Eliminierung der Notwendigkeit von Sperrgas-Boostern

30. Mai 2023

Ein genauerer Blick auf die Zuverlässigkeit von leckagedichten prozessseitigen Dichtungen

Endverbraucher von Radialkompressoren in der Öl- und Gasindustrie sowie in anderen Prozessindustrien stehen vor der wachsenden Notwendigkeit, diffuse Emissionen, Kosten und unnötige Ausfallzeiten zu reduzieren. Die Einführung von Trockengasdichtungssystemen (DGS) hat bei den Bemühungen, diese Ziele zu erreichen, eine wichtige Rolle gespielt, indem viele der Probleme angegangen wurden, die häufig bei Nassdichtungen auftreten, darunter hohe Leckraten, verringerte Zuverlässigkeit und hohe Betriebskosten. Es bestehen jedoch Möglichkeiten, den Betrieb von Kompressoren weiter zu verbessern, insbesondere von Einheiten, die Sperrgas-Boosterkompressoren verwenden, die eine erhebliche Wartungs- und Betriebskostenquelle darstellen können.

Siemens Energy hat einen Dichtungsmechanismus entwickelt, der es Betreibern ermöglicht, die Notwendigkeit eines Sperrgasverstärkers zu beseitigen, indem das DGS bei langsamen Drehzahlen oder wenn der Kompressor dann im unter Druck stehenden Standby-Zustand angehalten wird, vor Prozessgasverunreinigungen geschützt wird. Dieser Artikel bietet einen Überblick über das Design und die Funktionalität der Dichtung und erörtert Kompressoranwendungen, bei denen sie von Vorteil sein kann.

Die meisten modernen Radialkompressoren sind mit DGS zur Wellenendabdichtung ausgestattet. In den letzten Jahren wurden auch viele ältere Kompressoren mit Nassdichtungen mit DGS-Systemen nachgerüstet. Der am weitesten verbreitete DGS-Typ für Erdgaskompressoranwendungen ist ein „Tandem“-Design, bei dem zwei Gleitringdichtungen (primär und sekundär) an den Wellenenden des Kompressors installiert sind. Während des Kompressorbetriebs absorbiert die Primärdichtung die Druckdifferenz. Die Sekundärdichtung dient als Backup im Falle eines Ausfalls der Primärdichtung.

Ein DGS besteht aus zwei Gegenringen (einem rotierenden und einem stationären). Wenn der Kompressor nicht läuft, werden die Ringe durch Federn und statische Druckverteilung in engem Kontakt gehalten. Wenn der Kompressor läuft, halten hydrodynamische Kräfte den stationären Ring gegen die Feder. Dadurch entsteht ein Arbeitsspalt von wenigen Mikrometern zwischen den Dichtflächen. Das Design ermöglicht sehr niedrige Leckraten, aber als Folge davon benötigt das DGS eine Versorgung mit sauberem und trockenem Gas, um zuverlässig zu funktionieren.

Typischerweise wird dieses Gas aus dem Auslass des Kompressors entnommen. Das Gas wird gefiltert und konditioniert, um Verunreinigungen zu entfernen, und dann zwischen dem DGS und dem prozessseitigen Labyrinth (PSL) injiziert. Die Strömung fungiert als Puffer (dh als Film) und schützt das DGS vor dem Eindringen von Prozessgas.

Wenn der Kompressor mit hoher Drehzahl rotiert, liefert die Entladung ausreichend Druck, um den Sperrgasstrom durch das Konditionierungs- und Filtersystem auf der Trockengas-Dichtungsplatte zu treiben und so eine saubere Sperrgasquelle für das DGS bereitzustellen. Wenn jedoch die Drehzahl niedrig ist (normalerweise beim An- und/oder Herunterfahren), ist der Druck nicht ausreichend, um den Sperrgasstrom durch die Gasdichtungsplatte zu treiben, und das unbehandelte Prozessgas kann in den Dichtungsspalt wandern. Dies kann zu mehreren kostspieligen Problemen führen, einschließlich einer Verschlechterung der Dichtungen, was zu einer kürzeren mittleren Zeit zwischen Ausfällen (MTBF), längeren Ausfallzeiten und möglicherweise höheren Kosten führt, wenn das DGS ausgetauscht werden muss.

Um das DGS während des Startvorgangs oder im Falle einer Kompressorabschaltung/-störung zu schützen, installieren die meisten Betreiber luftbetriebene Sperrgasverstärker (und möglicherweise Heizgeräte) auf dem Gasaufbereitungsgestell oder der Sperrgasplatte. Der Sperrgasverstärker ist so programmiert, dass er automatisch startet, wenn der Differenzdruck des Sperrgases unter einen bestimmten Wert fällt, und so einen zuverlässigen Betrieb des DGS gewährleistet.

Bei Kolbenboostern, die den Großteil des Marktes ausmachen, entscheiden sich Betreiber manchmal für die Installation eines zweiten Kompressors, der im Falle eines Ausfalls des Primärboosters in Bereitschaft bleibt. Kolbenbooster sind von Natur aus betriebskostenintensiv und werden von Endbenutzern häufig als eine der problematischsten Komponenten des Kompressorpakets bezeichnet.

In den letzten Jahren haben immer mehr Betreiber begonnen, sich von Hubkolbeneinheiten abzuwenden und stattdessen elektromotorisch angetriebene (rotierende) Sperrgasverstärker zu verwenden, die eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit bieten. Sie haben jedoch den Nachteil hoher Investitionskosten und sind aufgrund der geringen Förderhöhe bei niedrigem Druck möglicherweise nicht in allen Szenarien anwendbar. Auch die Vorabkosten der Booster können in vielen Fällen schwer zu rechtfertigen sein, insbesondere für Betreiber älterer Einheiten, die möglicherweise nur noch eine begrenzte Anzahl an Betriebsjahren übrig haben. Darüber hinaus sind sie möglicherweise an abgelegenen Orten ohne zuverlässige Stromversorgung nicht realisierbar.

Um die bei DGS-Boosterkompressoren häufig auftretenden Probleme zu lösen, hat Siemens Energy ein einzigartiges Dichtungsdesign aus Polytetrafluorethylen (PTFE) entwickelt, das zwischen DGS und PSL sitzt. Die auslaufsichere Dichtung dient als Alternative zu Boostern und kann als Teil der meisten neuen Kompressorpakete mit DGS eingebaut werden. Es kann auch in bestehende Einheiten nachgerüstet werden und bietet so eine Upgrade-Option für diejenigen, die eine höhere Zuverlässigkeit wünschen.

Abbildung 1. Leckdichte Dichtung gekoppelt mit dem DGS-System von Siemens Energy

Während des normalen Kompressorbetriebs, wenn das DGS durch den Sperrgasflusspuffer am Auslass vor dem Eindringen von Prozessgas geschützt ist, ist die leckagedichte Dichtung geöffnet, sodass sie aufgrund der Hochgeschwindigkeitsrotation keinem Verschleiß ausgesetzt ist. Diese Position wird durch die Zentrifugalkraft aufrechterhalten, die die Lippe über einen segmentierten Ring aktiviert. Wenn sich die Kompressorgeschwindigkeit verlangsamt oder das Gerät angehalten wird (z. B. wenn der Auslassstrom nicht ausreicht, um das Eindringen von Prozessgas zu verhindern), wird die Zentrifugalkraft verringert und die Dichtung schließt sich um die Welle, um eine Kontamination des DGS von der Prozessseite her zu verhindern .

Wenn sich die leckdichte Dichtung auf der Welle abschließt, wird die Strömung, die durch die Primärdichtung leckt, gezwungen, in den Dichtungsbereich zu gelangen, nachdem sie die Sperrgasplatte passiert hat, sodass das DGS nur sauberem, trockenem Prozessgas ausgesetzt ist.

Abb. 2:

Die leckdichte Dichtung bietet im Vergleich zu Sperrgas-Boosterkompressoren mehrere Vorteile, darunter:

Erhöhte Zuverlässigkeit gegenüber Hubkolben-Sperrgas-Boostern – Hubkolben-Sperrgas-Boosterkompressoren bereiten Endbenutzern von Radialkompressoren oft Kopfschmerzen. Die leckagedichte Dichtung macht den Einsatz eines Booster-Kompressors überflüssig, wodurch die Betriebskosten und Ausfallzeiten gesenkt und das System durch die Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Komponenten und Verbindungen vereinfacht werden. Dies verringert das Risiko von Lecks und verbessert die Gesamtzuverlässigkeit des Systems. Es reduziert auch den Wartungsaufwand, da die Überwachung und Wartung des Sperrgasverstärkers nicht mehr erforderlich ist (der Zustand der dichten Dichtung wird während statischer Phasen überwacht). Diese Vorteile sind besonders relevant für Betreiber, die Probleme mit ihren Kolbenboostern haben oder derzeit keinen Booster installiert haben.

Reduzierte Kosten – Während die Zuverlässigkeit der leckdichten Dichtung mit der von Radial-Boosterkompressoren vergleichbar ist, sind die Investitionskosten viel geringer. Obwohl die Kosten je nach den Anforderungen der Anwendung variieren, kann ein typisches elektrisch angetriebenes Zentrifugal-Boostersystem, das zwei Gasdichtungen versorgt, zwischen etwa 150.000 und 400.000 USD kosten. Im Vergleich dazu liegt der Preis für zwei leckagedichte Dichtungen und optionale Überwachung sowie die Kosten für Anpassungen an der Trockengasdichtungsplatte zwischen 40.000 und 60.000 USD (bei Ergänzung zu einem Siemens Energy DGS). Die Dichtungen können direkt an die Baustelle geliefert und vom Betreiber auf die gleiche Weise installiert werden, wie ein DGS installiert würde.

Geringere Emissionen – Durch die Verwendung der Leak Tight Seal anstelle eines elektrisch angetriebenen Booster-Kompressors werden der Gesamtstromverbrauch und die damit verbundenen Emissionen des Kompressorpakets reduziert.

Potenzial für eine geringere Stellfläche des Pakets – In vielen Fällen wird der Sperrgasverstärker als Teil des Vorkonditionierungsgestells installiert, das von der Gasdichtungsplatte getrennt ist. Durch die Installation der auslaufsicheren Dichtung kann diese Rutschgefahr vermieden werden, wodurch möglicherweise die Gesamtfläche der Verpackung verringert wird.

Immer wieder wird die Gasdichtungsplatte und insbesondere der Booster-Kompressor von Betreibern als eine der fehleranfälligsten Komponenten von Kompressorpaketen bezeichnet. Die Leak Tight Seal von Siemens Energy kann als kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Sperrgas-Boostern installiert werden und bietet so einen Weg zur Vereinfachung des Systemdesigns und zur Verbesserung der Gesamtzuverlässigkeit. Es kann eine wertvolle Ergänzung für jedes DGS-System in einer Öl- und Gasanwendung sein, indem es eine zusätzliche Schutzschicht gegen Kontamination bietet und so das Risiko von Ausfallzeiten und die damit verbundenen Kosten durch Wartung und Produktionsausfälle verringert.