I.Введение.

 

 Сухие газовые уплотнения применяются уже более 20 лет. В настоящее время свыше 80% парка новых центробежных компрессоров оснащено подобными системами. Однако, несмотря на многолетнюю историю, окончательный стандарт на их устройство API 614, «Lubrication, Shaft-Sealing, and Control Oil Systems and Auxiliaries for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services» был разработан американским институтом нефти только в 1999г. При проектировании подобных систем необходимо учитывать также требования стандарта API 617,  «Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services».

 

 

1.1. Преимущества газовых уплотнений.

 

 Прекращение загрязнения сжимаемого газа маслом. Замасливание проточной части нагнетателя, теплообменников и трубопроводов является весьма нежелательным для технологических процессов. Так, в результате загрязнения газа маслом пропускная способность газопровода снижается на 1-2%. При применении торцевых масляных уплотнений наличие масла высокого давления, кроме того, может привести к утечкам масла в отсеках нагнетателя и снижает общую экологическую чистоту производства.

Снижение расхода электроэнергии. Ввиду того, что для сухих уплотнителей не требуется дополнительных насосных систем высокого давления для циркуляции масла, при их установке нет "побочного" оборудования, потребляющего электроэнергию. Системы с масляными уплотнениями могут  потреблять от 50 до 100 кВтч электроэнергии, в то время как системы СГУ используют не более 5 кВтч.

 Существенно уменьшаются (в 10 и более раз) потери мощности на трение в уплотнении. Отсутствуют значительные потери механической энергии на привод насоса высокого давления. Эффект от применения сухих газовых уплотнений усиливается в нагнетателях с газотурбинным приводом, так как при снижении потребляемой нагнетателем мощности на 1% расход топлива на газовой турбине уменьшается на несколько процентов. Таким образом, несмотря на эффект от падения мощности ГТУ из-за отбора буферного воздуха, ГПА, оснащенные системами СГУ, имеют лучшие энергетические характеристики.

При экстренных остановах ГПА стационарное кольцо под действием пружин запирает уплотнительный зазор, обеспечивая надежную герметизацию газовой полости. При использовании масляных систем уплотнение в экстренных ситуациях обеспечивается за счет гидроаккумулятора и ограничено по времени, снижая общую степень надежности агрегата.

 Техническое обслуживание сухих уплотнений минимальное (один раз в 1-3 года для отечественных разработок и 3-5 лет для импортных), причем предусматривается визуальный осмотр и замена при необходимости фильтрующих элементов. Ресурс сухого уплотнения рассчитан на весь срок работы нагнетателя. В системах с торцевыми масляными уплотнениями сложное вспомогательное оборудование масляного хозяйства требует значительный объем ремонтных работ и работ по техническому обслуживанию. Системы СГУ имеют меньшее число вспомогательных узлов, что и обеспечивает повышение общей надежности, и снижение количества времени простоев компрессора.

 По данным американской организации EPA (Environmental Protection Agency) в рамках программы Natural Gas STAR при установленных масляных уплотнениях уровень дополнительной эмиссии от дегазации циркулирующего масла превышает уровень утечек через газовый затвор и составляет от 1.1 до 5.6 м³/мин, в зависимости от размера и рабочего давления компрессора. К сожалению, проверить это утверждение оборудованием, имеющимся в распоряжении производственно-санитарной лаборатории Изобильненского ЛПУМГ, не удалось. СГУ, установленные на КС «Ставропольская» имеют максимальный уровень утечек примерно 7 м³/ч. Предполагаемая экономия топливного газа изображена на диаграмме, исходя из работы станции 3-мя агрегатами по 8000 ч. в год.

 

Рис 1. Предполагаемая минимальная экономия газа на собственные нужды при использовании систем СГУ вместо масляных уплотнителей

 

  Таким образом, экономия газа на собственные нужды является основным экономическим фактором, оправдывающим применение систем СГУ в газовой промышленности. При проведении анализа необходимости замены масляных уплотнителей на работающем ГПА сбережения от сокращения эмиссии метана должны учитываться наряду с капитальными и эксплуатационными затратами. По предварительным оценкам срок окупаемости систем с газовыми уплотнителями составляет от 8 до 24 месяцев.

  Необходимо отметить, что помимо технологических и экономических  факторов снижение эмиссии метана убедительный довод экологического характера. Метан является «парниковым» газом и его значительные выбросы в атмосферу крайне нежелательны и опасны. 1000 м³ природного газа эквивалентно выбросу в атмосферу 14 т. СО₂

 

Рис 2. Экологический эффект от использования СГУ в эквивалентной форме

 

 На рисунке изображено эквивалентное количество лесных насаждений, необходимых для поглощения метана; эквивалентное количество «убранных» с улиц автомобилей и  количество домовладений, расходующих эквивалентное количество газа в течение года.

 Выбросы в пределах 112.000 м³ в год при работе одного ГПА в течение 8000 ч. по возможности могут быть сокращены или ликвидированы, что позволит повысить экономическую и экологическую эффективность производства. Учитывая опыт таких фирм как «Трансканада», необходимо рассмотреть  внедрение на ГПА, оборудованных СГУ, системы инжекции газа со свеч СГУ в трубопровод топливного газа. Представляется возможным  использовать, управляемые логическими контролерами инжекторы типа «газ-газ» с переменным сечением сопла, например производимых фирмой «Baelz Automatic».

 В настоящее время почти все нагнетатели предлагаются заказчикам с сухими уплотнениями в качестве стандартного варианта. Однако, несмотря на техническое совершенство, системы СГУ сталкиваются с угрозой преждевременного износа уплотнительной пары и  подвержены внешним воздействиям. Необходимо повышенное внимание обслуживающего персонала к качеству транспортируемого газа, подготовке уплотнительного газа, надежности системы буферного воздуха и постоянный мониторинг состояния картриджа СГУ. В таком случае  системы с сухими уплотнителями будут выгодны не только технически, но и продемонстрируют отличную экономическую эффективность.

 

II. Принцип действия

 

 Основной рабочей частью уплотнительной ступени СГУ является уплотнительная пара: торец и седло. Торец (выполняется из высококачественного графита с антифрикционными пропитками) подвижен в осевом направлении, закреплен внутри корпуса от проворота фиксатором из нержавеющей стали и нагружен в осевом направлении набором пружин. Торец прижимается к вращающемуся седлу (выполняется из твердосплавного материала, такого как карбид вольфрама и титана), закрепленному с помощью роторной втулки на валу компрессора. Седло в осевом направлении неподвижно, на его рабочей поверхности выполняются динамические пазы одностороннего или реверсного направления глубиной несколько микрон. Уплотнительные поверхности подвижного и неподвижного колец притерты, неплотность не превышает 1 мкм.

 

 

Рис 3. Принципиальная схема уплотнительной пары.

 

  У подвижного кольца газового затвора поверхность контакта разделена на две зоны. Зона, расположенная ближе к оси - плоская, а остальная периферийная часть имеет спиральные канавки, выполненные методом химического травления или ионного бомбардирования.

 

Рис 4. Уплотнительная поверхность седла

 

 При вращении седла газ захватывается канавками и нагнетается к внутреннему диаметру канавки. В этом месте поток  газа встречается с уплотнительной перегородкой, которая создает сопротивление потоку, что приводит к увеличению давления. Вследствие этого происходит отжатие торца, он "всплывает" на газовом слое. Устанавливается уплотнительный зазор величиной несколько микрон, через который дросселируется малое количество рабочего газа. Зазор между радиальными торцами устанавли-вается тогда, когда закрывающие силы гидростатического давления и усилие пружины равняются открывающим усилиям, создаваемым в газовой пленке.

 

Рис 5. Трехмерный профиль давления, развиваемого уплотнительной перегородкой

 

Закрывающее усилие  представляет собой результат давления в системе плюс очень небольшое усилие пружины.

 

 

 Открывающее усилие  представляет собой результат падения давления в системе между уплотнительными кольцами плюс давление, создаваемое спиральными канавками.

 При равновесии, т.е. когда  рабочий зазор равен приблизительно 3-5 мкм. Если возникает возмущение, которое приводит к уменьшению уплотняющего   зазора, то давление, создаваемое спиральными канавками, существенно возрастает. Аналогичным образом, если возмущение приводит к возрастанию зазора, то создаваемое давление уменьшается и равновесие в уплотнении достигается очень быстро. Результатом такого механизма является очень стабильная, но при этом очень тонкая контактная поверхность между неподвижным первичным кольцом и вращающимся уплотнительным кольцом. В результате этого две поверхности удерживаются на расстоянии друг от друга и не касаются друг друга при нормальных динамических рабочих условиях. В свою очередь это приводит к длительному сроку надежной эксплуатации газового затвора без износа в области контакта.

В идеале уплотнительный зазор должен быть минимальным, но следует учитывать более высокий риск непредвиденных механических контактов поверхностей.  Поэтому очень важно, чтобы жесткость газовой пленки была оптимальной. Жесткость (упругость) газовой пленки является одним из важнейших параметров СГУ, т.к. именно от нее зависит способность уплотнительной пары противостоять неожиданным позиционным смещениям (например помпаж иди осевой сдвиг). Упругость газовой пленки определяется следующим образом:

 

 

 

 Определив:

 

 

                

 

Подставляем 5 и6 в 4:

 

 

 

Для уплотнений среднего диаметра эта величина приближенно равна 3кН/мкм.

 

2.1. Основные типы газовых уплотнений

 

Рис 6. Компоновка одиночного торцевого уплотнения.

 

Подобная конструкция применяется при условии, что рабочая среда  компрессора инертные или нетоксичные газы, и при условии довольно низких требований к безопасности технологических процессов.

 

 

Рис 7. Компоновка торцевого уплотнения с оппозиционным расположением картриджей 

 

Такая схема применяется для минимизации утечек уплотнительного газа, например в случае биологически опасных газов.

Наиболее широкое распространение в промышленности получили торцевые уплотнения типа «Тандем». Конструктивно состоит из двух уплотнений, расположенных в одном картридже. Идеально подходит с точки зрения надежности и безопасности при магистральном транспорте природного газа. Все рассматриваемые ниже требования к эксплуатации и разработке систем сухих газовых уплотнений будут относиться, в основном, к типу «Тандем».

 

Рис 8. Торцевое уплотнение типа «Тандем».

 

 Первичный газовый затвор действует как основной, а вторичный является резервным. Отфильтрованный газ подается в полость между картриджем уплотнения и внутренним лабиринтом. Большая часть этого газа будет перетекать обратно в компрессор по внутреннему лабиринту, обеспечивая отсутствие жидкости и механических частиц в уплотняющей полости, которые могут повредить газовый затвор. Небольшая часть подаваемого газа будет перетекать через уплотняющий зазор в полость между картриджами первой и второй ступени. Эта полость вентилируется, и утечка отводится на свечу. Картридж второй ступени будет уплотняться газовой утечкой из первой ступени или разделительным газом (опционально, если предъявляются повышенные требования к безопасности процесса) и функционирует как резервное уплотнение. Для изоляции газового уплотнения от подшипниковых камеры и предотвращения попадания масла на уплотнительные поверхности служит барьерное уплотнение. Оно также выполняет функцию уплотнения "последнего шанса" на случай катастрофических разрушений газовых затворов 1 и 2 ступени. Конструктивно обычно выполняется в виде лабиринтного уплотнения или сегментного графитового кольца. Уплотнение достигается за счет подачи буферного воздуха. Графитовое кольцо дает некоторое преимущество, в основном за счет более низких требований к расходу буферного газа (воздуха),  по сравнению с лабиринтными барьерными уплотнениями, т.к. имеет  меньший  зазор с валом компрессора.

 

III. Технологические стандарты и требования к проектированию и эксплуатации систем сухих газовых уплотнений.

 

Использование СГУ в составе газоперекачивающих агрегатов требует установки вспомогательного оборудования, выполняющего следующие задачи:

- обеспечение подачи уплотняющего газа с заданными параметрами к картриджам СГУ на всех режимах работы ГПА.

- обеспечение подачи разделительного газа с заданными параметрами  к барьерным уплотнениям.

- мониторинг технического состояния картриджа уплотнения.

 

3.1. Требования к источнику уплотняющего газа

 

 При проектировании систем СГУ разработчики газоперекачивающего оборудования должны предусмотреть подачу уплотняющего газа с заданными параметрами на всех режимах работы ГПА. Система подачи уплотняющего газа должна обеспечить превышение давления уплотняющего газа над расчетным давлением   Р₁+Δ  на величину не менее чем 3,5 кгс/см² на всех режимах работы ГПА, включая аварийный и нормальный останов, запуск ГПА, работа на режиме «Кольцо», режимы с малыми степенями сжатия, в точке подключения для обеспечения адекватного регулирования величины перепада «газ-газ».

 Система фильтрации должна обеспечивать отсутствие в уплотняющем газе механических примесей более 10 мкм, 99,7 % фильтрацию по влаге в точке подключения. Также критически важно не допустить потенциальной возможности конденсации влаги внутри полости установки картриджа и на самой уплотняющей паре из-за эффекта Джоуля-Томпсона при последовательном прохождении уплотняющего газа через запорную арматуру, уплотнительный зазор и свечи. Вода может захватываться газом, движущимся с высокой скоростью, и попадать на уплотнительные поверхности, а также вызывать эрозию зубьев лабиринтов, что приведет к увеличению потока газа, проходящего через картридж СГУ. В целях избегания возможной конденсации API 614 требует, чтобы  температура уплотняющего газа была выше точки росы на 7-10⁰ C.

 

 

Рис 9. Фазовая диаграмма углеводородного газа.

 

Из фазовой диаграммы углеводородного газа, изображенной на рисунке видно, что точка росы при давлении 75 кгс/см² равна 100⁰ F или 38⁰ С. Если уплотняющий газ в точке подключения будет иметь температуру выше точки росы на 7⁰ С, в соответствии с требованиями API 614, то при снижении давления до атмосферного он все равно пройдет через смешанную фазу. Таким образом, требования API 614 необходимо распространить только на состояние уплотняющего газа непосредственно перед подачей к уплотнительной паре. Требования к точке росы в точке подключения необходимо определять индивидуально, исходя из условий работы газопровода.

 

3.2. Требования к фильтрация

 

Фильтры уплотняющего газа устанавливаются сразу за точкой подключения стойки СГУ. Они должны использоваться как финальная ступень очистки. Качество газа, подаваемого на фильтрацию должно соответствовать требованиям, заявленным в предыдущем пункте. Устанавливаются два параллельных фильтра, позволяющих произвести замену фильтрующего элемента при работе ГПА и выполненных в корпусе из нержавеющей стали. Как описано выше, уплотнительный зазор составляет 3-5 мкм, следовательно, система фильтрации должна обеспечивать абсолютную фильтрацию менее 3-х микрон. API 614 предписывает использование коалесцирующих фильтрующих элементов, т.к. они в равной степени успешно справляются с фильтрацией механических и жидких примесей.  Стандарт требует наличия автоматизированного дренажа, скапливающейся влаги, однако, более экономически обоснованно оборудование фильтра ручным дренажным вентилем. При этом в инструкции для обслуживающего персонала должны быть включены действия по продувке фильтров перед запуском компрессора и в процессе нормальной работы. Аккумулирование жидкости в корпусах фильтров должно быть минимальным в процессе работы ГПА на режиме. Необходимо наличие системы контроля перепада давления на фильтрах. При достижении максимально допустимого перепада САУ ГПА  обеспечивает срабатывание предупредительной сигнализации.

 

3.3. Управление и контроль

 

Широкое распространение получили два основных метода контроля - это контроль перепада «газ-газ» и контроль расхода уплотняющего газа. Система контроля перепада обеспечивает постоянное заданное значение превышения давления уплотняющего газа над давлением всаса. Перепад «газ-газ» достигается за счет редуцирования уплотняющего газа на клапане регуляторе, управляемого по выбранному  закону регулирования.

Управление расходом уплотняющего газа  осуществляется либо ручными игольчатыми вентилями по показанию расходомера, либо в автоматическом режиме клапаном регулятором, управляемым по выбранному  закону регулирования. В линии подачи газа к СГУ необходимо установить обратные клапаны на случай увеличения давления со стороны нагнетателя.

САУ ГПА обеспечивает информирование оператора о снижении расхода или перепада ниже установленных значений и срабатывание предупредительной сигнализации (аварийного останова).

Базовым назначением системы управления и контроля является обеспечение перетока газа через лабиринтное уплотнение в задуммисную полость нагнетателя, исключающего возможности реверсивного потока неочищенного процесс-газа в установочную полость картриджа СГУ и его прокачки через уплотнительную поверхность  пары. Индустриальный стандарт расхода газа 5 м/с. При таком расходе обеспечивается минимальная допустимая скорость газового потока через лабиринт, при которой исключена возможность загрязнения поверхностей уплотнительной пары.

Скорость истечения газа через внутреннее лабиринтное уплотнение может изменяться в реальных условиях эксплуатации в зависимости от величины зазора между валом и лабиринтом. Представляется целесообразным обеспечить работоспособность системы управления расхода уплотняющего газа до скоростей равных 10 м/c. Такой подход позволит обеспечить работоспособность систем СГУ при увеличенных значениях зазора между лабиринтом и валом, что может произойти при длительной эксплуатации компрессора.

Вторым важным фактором является снижение расхода уплотняющего газа. Большая его часть перетекает в полость компрессора и лишь крайне незначительное количество действительно требуется для работы уплотняющей пары. Такая рециркуляция газа через компрессор снижает энергетическую эффективность аппарата и увеличивает стоимость систем СГУ, вследствие увеличения геометрических размеров вспомогательного оборудования (фильтров, вентилей, диаметр трубопроводов).

Для достижения постоянных заданных скоростей газа и минимизации расхода уплотнительного газа предпочтительно использовать контроль расхода уплотняющего газа. Преимуществом данного способа является и отказ от необходимости измерения давления в полости нагнетателя, что дополнительно снижает стоимость оборудования.

 

3.4. Требование к модулю буферного газа

 

 Буферный газ требуется для работы барьерного уплотнения.  Давления буферного газа должно соответствовать, заявленному фирмой производителем барьерного уплотнения, с учетом потери давления в технологических трубопроводах. Наиболее часто в качестве буферного  газа используется инструментальный воздух. Его использование требует уделять повышенное внимание безопасным приемам эксплуатации системы СГУ. Наиболее предпочтительным является использование в качестве буферного газа азота.

 К буферному газу предъявляются более мягкие требования к степени фильтрации.

В точке подвода воздуха степень фильтрации должна составлять примерно 10 микрон и степень очистки от влаги 99,97%

Буферный газ подлежит фильтрации сразу после точки подключения. Стандарт API 614 требует наличия 2-х параллельно включенных фильтров. Наличие одного фильтра в корпусе из нержавеющей стали является вполне приемлемым и более экономически выгодным решением. Фильтр оборудуется байпасной линией для проведения технического обслуживания и замены фильтрующих элементов. Так же как и в случае фильтрации уплотнительного газа требуется наличие коалесцирующих фильтрующих элементов 5 мкм (абсолютная фильтрация).

 Фильтры должны быть оборудованы системой контроля перепада давления на фильтрах. При достижении максимально допустимого перепада необходимо срабатывание предупредительной сигнализации.

API 614 требует наличия системы контроля перепада между давлением буферного газа и давлением газа после второй ступени картриджа СГУ. Контроль осуществляется при помощи автоматического  пневматического регулятора. Перепад давления между давлением газа после второй ступени СГУ и буферным газом обычно должен быть 0.2-0.35 кгс/см² для лабиринтного и  0.35-0.75 кгс/см² для сегментного барьерного уплотнения.

Необходима индикация перепада давления между буферным воздухом и давлением в вентиляционной полости 2-го каскада СГУ.

Наличие давления буферного газа является необходимым условием алгоритма запуска ГПА. САУ обеспечивает блокировку ПНС на запуске и выполнение вынужденного останова при исчезновении расхода буферного газа (воздуха) на режиме.

 

 

Рис 10. Типовая технологическая схема модуля фильтрации буферного газа (воздуха).

 

Рис 11. Типовая технологическая схема модуля контроля перепада буферного газа (воздуха).

 

3.5. Свеча после второго каскада СГУ

 

 Мониторинг технического состояния второго каскада СГУ по аналогии с первым каскадом не представляется возможным, т.к. величина утечки через второй картридж крайне незначительна. Необходимо оборудовать свечи дренажными вентилями, т.к. эффективность работы барьерного уплотнения  можно определить по наличию конденсата масла в трубопроводах. Если перепад между давлением буферного воздуха и давлением в вентиляционной камере после второго картриджа  СГУ отсутствует, то возможна миграция масла к уплотнительным поверхностям второго картриджа и наличие масла в дренаже свечных трубопроводов. Длительная работа с системой подвода буферного воздуха, которая не соответствует спецификациям фирмы изготовителя, может приводить к преждевременному выходу из строя второй ступени картриджа СГУ. И наоборот, если при продувке дренажных вентилей влага отсутствует, то это говорит о нормальном функционировании барьерного уплотнения и второго каскада СГУ. В инструкции для обслуживающего персонала должны быть включены действия по продувке дренажных линий и в процессе нормальной работы.

 При использовании буферного воздуха в качестве разделительного газа и природного газа в качестве процесс-газа необходимо уделять повышенное внимание безопасной эксплуатации системы. Как известно метан в смеси с воздухом способен образовывать взрывоопасные смеси при концентрациях 5-15% об. Таким образом, концентрация метана в смеси, сбрасываемой после второй свечи должна быть заведомо ниже низшей границы образования взрывоопасной смеси. Обычно расчет ведется с 50% запасом от низшей границы с учетом возможности выхода из строя первого каскада СГУ.

 

IV. Проблемы, возникающие при эксплуатации систем СГУ

 

 В последнее время выявился ряд недостатков конструкции СГУ, приводивших к случаям массовых отказов. По информации из зарубежных источников имел место массовый выход из строй систем сухих газовых уплотнений в Юго-Восточной Азии и Норвегии. Основной причиной выхода из строя являлось загрязнение уплотняющих поверхностей картриджей СГУ на нестационарных режимах работы компрессорного оборудования.

При попадании примесей в уплотнительный зазор возможны как значительное увеличение величины утечки газа, так и выход из строя уплотнительной пары с ее последующей заменой. Вследствие резкого увеличения силы трения происходит перегрев вращающихся поверхностей, что приводит к деформациям O-образных уплотнительных колец, нарушению геометрии,  разрушению вращающегося кольца и т.д.

 Можно выделить следующие источники загрязнения уплотнительных поверхностей:

         - контакт с процесс-газом.

         - миграция масла в полость картриджа уплотнений со стороны подшипниковых камер.

         - несоответствие характеристик уплотняющего газа заявленным  производителем СГУ (степень фильтрации ниже 3мкм).

Загрязнения поверхностей уплотнительной пары характерны для компрессорного оборудования,  использующего газ после сжатия в качестве уплотнительного. Проблема возникает на нестационарных режимах работы, для которых характерна низкая степень сжатия, из-за отсутствия перепада «газ-газ» или расхода уплотнительного газа ниже номинальных значений. Такие ситуации возникают при запуске оборудования, при работе на низких степенях сжатия, при останове и разгерметизации компрессора.

Наличие опасности загрязнений СГУ требует принятия мер, направленных на исключения контакта уплотняющих поверхностей с процесс-газом и  миграции масла в зону второго картриджа. Если есть возможность, то для работы СГУ на нестационарных режимах  работы необходимо использовать уплотняющий газ из дополнительных источников; свести к минимуму число пусков-остановов ГПА.

Наиболее очевидным техническим решением проблемы является установка в систему СГУ дополнительного компрессора низкой производительности  для принудительного увеличения давления уплотнительного газа на нестационарных режимах  работы. Преимуществом такого подхода является возможность модернизации существующего оборудования.  Конкретный вариант будет рассмотрен ниже.

Специалистами фирмы «Caydon Corp.» предложено оригинальное решение,  связанное с модификацией компрессора. Вместо лабиринтного уплотнения устанавливается  сегментное уплотнение оригинальной конструкции, которое пропускает поток газа только при наличии перепада газа выше  определенного значения и только в сторону газовой полости нагнетателя. При недостаточном давлении уплотнительного газа запирающий поршень (кольцо) под действием пружин прижимается к поверхности картриджа СГУ и изолирует полость установки картриджа газового уплотнения  от доступа «процесс-газа», предотвращая возможность загрязнения. При появлении расхода газа с давлением, превышающим давление в задуммисной полости  компрессора, поршень перемещается в нормально открытое положение. Таким образом, при предъявлении более жестких требований к системам СГУ неизбежно дальнейшее увеличение их стоимости.

 

Рис 12. Сегментное уплотнение.

 

V. Эксплуатация СГУ в составе ГПА-12 "Урал"

 

 Обеспечение высокой степени очистки от механических примесей является необходимым условием длительной и эффективной эксплуатации системы СГУ.

Уплотнительный газ подается из-за крана № 2 обвязки ГПА и подвергается двойной очистке, сначала на сетчатом фильтре с ячейкой 0,15 мм., затем на коалесцирующих фильтрах фирмы "Balston". Материал фильтрующих элементов - микроволокна боросиликатного стекла. Фильтрование газа до 0,1 мкм - 93%. Степень загрязнения фильтра посторонними частицами контролируется датчиком перепада давления.

Расход очищенного газа управляется контрольным пневматическим клапаном-регулятором перепада давления в качестве первичного управляющего устройства, и игольчатым клапаном в качестве вторичного управляющего устройства (выставляется заданный расход непосредственно на каждый картридж). Таким образом, реализована смешанная схема автоматического контроля перепада «газ-газ» и ручного контроля расхода уплотнительного газа. Работой клапана управляет пневматический контроллер, сравнивая сигнал, получаемый им от дифманометра с уставкой. Пневматический дифференциальный датчик давления - это динамометрический прибор для измерения перепадов давления и преобразования его в пропорции от 20 до 100 кПА. Низкое давление приходит из-за думмисной полости нагнетателя, а высокое - давление уплотнительного газа после клапана-регулятора. Контроллер непрерывно детектирует разность между рабочим измерением (в данном случае выходной сигнал дифманометра) и заданным значением регулируемой величины (перепад) и обеспечивает выходной сигнал, который представляет собой функцию этой разности и типа контроля. Перепад «газ-газ» составляет 1.5-1.7 кгс/см² (сигнал предупреждения подается при давлении 1 кгс/см²) Расход уплотнительного газа 385 норм. м³/ч и 427 норм. М³/ч соответственно и выставляется по показаниям расходомеров.

 Система буферного газа предназначена для подачи инертного газа (в данном случае воздуха) в барьерное уплотнение (ступенчатое лабиринтное уплотнение) для отделения смазочного масла и для подвода воздуха к контрольно-измерительным приборам СГУ. При запуске и останове агрегата буферный воздух поступает от компрессора буферного воздуха (КБВ). Инструментальный воздух подается от компрессора КИП (КВК). При работе ГПА буферный воздух отбирается из-за седьмой ступени ОК двигателя ГТУ. Воздух проходит через теплообменник и подается на стойку управления СГУ. Регулирование расхода осуществляется понижающим регулятором воздушного давления, являющимся автономным средством управления. Давление за регулятором устанавливается равным 1 кгс/см². Подача приборного воздуха к средствам автоматического управления перепуском газа также осуществляется от 7 ступени.

 Газ, прошедший через уплотнительный зазор первой ступени уплотнения отводится через основные вентиляционные отверстия (номинальный расход 3.6 м³/ч). Небольшое количество газа, прошедшее через зазор второй ступени смешивается с буферным воздухом и отводится в атмосферу.

 Уже в процессе пуско-наладки и сдачи КС «Ставропольская» в эксплуатацию возникли серьезные претензии к системе обеспечения буферным воздухом. На технологической схеме можно увидеть, что компоновка модуля не отвечает требованиям стандарта API 614 и 617. Установленные КБВ оказались крайне  низкого качества. Два из них просто вышли из строя с наработкой на отказ около 30 часов (разрушение полумуфты, заклинивание роторов). Сжатый воздух после компремирования  не соответствовал заявленным характеристикам как по давлению (0.6 кгс/см² вместо 1 кгс/см²), так и по содержанию влаги, масла и механических примесей. Никакой фильтрации не было предусмотрено; не выполнено и регулирование перепада между давлением буферного воздуха и давлением газа после второй ступени картриджа СГУ. Инструментальный воздух КИП и А даже при установленных штатных фильтрах-осушителях, также содержал много капельной влаги, что приводило к необходимости постоянной продувки импульсных линий.

 Эксплуатационным персоналом КС при участии ПОЭКС ООО «Кавказтрансгаз» была произведена модернизация системы буферного воздуха. Осуществлен переход на централизованное снабжение буферным воздухом от станционной воздушной компрессорной. Она оснащена двумя агрегатами «Atlas-Copco» ZT75, которые представляют собой двухступенчатые винтовые компрессоры с механическим приводом от электродвигателя. Система управления обеспечивает работу в автоматическом режиме,  а также защиту компрессора и контроль состояния компонентов. Компрессоры подают сжатый воздух без примесей масла давлением до 7 кгс/см² и расходом 700 м³/ч в осушители воздуха адсорбционного типа, предназначенные для удаления влаги из сжатого воздуха (точка росы -30⁰ С). Очищенный и осушенный воздух поступает в ресивер объемом 5м³.  Была выполнена разводка от стоек сжатого воздуха и произведена врезка в трубопровод отбора воздуха от 7 ступени турбокомпрессора ГТУ.

Переход на снабжение буферным и управляющим воздухом от компрессорной сжатого воздуха обеспечил следующие преимущества перед штатным оборудованием:

- Обеспечена  высокая степень надежности и исключена возможность загрязнения второй ступени картриджа СГУ на запуске.

- Значительно снижен уровень шума от работы КБВ.

- Обеспечена устойчивая работа систем управления и контроля СГУ на запуске газоперекачивающего агрегата.

- После выполнения доработок параметры подводимого  воздуха в основном соответствовали требованиям API 614, 617.

Как выяснилось в дальнейшем, по опыту эксплуатации КС “Краснодарская” и других компрессорных станций,  несоблюдение требований API 614,617 по качеству подготовки буферного газа помимо потенциального негативного воздействия на картриджи СГУ часто приводило к конденсации влаги в трубопроводах подвода буферного воздуха, их перемерзанию и вынужденному останову ГПА, вследствие отсутствия буферного воздуха.  НПО «Искра-Турбо-Газ» предложила ряд конструкторских доработок КУ 227/471, направленных на исправление выявленных замечаний. В частности предлагается сегментировать змеевик охлаждения буферного воздуха после 7-ой ступени турбокомпрессора ГТУ с целью увеличения температуры воздуха в зимний период работы, перенос трубы  подачи воздуха от КБВ  на крышу отсеков и установка спаренных фильтров перед подачей буферного воздуха к клапану регулятору в соответствии с требованиями API 614, 617. Результаты выполнения конструкторских указаний отображены на технологической схеме.

 При эксплуатации ГПА-12 «Урал» службой ГКС отмечена традиционная проблема для компрессоров с сухими газовыми уплотнениями, использующими в качестве уплотнительного газа  природный газ со стороны нагнетания. На переходных режимах работы не обеспечивается расход уплотнительного газа с заданными характеристиками и резко увеличивается возможность загрязнения уплотнительных поверхностей СГУ.

 

 

Рис 13. Работа ГПА на нестационарных режимах. Расход уплотнительного газа через уплотнительный зазор снижен.

 

 

 

Рис 14.  Работа ГПА на нестационарных режимах. Перепад «газ-газ» отсутствует.

 

На фото видно, что при работе ГПА в данном случае  на режиме «кольцо» нет перепада «газ-газ» и заданного расхода газа. Обороты газогенератора 9980 об/мин; свободной турбины 4200 об/мин; давление на входе в компрессор 51 кгс/см². В настоящий момент персонал КС «Ставропольская» старается свести к возможному минимуму число горячих пусков и остановов ГПА и не допускать длительной работы на «малом кольце».

Исходя из особенностей эксплуатации газоперекачивающего оборудования, предложено оборудовать КС переносной установкой принудительного повышения давления уплотнительного газа на нестационарных режимах работы. Принципиальную схему модуля можно увидеть на общей технологической схеме СГУ. Линия подвода уплотнительного газа к фильтрам оборудуется фланцами с быстросъемными соединениями и обратным клапаном между ними, для предотвращения реверсивного потока газа с повышенным давлением к точке отбора за краном № 2. Пока ГПА работает на режимах с малыми степенями сжатия и нет расхода газа с заданным давлением, превышающим давление  на 3.5-4 кгс/см² , САУ ГПА отдает команду на включение вспомогательного компрессора переносной установки. Система принудительного увеличения давления уплотнительного газа обеспечивает во время своей работы необходимый расход газ через лабиринт и предотвращает возможность прокачки процесс-газа через СГУ. Как только степень сжатия достигает контрольного значения, САУ отключает электродвигатель компрессора и отсекает установку от трубопровода подачи газа к газовым уплотнениям, закрывая соответствующие шаровые краны. На случай неконтролируемого роста давления на выходе вспомогательного компрессора предусмотрена установка предохранительного клапана. В качестве компрессора, повышающего давление уплотнительного газа возможно использование компрессоров двухсотой серии фирмы «Haskel». Есть возможность приобрести готовое изделие фирмы «Flowserve Corp», выпускаемое под торговой маркой «AmpliFlow». В модельном ряде присутствует портативная установка повышения давления.

 

VI. Заключение.

 

В данной выпускной квалификационной работе по теме: ”Применение СГУ в маслосистеме нагнетателя 6V-3. Экономическая целесообразность их применения” нами были рассмотрены следующие вопросы:

• Преимущества газовых уплотнений;
• Принцип действия СГУ;
• Технологические стандарты и требования к проектированию и эксплуатации систем сухих газовых уплотнений;
• Проблемы, возникающие при эксплуатации систем СГУ;
• Эксплуатация СГУ в составе ГПА-12 "Урал".
• Экономическая целесообразность их применения

Сухие газовые уплотнители существенно уменьшают эмиссию метана. В тоже самое время они значительно снижают эксплуатационные расходы и увеличивают эффективность работы компрессора. Экономические и экологические выгоды от применения сухих уплотнителей включают следующее.

★ Интенсивность утечки газа. В течение нормального периода эксплуатации объем утечек через каждый сухой уплотнитель изменяется от 0,5 до 3 фут.3/мин. (от 0,01 до 0,08 м3/мин.) в зависимости от размера уплотнителя и рабочего давления. Хотя данное значение эквивалентно интенсивности утечек через поверхности влажных уплотнителей, надо учитывать, что при установленных влажных уплотнителях происходит дополнительная эмиссия от дегазации циркулирующего масла. Обычно газ из масла выпускается в атмосферу, удваивая общий объем утечек через уплотнители, и составляет 40-200 фут.3/мин. (1,1- 5,6 м3/мин.), в зависимости от размера и рабочего давления компрессора.

★ Упрощенность механической конструкции. Системы сухих уплотнителей не требуют установки сложных компонентов, обеспечивающих циркуляцию масла, и устройств по его обработке.

★ Снижение энергопотребления. Ввиду того, что для сухих уплотнителей не требуется дополнительных насосных систем для циркуляции масла, при их установке нет "побочного" оборудования, потребляющего электроэнергию и, следовательно, нет потерь электроэнергии. Системы влажных уплотнителей потребляют от 50 до 100 кВтч электроэнергии, в то время как системам сухих уплотнителей достаточно 5 кВтч.

★ Повышенная надежность. Большая часть простоев компрессора с влажными уплотнителями обусловлена проблемами в системе уплотнений. Системы сухих уплотнителей имеют меньшее число вспомогательных узлов, что и обеспечивает повышение общей надежности и снижение количества времени простоев компрессора.

★ Меньший объем ТО. Системы сухих уплотнителей имеют низкие затраты на ТО по сравнению с системами влажных уплотнителей, так как у них отсутствуют подвижные детали, обязательные при циркуляции масла (например, насосы, клапаны управления, перепускные клапаны).

★ Исключение утечек масла из влажных уплотнителей. Замена влажных уплотнителей на сухие исключает утечку уплотняющего масла в трубопровод и тем самым не происходит загрязнения газа и ухудшения технических характеристик трубопровода.

 

VII. Приложение

 

Технологическая система стойки СГУ ГПА 12 "Урал"

 

 

 

 

 

 

Приобететение доступа к файлам

ВНИМАНИЕ: Данная информация получена путем сканирования, цифровой обработки физических носителей или обмена с неравнодушными пользователями. Она не имеет отметок грифа секретности и тайны, если вы считаете, что эта информация нарушает Ваши авторские или другие права. Незамедлительно сообщите администратору для удаления ее из портала.