediterraneo, la raffineria viene gestita dalla controllata Sarlux Srl, e costituisce un modello di riferimento in termini di efficienza e sostenibilità ambientale, grazie al know-how ed al patrimonio tecnologico e di risorse umane maturato in oltre cinquant'anni di attività.

Ad inizio anni 2000, il Gruppo Saras ha intrapreso anche l'attività di produzione e vendita dell'energia elettrica, mediante un impianto IGCC (Impianto di Gasificazione a Ciclo Combinato), che ha una potenza installata di 575MW ed è gestito anch'esso dalla controllata Sarlux Srl. Tale impianto utilizza in carica i prodotti pesanti della raffinazione, e li trasforma in oltre 4 miliardi di kWh/anno di energia elettrica, contribuendo per oltre il 30% al fabbisogno energetico della Sardegna. Inoltre, sempre in Sardegna, il Gruppo produce e vende energia elettrica da fonti rinnovabili, attraverso il parco eolico di Ulassai. Il parco, operativo dal 2005, viene gestito dalla controllata Sardeolica Srl ed ha una capacità installata pari a 96MW. Infine, il Gruppo è attivo nel settore dei servizi di ingegneria industriale e di ricerca scientifica per il settore petrolifero, dell'energia e dell'ambiente, attraverso la controllata Sartec SpA, ed opera anche nel campo della ricerca di idrocarburi gassosi.

L'implementazione di un Turboexpander collegato ad un cracking catalitico FCC per la produzione di energia elettrica, recuperando l'energia entalpica contenuta nel fluido in uscita dal rigeneratore, è diventata una pratica comune dagli anni Ottanta in moltissime raffinerie, tra le quali anche Sarlux. Il costo dell'energia è sempre stato un fattore importante nella raffinazione del petrolio, per questo motivo l'industria ha dirottato una notevole attenzione al recupero della energia disponibile dai flussi di fluido prodotti negli impianti.

Il gas in uscita dal rigeneratore dell'impianto FCC, chiamato "flue gas" rappresenta uno tra gli importanti flussi energetici con alta entalpia disponibili nel sito industriale che permette di arricchire il bilancio energetico della raffineria.

Ovviamente l'implementazione di un treno di recupero energetico quale è l'Expander, richiede un elevato investimento iniziale, in quanto, oltre al treno macchina, è richiesto l'acquisto di importanti apparecchiature quali uno stadio di separazione a cicloni, due valvole tipo "butterfly", di regolazione e shutoff oltre ad una linea che possa bypassare il treno macchina con relativa "butterfly valve" di regolazione. Da non trascurare l'acquisto di due valvole a doppio clapet di recente tecnologia che permettono l'isolamento del treno Expander, in aspirazione e mandata, durante la sua manutenzione al fine di garantire la continuità di esercizio dell'impianto FCC.

La necessità di un separatore a cicloni e l'impiego di materiali speciali è necessario a seguito del trascinamento, da parte della "flue gas", di un catalizzatore con una elevata azione erosiva; esso rappresenta insieme alla elevata temperatura di esercizio (circa 700 C) l'elemento più critico di tutto il sistema. Infatti perdite di catalizzatore, superiori a 100 mg/Nm3 e/o size superiori a 10 micron, possono limitare il periodo di marcia dell'Expander a meno di 6 anni, intervallo tra due turn-around successivi dell'impianto.

Il processo di cracking catalitico fluido "FCC", in presenza di un catalizzatore fluido, ha come risultato quello di ridurre le catene di carbonio/idrogeno, rendendo gli idrocarburi più pregiati sul mercato. Per raggiungere questo processo il catalizzatore fluidizzato viene fatto circolare tra due importanti apparecchiature, rigeneratore e reattore, attraverso un deltaP realizzato dalla apertura di due "slide valves" (spento e rigenerato). Nella zona di reazione avviene la crackizzazione dell'idrocarburo, nella zona di rigenerazione avviene la reazione di ossidazione, in cui il coke, formato sul catalizzatore durante la reazione di cracking viene rimosso dal catalizzatore stesso. La fase di ossidazione avviene nel rigeneratore e produce la "flue gas" ricca di un elevato contenuto entalpico, originato dal calore sviluppato dalla combustione del coke; circa l'80% è assorbito dal catalizzatore circolante ed il restante si presenterà in forma entalpica nella corrente di gas di scarico.

Il treno di recupero energetico converte quindi l'energia che prima degli anni Ottanta veniva dispersa, in un lavoro utile attraverso l'espansione del gas in una turbina; l'energia recuperata dalla turbina, durante l'espansione, è trasformata in energia meccanica e trasmessa ad un generatore per la produzione di energia elettricità. Il treno di recupero energetico è costituito da un espansore della Dresser Rand modello E-148 da circa 15 MW a singolo stadio, una turbina a vapore GE da circa 3 MW che espande il vapore da alta a media pressione di rete di raffineria, un riduttore di giri da 4000 a 1500 rpm, ed un generatore Ansaldo 4 sincrono.

I principali componenti dell'Expander sono:

• Intake Casing Assembly
• Exhaust Case
• Diffuser
• Rotor, Bearing and Seal Assembly

La metallurgia impiegata nella costruzione dei diversi componenti dell'Expander impone:

• una limitazione della temperatura massima sul gas di scarico a circa 730 °C per un servizio continuativo. Solo per brevi periodi possono essere raggiunte temperature di 790 ° C. e di conseguenza la camera di pleunum del rigeneratore è stato equipaggiata con un sistema di controllo della temperatura dei gas di scarico attraverso un quench di vapore.
• una limitazione della granulometria e della quantità di catalizzatore che può attraversare l'Expander il cui compito è garantito dal separatore a cicloni chiamato "terzo stadio".

La turbina a vapore viene utilizzata per controllare la velocità del treno in fase di avviamento garantendo la velocità di sincronismo del generatore, per il suo collegamento in parallelo con la rete elettrica; solo dopo aver garantito questa condizione l'Expander verrà allineato al processo; ovviamente la turbina a vapore rappresenterà anche una fonte di energia supplementare durante il normale funzionamento.

Una volta che il generatore è stato sincronizzato con la rete elettrica di raffineria, l'Expander insieme alla turbina a vapore genereranno circa 18 MW, operando alle condizioni di progetto.

La "flue gas" in uscita dall'Expander ed impoverita del suo contenuto entalpico, la pressione si riduce da circa 3.1 bar a circa 0.15 bar mentre la temperatura si riduce di solo 140 C, viene indirizzato per essere bruciato in una caldaia "CO-boiler" per generare vapore che alimenta la rete di alta pressione della raffineria.

Durante la marcia del treno Expander avviene il monitoraggio continuo delle temperature dei cuscinetti oltre che quello delle vibrazioni, comprensive degli spostamenti assiali.

Mensilmente vengono eseguite delle fotografie con stroboscopio che permettono di controllare lo stato delle 62 palettature rotoriche che costituiscono il rotore.

Sulla base della quantità di catalizzatore che si deposita tra la parte alta della palettatura rotorica e lo Shroud, ciclicamente viene eseguita una pulizia con l'utilizzo di una apparecchiatura dedicata chiamata Wal Nuts Injection.

Wal Nuts Injection System

Questa apparecchiatura, installata nel 2014, ha la funzione di rimuovere il catalizzatore che tende a depositarsi per effetto delle elevate velocità sulla palettatura rotorica causandone un incremento dello sbilanciamento (incremento vibrazioni), e sullo Shroud che è un anello troncoconico che sfiora le palette rotoriche contenendone il flusso e quindi la spinta. Il processo consiste nella iniezione sulla tubazione di ingresso del gas alla turbina, mediante un apposito sistema pressurizzato, di una graniglia di gusci di nocciole, di granulometria di circa 1 mm di diametro, la quale viene immessa nel flusso, procurando una sorta di pallina sulle parti colpite, che rimuovono progressivamente le placche di catalizzatore sinterizzato.

I risultati ottenuti sono i seguenti:

• Riduzione delle vibrazioni da sbilanciamento.
• Lieve recupero della Efficienza per il ripristino dei profili originali.
• Ripristino del Tip Clearance (gioco estremità paletta verso lo Shroud), che evita il danneggiamento delle palette stesse per usura da strisciamento (fenomeno di "rubbing").

Dalle immagini in Figura 1a-b si può rilevare la presenza dei depositi di catalizzatore, evidente in particolar modo sulla base delle palette e sullo Shroud con riduzione del gioco fra palette e Shroud. L'indicazione che il gioco palette/Shroud si è ridotto si è avuta dal fatto che a parità di condizioni, la potenza prodotta dal generatore era lievemente aumentata, per effetto della maggior capacità di sfruttare il gas della turbina (incremento pressione).

La frequenza raccomandata dal costruttore, che in assenza di fenomeni vibrazioni è settimanale, può però diventare giornaliera in caso di incremento delle vibrazioni.

Casistiche di guasto causate dal "Rubbing"

Il fenomeno del "Rubbing" è causato principalmente dal contatto fra il tip delle palette e il suo diffusore (Shroud), per la interposizione del catalizzatore sinterizzato, che per effetto delle elevate velocità, abrade la testa delle palette sollecitandole a sforzi tangenziali.

Questa condizione provoca un incremento delle temperature localizzate che portano a tensioni che in breve tempo possono generare delle cricche.

Tali cricche inizialmente si presentano longitudinali alle palette, ma di seguito, seguendo la sezione meno spessa della paletta, tendono a cambiare direzione formando una semiluna che per forza centrifuga e spinta del gas si stacca dalla paletta, generando uno squilibrio dinamico.

Tecnica rilevazione fotografie

Il Turboexpander è predisposto per la rilevazione fotografica delle palette, durante il normale funzionamento per mezzo di sue oblò di ripresa posti sulla parte posteriore della cassa turbina. Su uno di essi viene posizionata la fotocamera mentre sull'altro il Flash collegato con uno stroboscopio.

La esecuzione di questa attività ha da sempre incontrato delle difficoltà sia di tipo ambientale, per le elevate temperature irradiate dalla turbomacchina pari a 700 °C, che di tipo tecnico per la elevata velocità delle palette che ruotano alla velocità periferica di circa 400 m/s.

Per ottenere una buona definizione nel tempo sono state sperimentate delle nuove tecniche, ma in particolare l'avvento delle fotocamere digitali ad alta definizione, hanno consentito di migliorare la nitidezza della immagini, tale da consentire la identificazione delle placche di catalizzatore o di eventuali difetti.

Augusto Caredda, Responsabile di Manutenzione, Sarlux Srl

Vittorio Cadoni, Lead Machinery, Sarlux Srl