Eteläafrikkalaiseen kaivokseen maailman suurimmat Plate & Shell -lämmönsiirtimet

Impala Platinumin Kaivos Bushveld Complexissa Etelä-Afrikassa.

Brandon Loots, Managing Director, Zonke Engineering

Yli puolet maailman platinasta tuotetaan Etelä-Afrikassa. Vuonna 1973 perustettu kaivosyhtiö Impala Platinum on maailman toiseksi suurin platinantuottaja. Yhtiö työllistää noin 53 000 henkeä Etelä-Afrikan luoteisosassa.

Jäähdytyssovellukset ovat pitkään olleet keskeisessä osassa Impala Platinumin toimintaa. Yhtiön kaivoksissa on useita kuiluja, joihin on asennettu 69 000 kilowatin ammoniakkijäähdytysjärjestelmät. Vanhin jäähdytyslaite otettiin käyttöön vuonna 1985 ja uusin vuonna 2002.

Kaivoksen pääjäähdytinjärjestelmä on pintajäähdytin ja toissijaisessa jäähdytysjärjestelmässä käytetään maan alle siirrettävää jäähdytettyä käyttövettä. Toissijaisen jäähdytysjärjestelmän tarvitsema vesi jäähdytetään yleensä öisin, kun ilman lämpötila on alhaisimmillaan ja pintajäähdytin toimii pienemmällä jäähdytyskapasiteetilla.

Pintajäähdytin on kaksikammioinen suoratoiminen pakattava roiskeritilällä varustettu vastavirtatorni. Suunniteltu virtausnopeus on 432 l/s. Jäähdyttimistä tuleva kylmä vesi ruiskutetaan alaspäin ja vesi kerääntyy altaaseen, josta se pumpataan vedenjäähdyttimiin ja takaisin pintajäähdyttimeen suljetussa kierrossa.

Pintajäähdytin on suunniteltu käsittelemään ilmavirtoja 400 kg/s neljän keskipakopuhaltimen avulla, kun poistoilman lämpötila on 7,2 °C. Pintajäähdyttimen nimellisjäähdytyskapasiteetti on 15 100 kW, mikä voidaan saavuttaa, kun tuloveden lämpötila on enintään 3,6 °C. Käyttövesi saadaan painovoimaisesti maan alla sijaitsevasta 2 000 kuutiometrin kylmävarastosta, ja vesivirtaama on noin 70 litraa sekunnissa.

Järjestelmässä on esijäähdytystorni, jonka nimellisjäähdytyskapasiteetti on 4 000 kW. Tämä jäähdytystorni alentaa maan alta palaavan veden lämpötilaa mahdollisimman paljon ennen veden siirtymistä vedenjäähdyttimiin. Jäähdytystornin veden lähestymislämpötila on noin 2 °C.

Jäähdyttiminä toimii kaksi rinnakkain asennettua Howdenin ammoniakkijäähdytintä. Kompressorit ovat WRV-510/165-tyypin ruuvikompressoreita, joissa molemmissa on 1 850 kW:n moottori. Koneet on suunniteltu kiinteälle 2,1:n tilavuussuhteelle. Vanhemmassa koneessa on tavanomainen öljyjäähdytysjärjestelmä. Uudemman koneen jäähdytysjärjestelmä on nestesuihkutusöljyjärjestelmä. Nämä suuret ruuvikompressorit on kehitetty nimenomaan Etelä-Afrikan kaivosteollisuuden tarpeisiin 1980-luvulla.

Kummankin vedenjäähdyttimen nimellisjäähdytyskapasiteetti on noin 8 300 kW yhden miinusasteen haihtumislämpötilan ja 32 asteen kondensoitumislämpötilan mukaan mitattuna. Kompressorien moottorit on suunniteltu hieman liian tehokkaiksi epänormaalien toimintaolosuhteiden vuoksi. Jäähdytetyn veden suunnittelulämpötila on 1,5 °C.

Vanhemmat koneet vaativat ikänsä vuoksi perushuoltoa. Vuonna 2006 kaikki 1980-luvulla asennetut levyhöyrystimet päätettiin vaihtaa, koska niissä alkoi olla toimintavikoja, ja ammoniakkivuotojen riski oli kasvanut. Titaanilevyillä varustettujen höyrystimien vaihtaminen oli kuitenkin kallista, koska vuosina 2006 ja 2007 titaanin hinta nousi merkittävästi, ja toimitusajat olivat pitkiä. Höyrystimissä käytettiin titaanilevyjä, koska kaivosvesi on usein heikkolaatuista. Höyrystimet ovat märkähöyrystimiä, jotka on suunniteltu luonnollisen kierron periaatteella ja joiden toimintaperiaate on vastavirta veden ja nestemäisen ammoniakin virtauksessa. Impala Platinum päätti muuttaa kuilujen jäähdytysjärjestelmää siten, että maan alle ei enää kierrätettäisi jäähdytettyä vettä, vaan suljettua kiertoa tarvittaisiin vain jäähdytetyn veden kierrätykseen maan pinnalla oleviin pintajäähdyttimiin. Muutos tarkoitti sitä, että kierrossa oleva kaivosvesi voitaisiin korvata juomavedellä, eikä titaanilevyjä olisi enää tarpeen käyttää.

Zonke Engineering otti yhteyttä Impalaan ja konsulttiyritys Hatchiin ja ehdotti Vahteruksen Plate & Shell -lämmönsiirtimiä mahdolliseksi ratkaisuksi järjestelmään. Sekä Impala että Hatch olivat kiinnostuneita konseptista, mutta epäilivät uudenaikaisen teknologian käyttöä näin laaja-alaisessa sovelluksessa.

Kun päätös ammoniakkijäähdytyslaitteiden vanhojen levyjäähdyttimien vaihtamisesta oli tehty, mietittiin uusien lämmönsiirtimien valintakriteereitä. Uusissa yksiköissä oli oltava muun muassa seuraavat ominaisuudet:

vanhoja yksiköitä vastaava lämmönsiirtoteho
vankka rakenne
helppo huollettavuus
ammoniakkivuotojen riskiä vähentäviä ominaisuuksia
mahdollisuus käyttää jo olemassa olevia jäähdytysvesipumppuja (laitteiden painehäviön tuli olla samansuuruinen tai pienempi kuin vanhojen levylämmönsiirtimien)
rakenne, joka vaatisi mahdollisimman vähän muutoksia alkuperäiseen jäähdytysjärjestelmään, mukaan luettuina putkistot ja hallintalaitteet
yleismaailmallinen rakenne, joka sopisi jo asennettujen ammoniakkihöyrystimien lämpöteknisiin ominaisuuksiin

Shell & Tube -lämmönsiirtimet suljettiin heti projektin alussa pois mahdollisten ratkaisujen listalta tilavaatimusten vuoksi, joten valittavaksi ei jäänyt montaakaan vaihtoehtoa. Ratkaiseva kysymys oli, korvataanko vanhimmat levylämmönsiirtimet uusilla samanlaisilla vai hankitaanko tilalle Plate & Shell - lämmönsiirtimet, joita ei oltu koskaan aikaisemmin käytetty kapasiteetiltaan ja kooltaan näin laajoissa jäähdytyssovelluksissa. Harkittuaan tarkkaan etuja ja riskejä ja keskusteltuaan asiasta yksityiskohtaisesti Zonke Engineeringin ja Vahteruksen kanssa, Impala ja Hatch päättivät valita kohteeseen Vahteruksen Plate & Shell -lämmönsiirtimet.

Ensimmäiseksi korjattavaksi järjestelmäksi valittiin kuilun nro 1 jäähdytyslaitteisto. Se koostuu kahdesta rinnakkain asennetusta ammoniakkijäähdytyslaitteesta, joiden molempien nimellisjäähdytyskapasiteetti on 8 300kW. Ensimmäiseksi päätettiin vaihtaa vanhemman laitteen höyrystin.

Kuilun jäähdytyslaitteistolla oli useita ainutlaatuisia ominaisuuksia. Se mahdollisti ammoniakin höyrystimen kautta kulkevan kiertosuhteen muutoksen, sillä jäähdytinaineen kierrätysjärjestelmä toimi luonnollisen kierron periaatteella. Muita erityisominaisuuksia olivat vesipiirien muutokset sekä kummankin jäähdytyskoneen virtausnopeus, joka on puolet kokonaisvirtauksesta kahden laitteen toimiessa rinnakkain, ja täysi virtaus vain yhden laitteen ollessa toiminnassa. Tämä vaikuttaa painehäviöihin ja jäähdytysvesipumppujen toimintapisteeseen.

Aluksi kohteeseen päätettiin asentaa koon 14 Plate & Shell -lämmönsiirrin, joka on tällä hetkellä valmistettavista lämmönsiirtimistä suurin. Tila- ja painorajoitusten vuoksi se vaihdettiin kuitenkin lopulta kahteen lyhyempään samanmalliseen yksikköön. Vaihdon etuna on se, että jos yhdestä yksiköstä vuotaisi ammoniakkia vesipuolelle, tämä yksikkö voitaisiin eristää kierrosta, ja jäähdytyslaite voisi toimia osittaisella kuormalla jäljellä olevan lämmönsiirtimen avulla.

Yksi keskeinen uusien lämmönsiirtimien mallia puoltava seikka oli se, että toisin kuin vanhoissa siirtimissä, syöksyrummun paikkaa voitiin muuttaa. Levylämmönsiirtimen ammoniakin kiertosuhde oli noin 1,5. Uusien lämmönsiirtimien painehäviö on pienempi, mikä lisäsi jäähdytysaineen kiertosuhdetta yli neljään tässä tapauksessa. Kiertosuhde kuvaa lämmönsiirtimiin tulevan jäähdytysaineen kokonaismäärän ja niistä haihtuvan jäähdytysaineen määrän välistä suhdetta.

Vanhan höyrystimen vaihtaminen ei sujunut täysin ongelmitta. Toisen uuden lämmönsiirtimen levypakka ei nimittäin läpäissyt asennuspaikalla suoritettua typpipainetestiä. Viallinen yksikkö oli avattava ja levypakka vaihdettava pääyksiköiden mukana tulleeseen varapakkaan. Syynä oli todennäköisesti se, että yksiköt olivat vaurioituneet merikuljetuksen aikana.

Uusien laitteiden suorituskyvyn mittaus koettiin erit- täin tärkeäksi. Testausta varten oli suoritettava seuraavat toimenpiteet:

Suorituskyvyn hyväksyntätestit oli suoritettava 30 päivän kuluessa laitteiden käyttöönotosta, kun yksiköt olivat vielä puhtaita.
Kaikki laitteen osat kalibroitiin uudelleen ja tarkastettiin useaan kertaan.
Tarkastettiin, että öljynerottimesta siirtyvän öljyn määrä pysyi määritetyissä rajoissa.
Kaikki hallintalaitteiden muutokset testattiin ja otettiin oikealla tavalla käyttöön.
Testit oli suoritettava siten, että molemmat jäähdytys-laitteet toimivat rinnakkain (puolet virtausnopeudesta kummankin laitteen kautta) sekä siten, että koko vesivirta kulki yhden laitteen läpi.
Testit hyväksyttiin vain, jos niiden energiatasojen erot pysyivät viiden prosentin sisällä määritetyistä.

Taulukkoon 1 on listattu niiden testien tulokset, joissa kaksi jäähdytyslaitetta toimivat rinnakkain. Testit paljastivat, että vesipuolen painehäviöt olivat selvästi suurempia

kuin alun perin oli arvioitu, mutta silti merkittävästi pienempiä kuin alkuperäisen levylämmönsiirtimen painehäviö samalla virtausnopeudella.

On huomattava, että vaikka suunnitteluarvoja ei täysin saavutettu testausajankohdan olosuhteiden vuoksi, haluttu kokonaislämmönsiirtokerroin kuitenkin saavutettiin testissä.

Testin aikana havaittu lähestymislämpötila oli parempi kuin suunniteltu, koska testin aikana käytettävissä oli vähemmän jäähdytyskapasiteettia.

Plate & Shell -lämmönsiirtimet ovat osoittautuneet hyväksi ja turvalliseksi märkähöyrystinvaihtoehdoksi sovelluksissa, joissa vaaditaan suurta jäähdytyskapasiteettia. Plate & Shell -lämmönsiirtimien pienemmän painehäviön ansiosta pumppaukseen tarvitaan vähemmän sähkötehoa.

Toinen merkittävä etu on lämmönsiirtimien kokonaan hitsattu tiiviisteetön rakenne. Kun tiivisteitä ei tarvitse vaihtaa, huoltokustannukset pysyvät alhaisina ja ammoniakkivuotojen riski pienenee selvästi.

Koska yksikköjen asennus oli niin onnistunut, Impala Platinum on aloittanut projektin, jossa myös kaikkien muiden kaivoksen kuilujen lämmönsiirtimet vaihdetaan Vahteruksen levylämmönsiirtimiin. Insinööri Andre Pieters Impala Platinumilta arvioi tilannetta seuraavasti:

Vahteruksen Plate & Shell -lämmönsiirtimet ovat osoittautuneet oikeaksi pitkän aikavälin ratkaisuksi Impala Platinumin kaivoksen maanalaisten kuilujen jäädyttämiseen Rustenburgissa. Täysin hitsatuilla levylämmönsiirtimillä on todettu kaivoskäytössä lukuisia etuja aikaisempiin Plate & Frame -siirtimiin verrattuna. Keskeisenä etuna kohteessa on helppo huollettavuus ja pidempi huoltoväli, sillä Vahteruksen siirtimet eivät ole vaatineet huoltoa. Aikaisemmin käytössä olleet siirtimet tarvitsivat esimerkiksi tiivisteiden tai vahingoittuneiden levyjen vaihtamista. Vahteruksen yksikköjen luotettavuus on lisäksi parantanut jäähdytysjärjestelmän varmuutta kokonaisuudessaan, sillä järjestelmässä ei enää ole vaaraa siitä, että ammoniakki vuotaisi siirtimistä. Pahimmassa tapauksessa vuodot voivat päästä maan alle syötettävään viilennettyyn ilmaan.

Taulukko 1: Yhteenveto niiden testien tuloksista, joissa molemmat jäähdytyslaitteet toimivat rinnan

DESCRIPTION	UNITS	SPEC.VALUE	TEST VALUE
Surge drum suction pressure control	kPa		320
Equivalent surge drum ammonia temperature	°C		-1.23
Ammonia temperature at inlet ports	°C	-1.3	-0.94
Total combined evaporators’ flow (No. 1A + No. 1B)	L/s	238	290
Evaporators’ water inlet temperature	°C	10.0	7.8
Evaporator No. 1B water outlet temperature	°C	1.0	1.23
Evaporator No. 1A water outlet temperature	°C	1.0	0.87
Average evaporators’ water outlet temperature (No. 1A / No. 1B)	°C	1.0	1.05
Temperature approach	°C	2.3	2.0
Compressor loading	%		100
Total combined evaporators’ duty (No. 1A + No. 1B)	kW(R)	9037	8196
Uncorrected logarithmic LMTD	°C	5.377	4.487
Overall heat transfer coefficient (clean)	W/m2 K	1721.7	1725.0

Eteläafrikkalaiseen kaivokseen maailman suurimmat Plate & Shell -lämmönsiirtimet

Resources page

Contact Us