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Jun 29, 2023

Dichtungsgasverstärker und -heizungen in Trockengas-Dichtungsunterstützungssystemen

Von Sourav Majumdar und Neetin Ghaisas27. Januar 2023 Trockengasdichtungen bieten eine effektive, zuverlässige und robuste Standarddichtungslösung für Kompressoren in allen Arten von Prozessen, die in eingesetzt werden

Von Sourav Majumdar und Neetin Ghaisas, 27. Januar 2023

Trockengasdichtungen bieten eine effektive, zuverlässige und robuste Standarddichtungslösung für Kompressoren in allen Arten von Prozessen, die in der Petrochemie-, Erdgas- und Erdölindustrie eingesetzt werden. Sie erfordern eine kontinuierliche oder ununterbrochene Versorgung mit sauberem und trockenem Sperrgas im vorgesehenen Durchfluss- und Druckspektrum, um sicherzustellen, dass die Dichtflächen optimal abheben und die bestmögliche Leistung erzielen. Sowohl druckbeaufschlagte als auch drucklose Trockengasdichtungen nutzen sauberes „Sperrgas“ vor der Trockengasdichtung, um eine Barriere gegen den potenziell kontaminierten Prozessstrom zu errichten.

Dieser Artikel bietet einen qualitativen Überblick über Taupunktmanagement und Sperrgas-Druckerhöhungssysteme, die für die Zuverlässigkeit von Trockengasdichtungen von entscheidender Bedeutung sind. Der Schwerpunkt der Diskussion liegt auf Trockengasdichtungen in Radial- und Getriebekompressoren; Die dargelegten Prinzipien gelten jedoch auch für Rotationskompressoren mit positiver Verdrängung.

Unter normalen Betriebsbedingungen können Kompressoren eine kontinuierliche Versorgung mit Sperrgas von einem höheren Druckniveau im Kompressor bereitstellen, typischerweise von der Endauslassdüse des Kompressors. Trockengasaufbereitungssysteme nehmen dieses Gas auf, filtern es, konditionieren es und leiten es an die Trockengasdichtungen weiter.

Während der Anlauf-, Druckbeaufschlagungs-, Recycling-, Stillstands- und Abschaltphasen sinkt jedoch der Differenzdruck am Kompressor, wodurch der Sperrgasfluss unterbrochen wird. Wenn dies auftritt, kann es zur Migration von unsauberem Prozessgas mit daraus resultierender Kontamination und einer Verschlechterung der Dichtungsleistung kommen, was insgesamt zu unsicheren Betriebsbedingungen, Maschinenstillstandszeiten und möglicherweise höheren Wartungskosten führt.

Abbildung 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer typischen Tandem-Trockengasdichtung mit Zwischenlabyrinth und Abbildung 2 zeigt typische Strömungsprofile mit und ohne Sperrgasdruckerhöhung beim Anfahren eines Radialkompressors.

Wenn sich ein Radialkompressor im stationären Betrieb befindet und die Druckdifferenz entwickelt, wird in der Regel sauberes und trockenes Sperrgas von seiner letzten Auslassdüse zum Sperrgassystem und weiter zu den Trockengasdichtungen am Wellenende geleitet. Abbildung 3 zeigt eine geschätzte Leistung eines Sperrgasverstärkers bei einem Eingangsdruck von 725 psig eines Pipeline-Radialkompressors.

Der Differenzdruck am Zentrifugalkompressor ist zu niedrig, um die erforderliche Sperrgasdurchflussrate bei Rückführung, Druckbeaufschlagung, Anlauf und druckbeaufschlagtem Stillstand (Abschalten) bereitzustellen. In diesen Situationen geht der Sperrgasfluss zu den Trockengasdichtungen verloren und es kommt zu einer Migration des Prozessgases über das Prozesslabyrinth in den Hohlraum der Trockengasdichtung. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Kontamination der Trockengasdichtungsumgebung im Umlaufmodus und bei Druckabschaltung, verursacht durch den Rückfluss des Prozessgases in den Dichtungshohlraum.

In dem in Abbildung 6 gezeigten Beispiel für einen Kompressor mit einem Einlassdruck von 1450 psig ist der geschätzte Sperrgasfluss von 3,5 Kubikfuß pro Minute (cfm) bei einem Differenzdruck von 56 psid bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 3500 U/min erreichbar, um eine Kontamination im Sperrgashohlraum zu vermeiden .

Moderne Sperrgasverstärker sind in zwei Ausführungen erhältlich: pneumatisch und elektromotorisch mit einstellbarer Frequenz, mit üblichen Leistungen zwischen 7,5 PS und 25 PS. Sie liefern Sperrgas in Zeiten niedrigen verfügbaren Differenzdrucks und tragen dazu bei, einen Druckschutz der Trockengasdichtungen über den gesamten Kompressorbetriebsbereich auf seinem Leistungskennfeld zu erreichen. Die Differenz zwischen dem Sperrgasversorgungsdruck und dem abgedichteten Druck sollte mindestens 50 psi betragen, um eine Kontamination der Primärdichtung zu vermeiden. Das Druckverstärkungsverhältnis pneumatischer Verstärker variiert zwischen 1,2 und 2, basierend auf dem maximal zulässigen Arbeitsdruckbereich von 3000 psi bis 6000 psi. Die entsprechenden maximalen Taktraten pneumatischer Verstärker liegen bei 100 Takten pro Minute bis hin zu 60 Takten pro Minute. Diese Werte sind typisch und können je nach Modell und Hersteller variieren.

Sperrgasverstärker sind zu einem integralen Bestandteil der Sperrgasaufbereitungssysteme in neuen Anlagen geworden. Sie bieten auch ein attraktives Nachrüstpotenzial für zuverlässigkeitsorientierte Kohlenwasserstoff- und Erdgasverarbeitungsanlagen, bei denen eine Aufrüstung älterer Dichtungsgasaufbereitungs- und -unterstützungssysteme in Betracht gezogen werden könnte. Abbildung 7 zeigt die Querschnittsansicht eines elektromotorisch angetriebenen Vertikalverstärkers. Beachten Sie den Temperaturmesssensor; ein Messumformer oder RTD-Sensor mit Messumformer am Spalttopf. Typischerweise wird es zwischen dem inneren und dem äußeren Magnetring oder zwischen dem Antriebsmagneten und dem Gehäusedeckel montiert. Ein Schema des Sperrgasverstärkers ist in Abbildung 8 dargestellt.

Das in den primären Dichtungsbereich eintretende Sperrgas muss sauber und trocken sein. API 692, 1. Auflage spezifiziert eine sphärische Partikelgröße von 1 μm mit einer Abscheideleistung von 99,9 % für Sperrgasfilter. Zusätzlich zur Qualität des Dichtungsgases ist eine Taupunktspanne (Überhitzung) von mindestens 35 °F (20 °C) im gesamten Trockengasdichtungssystem unerlässlich, um Kondensation, Verlust des Dichtungsdrucks und anschließende Migration von Prozessgas in den Dichtungshohlraum zu vermeiden und Kontamination. Um diesen Spielraum zu ermitteln, muss eine Phasenkarten-Computersimulation des Trockengasdichtungssystems vom primären Dichtungsgasversorgungspunkt bis zur primären Entlüftung durchgeführt werden, um die Möglichkeit einer Dichtungsgaskondensation zu bewerten. Die Temperatur des Sperrgases muss am Eintrittspunkt des Sperrgases in die Dichtung gemessen werden, nicht an der Quelle der Sperrgasversorgung. Abbildung 9 zeigt einige Phasenkartenkurven.

Um diese Sperrgasqualität zu erreichen, ist es häufig erforderlich, Sperrgasaufbereitungssysteme in das gesamte Trockengaskontrollsystem zu integrieren. Eine Hardware zur Sperrgasaufbereitung besteht aus Einheiten, die sauberes und trockenes Sperrgas liefern. Zur Bereitstellung von trockenem Sperrgas werden Kühler, Nassgasvorfilter und bei Bedarf ein Sperrgaserhitzer eingesetzt. Nassgasabscheider und Doppelfilter reinigen das Sperrgas.

Der Sperrgasheizer vom Direkttyp verwendet eine elektrische Tauchheizspule. Der indirekte Typ verfügt entweder über eine in Öl getauchte Heizspule oder ein unter Druck stehendes Sperrgas, das in einer Spiralspule enthalten ist, die im Aluminiumgussgehäuse mit den elektrischen Heizelementen eingeschlossen ist. Diese Anordnung ist bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen das Sperrgas vom Kompressor eine erhöhte Temperatur oder einen höheren Taupunkt hat. Aluminium dient dazu, die Wärme von den Heizelementen auf das Sperrgas zu übertragen und so einen direkten Kontakt zwischen beiden zu vermeiden. Abbildung 10 zeigt einen Sperrgaserhitzer mit integriertem Trockengas-Sperrtaupunkt-Managementsystem.

Neetin Ghaisas ist Senior Fellow – Rotating Equipment in Fluor. Er verfügt über mehrjährige Erfahrung im Turbomaschinenbau mit Fachkenntnissen in der Spezifikationsentwicklung und -auswahl, Fehlerbehebung, Rotordynamikprüfungen und Vibrationsanalyse rotierender Geräte. Bevor er zu Fluor kam, arbeitete er als Maschinenzuverlässigkeitsingenieur bei Petrokemya (einer SABIC-Tochtergesellschaft) in Jubail, Saudi-Arabien. Neetin Ghaisas hat einen MEng. Er hat einen Abschluss von der University of Bombay und ist ein eingetragener Berufsingenieur in den Provinzen Alberta und British Columbia in Kanada. Er hat viele Jahre lang zur Entwicklung von API-Standards und Prozessindustriepraktiken beigetragen und bekleidet derzeit Positionen im American Petroleum Institute (API) als Vorsitzender des API 612-Standards, Vorsitzender des API 672-Standards und Mitglied des Unterausschusses für mechanische Ausrüstung. Er ist außerdem Mitglied der American Society of Mechanical Engineers (ASME) und Mitglied des Process Industry Practices (PIP) Machinery Functional Team. Herr Ghaisas ist Autor und Co-Autor mehrerer Artikel, die in führenden internationalen Magazinen veröffentlicht werden. Er besitzt ein US-Patent im Zusammenhang mit der Modularisierung von Maschinen.

Sourav Majumdar ist Manager Technical Sales für Kompressoren – Amerika bei der Flowserve Corporation mit Sitz in Calgary, Alberta, Kanada. Herr Majumdar verfügt über eine 30-jährige Berufserfahrung mit umfangreicher Erfahrung im Bereich rotierender Ausrüstung, spezialisiert auf Kompressoren und Pumpen. Seine Fachkenntnisse liegen in den Bereichen Trockengasdichtungen für Kompressoren, Dichtungsunterstützungssysteme und Sperrgaskonditionierungssysteme einschließlich Sperrgasverstärkern. Herr Majumdar hat mit mehreren Endbenutzer- und Ingenieurorganisationen weltweit zusammengearbeitet, um ihnen bei der Auswahl der richtigen Trockengas-/Gleitringdichtungen und -systeme für Kompressoren/Pumpen, der Bauspezifikation und der Fehlerbehebung solcher Geräte zu helfen. Er hat einen Abschluss in Maschinenbau vom Indian Institute of Technology (BHU) in Varanasi und einen Master of Business Administration (MBA) von der University of Leicester, Großbritannien.

Flowserve Corporation hat freundlicherweise alle in diesem Kapitel enthaltenen Bilder zur Verfügung gestellt. Das Material ist dem Aufsatz des Autors „Dry Gas Seal Systems for Centrifugal Compressors“ entnommen – Neetin Ghaisas, Sourav Majumdar, Magazin CompressorTECH² (Juni 2017).

[1] Flowserve Corporation – Kataloge für Trockengasdichtungen (verschiedene).

[2] API 692, 1. Auflage – Trockengasdichtungssysteme für Axial-, Zentrifugal-, Schraubenkompressoren und Expander