WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ СУХИХ ГАЗОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ Степовиков С.Н.

ООО «Кавказтрансгаз» Сухие газовые уплотнения применяются уже более 20 лет. В настоящее время свыше 80% парка 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 1999 г. 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».

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 1. Принципиальная схема уплотнительной пары _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru 2 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 2. 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 устанавливается тогда, когда закрывающие силы гидростатического давления и усилие пружины равняются открывающим усилиям, создаваемым в газовой пленке.

Рис 3. Трехмерный профиль давления, развиваемого уплотнительной перегородкой _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru Закрывающее усилие Fc представляет собой результат давления в системе плюс очень небольшое усилие пружины.

Fc = Fпружины + P Sкольца - Fтрения (1) Открывающее усилие Fo представляет собой результат падения давления в системе между уплотнительными кольцами плюс давление, создаваемое спиральными канавками.

Fo = f (rpm, P,геометрия канавок,величина зазора, характеристики газа) (2) При равновесии, т.е. когда Fc = Fo (3) 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.

Рис 4. Принцип действия СГУ _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru 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:

dF S = (4) dX Определив:

dF = Fo2 - Fo1 (5) dX = зазор /100 (6) Подставляем (5) и (6) в (4):

(Fo2 - Fo1)S = (7) зазор Для уплотнений среднего диаметра эта величина приближенно равна 3кН/мкм.

2. Основные типы газовых уплотнений Рис 5. 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.

_ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru Рис 6. 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 7. 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 _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru 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.

3. 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.

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 (P1 + ) 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 _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru картридж СГУ. В целях избегания возможной конденсации API 614 требует, чтобы температура уплотняющего газа была выше точки росы на 7-100 C.

Рис 8. 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.

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-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 _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru 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.

Рис 9. Типовая технологическая схема модуля фильтрации 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).

_ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru Рис 10. Типовая технологическая схема модуля контроля перепада «газ-газ» Рис 11. Типовая технологическая схема модуля контроля расхода уплотняющего газа _ © Нефтегазовое дело, 2005 http://www.ogbus.ru 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.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.