Двойные воздушные уплотнения для насосов подкачки, адаптированные из технологии воздушных уплотнений компрессоров, более распространены в отрасли уплотнений вала. Эти уплотнения обеспечивают нулевой сброс перекачиваемой жидкости в атмосферу, обеспечивают меньшее сопротивление трения на валу насоса и работают с более простой системой поддержки. Эти преимущества обеспечивают более низкую общую стоимость жизненного цикла решения.
Эти уплотнения работают путем введения внешнего источника сжатого газа между внутренней и внешней уплотнительными поверхностями. Особый рельеф уплотнительной поверхности оказывает дополнительное давление на барьерный газ, заставляя уплотнительную поверхность разделяться, заставляя уплотнительную поверхность плавать в газовой пленке. Потери на трение низкие, поскольку уплотнительные поверхности больше не соприкасаются. Барьерный газ проходит через мембрану с низкой скоростью потока, потребляя барьерный газ в виде утечек, большая часть которых просачивается в атмосферу через внешние уплотнительные поверхности. Остаток просачивается в уплотнительную камеру и в конечном итоге уносится технологическим потоком.
Все двойные герметичные уплотнения требуют наличия жидкости под давлением (жидкости или газа) между внутренней и внешней поверхностями узла механического уплотнения. Для подачи этой жидкости к уплотнению требуется система поддержки. Напротив, в двойном уплотнении с жидкой смазкой под давлением барьерная жидкость циркулирует из резервуара через механическое уплотнение, где она смазывает поверхности уплотнения, поглощает тепло и возвращается в резервуар, где ей необходимо рассеивать поглощенное тепло. Эти системы поддержки двойного уплотнения под давлением жидкости являются сложными. Тепловые нагрузки увеличиваются с давлением и температурой процесса и могут вызвать проблемы с надежностью, если они не рассчитаны и не установлены должным образом.
Система поддержки двойного уплотнения сжатого воздуха занимает мало места, не требует охлаждающей воды и требует минимального обслуживания. Кроме того, при наличии надежного источника защитного газа ее надежность не зависит от давления и температуры процесса.
В связи с растущим распространением на рынке воздушных уплотнений для насосов двойного давления Американский институт нефти (API) добавил Программу 74 в публикацию второго издания API 682.
74 Система поддержки программы обычно представляет собой набор монтируемых на панели датчиков и клапанов, которые продувают барьерный газ, регулируют давление на выходе и измеряют давление и поток газа к механическим уплотнениям. Следуя по пути барьерного газа через панель Plan 74, первым элементом является обратный клапан. Это позволяет изолировать подачу барьерного газа от уплотнения для замены фильтрующего элемента или обслуживания насоса. Затем барьерный газ проходит через коалесцирующий фильтр размером 2–3 микрометра (мкм), который улавливает жидкости и твердые частицы, которые могут повредить топографические особенности поверхности уплотнения, создавая газовую пленку на поверхности поверхности уплотнения. Затем следует регулятор давления и манометр для установки давления подачи барьерного газа к механическому уплотнению.
Газовые уплотнения с насосом двойного давления требуют, чтобы давление подачи барьерного газа соответствовало или превышало минимальный перепад давления выше максимального давления в камере уплотнения. Этот минимальный перепад давления зависит от производителя и типа уплотнения, но обычно составляет около 30 фунтов на квадратный дюйм (psi). Реле давления используется для обнаружения любых проблем с давлением подачи барьерного газа и подачи сигнала тревоги, если давление падает ниже минимального значения.
Работа уплотнения контролируется расходомером барьерного газа. Отклонения от расхода газа, сообщаемого производителями механических уплотнений, указывают на снижение производительности уплотнения. Снижение расхода газа может быть вызвано вращением насоса или миграцией жидкости к поверхности уплотнения (из загрязненного барьерного газа или технологической жидкости).
Часто после таких событий происходит повреждение уплотнительных поверхностей, и тогда поток барьерного газа увеличивается. Скачки давления в насосе или частичная потеря давления барьерного газа также могут повредить уплотнительную поверхность. Сигнализации высокого расхода могут использоваться для определения необходимости вмешательства для корректировки высокого расхода газа. Уставка для сигнализации высокого расхода обычно находится в диапазоне от 10 до 100 раз больше нормального потока барьерного газа, обычно не определяется производителем механического уплотнения, а зависит от того, какую утечку газа может выдержать насос.
Традиционно использовались расходомеры переменного калибра, и не редкость, когда расходомеры низкого и высокого диапазона подключаются последовательно. Затем на расходомере высокого диапазона можно установить реле высокого расхода, чтобы подать сигнал тревоги высокого расхода. Расходомеры переменного сечения можно калибровать только для определенных газов при определенных температурах и давлениях. При работе в других условиях, таких как колебания температур между летом и зимой, отображаемый расход нельзя считать точным значением, но он близок к фактическому значению.
С выпуском API 682 4-го издания измерения расхода и давления перешли от аналоговых к цифровым с локальными показаниями. Цифровые расходомеры могут использоваться как расходомеры с переменной площадью, которые преобразуют положение поплавка в цифровые сигналы, или массовые расходомеры, которые автоматически преобразуют массовый расход в объемный расход. Отличительной особенностью преобразователей массового расхода является то, что они обеспечивают выходные данные, которые компенсируют давление и температуру для обеспечения истинного расхода в стандартных атмосферных условиях. Недостатком является то, что эти устройства дороже расходомеров с переменной площадью.
Проблема с использованием датчика расхода заключается в поиске датчика, способного измерять поток барьерного газа во время нормальной работы и в точках срабатывания сигнализации высокого расхода. Датчики расхода имеют максимальные и минимальные значения, которые можно точно считать. Между нулевым расходом и минимальным значением выходной расход может быть неточным. Проблема в том, что по мере увеличения максимального расхода для конкретной модели датчика расхода минимальный расход также увеличивается.
Одним из решений является использование двух передатчиков (один низкочастотный и один высокочастотный), но это дорогой вариант. Второй метод заключается в использовании датчика расхода для нормального рабочего диапазона расхода и использовании реле высокого расхода с аналоговым расходомером высокого диапазона. Последний компонент, через который проходит барьерный газ, — это обратный клапан перед тем, как барьерный газ покидает панель и соединяется с механическим уплотнением. Это необходимо для предотвращения обратного потока перекачиваемой жидкости в панель и повреждения прибора в случае ненормальных нарушений процесса.
Обратный клапан должен иметь низкое давление открытия. Если выбор неправильный или если воздушное уплотнение насоса двойного давления имеет низкий поток барьерного газа, можно увидеть, что пульсация потока барьерного газа вызвана открытием и повторным закрытием обратного клапана.
Обычно в качестве барьерного газа используется растительный азот, поскольку он легкодоступен, инертен и не вызывает никаких неблагоприятных химических реакций в перекачиваемой жидкости. Также можно использовать недоступные инертные газы, такие как аргон. В случаях, когда требуемое давление защитного газа больше давления растительного азота, усилитель давления может повысить давление и хранить газ высокого давления в ресивере, подключенном к входному отверстию панели Plan 74. Баллоны с азотом в баллонах, как правило, не рекомендуются, поскольку они требуют постоянной замены пустых баллонов на полные. Если качество уплотнения ухудшается, баллон можно быстро опорожнить, что приведет к остановке насоса для предотвращения дальнейшего повреждения и выхода из строя механического уплотнения.
В отличие от систем жидкостного барьера, опорные системы Plan 74 не требуют близкого расположения к механическим уплотнениям. Единственным недостатком здесь является удлиненная секция трубки малого диаметра. В периоды высокого расхода в трубе может возникнуть перепад давления между панелью Plan 74 и уплотнением (деградация уплотнения), что снижает барьерное давление, доступное уплотнению. Увеличение размера трубы может решить эту проблему. Как правило, панели Plan 74 монтируются на подставке на удобной высоте для управления клапанами и считывания показаний приборов. Кронштейн можно установить на опорной плите насоса или рядом с насосом, не мешая осмотру и обслуживанию насоса. Избегайте опасности споткнуться о трубы/трубы, соединяющие панели Plan 74 с механическими уплотнениями.
Для межопорных насосов с двумя механическими уплотнениями, по одному на каждом конце насоса, не рекомендуется использовать одну панель и отдельный выход барьерного газа для каждого механического уплотнения. Рекомендуемое решение — использовать отдельную панель Plan 74 для каждого уплотнения или панель Plan 74 с двумя выходами, каждый со своим собственным набором расходомеров и реле расхода. В районах с холодными зимами может потребоваться перезимовать панели Plan 74. Это делается в первую очередь для защиты электрооборудования панели, обычно путем помещения панели в шкаф и добавления нагревательных элементов.
Интересным явлением является то, что расход барьерного газа увеличивается с уменьшением температуры подачи барьерного газа. Обычно это остается незамеченным, но может стать заметным в местах с холодной зимой или большой разницей температур между летом и зимой. В некоторых случаях может потребоваться отрегулировать уставку сигнализации высокого расхода, чтобы предотвратить ложные срабатывания. Воздуховоды панели и соединительные трубы/трубы должны быть продуты перед вводом панелей Plan 74 в эксплуатацию. Этого проще всего добиться, добавив выпускной клапан на соединение механического уплотнения или рядом с ним. Если выпускной клапан отсутствует, систему можно продуть, отсоединив трубу/трубку от механического уплотнения, а затем снова подсоединив ее после продувки.
После подключения панелей Plan 74 к уплотнениям и проверки всех соединений на герметичность регулятор давления теперь можно настроить на заданное давление в приложении. Панель должна подавать сжатый барьерный газ на механическое уплотнение перед заполнением насоса технологической жидкостью. Уплотнения и панели Plan 74 готовы к запуску после завершения процедур ввода насоса в эксплуатацию и выпуска воздуха.
Фильтрующий элемент необходимо проверять после месяца эксплуатации или каждые шесть месяцев, если не обнаружено загрязнений. Интервал замены фильтра будет зависеть от чистоты подаваемого газа, но не должен превышать трех лет.
Расходы барьерного газа следует проверять и регистрировать во время плановых проверок. Если пульсация потока барьерного воздуха, вызванная открытием и закрытием обратного клапана, достаточно велика, чтобы вызвать сигнализацию высокого расхода, эти значения сигнализации, возможно, придется увеличить, чтобы избежать ложных срабатываний.
Важным шагом при выводе из эксплуатации является то, что изоляция и сброс давления защитного газа должны быть последним шагом. Сначала изолируйте и сбросьте давление в корпусе насоса. Как только насос будет в безопасном состоянии, давление подачи защитного газа может быть отключено, а давление газа сброшено с трубопровода, соединяющего панель Plan 74 с механическим уплотнением. Слейте всю жидкость из системы перед началом любых работ по техническому обслуживанию.
Воздушные уплотнения с двойным давлением насоса в сочетании с системами поддержки Plan 74 предоставляют операторам решение для уплотнения вала с нулевым уровнем выбросов, более низкие капитальные вложения (по сравнению с уплотнениями с жидкостными барьерными системами), сниженную стоимость жизненного цикла, небольшую площадь, занимаемую системой поддержки, и минимальные требования к обслуживанию.
При установке и эксплуатации в соответствии с передовой практикой данное решение по локализации может обеспечить долгосрочную надежность и повысить готовность вращающегося оборудования.
We welcome your suggestions on article topics and sealing issues so that we can better respond to the needs of the industry. Please send your suggestions and questions to sealsensequestions@fluidsealing.com.
Марк Сэвидж — менеджер группы продуктов в John Crane. Сэвидж имеет степень бакалавра наук в области инженерии Сиднейского университета, Австралия. Для получения дополнительной информации посетите сайт johncrane.com.
Время публикации: 08.09.2022