Двойные воздушные уплотнения для бустерных насосов, заимствованные из технологии воздушных уплотнений компрессоров, более распространены в отрасли уплотнений валов. Эти уплотнения обеспечивают нулевой выброс перекачиваемой жидкости в атмосферу, снижают сопротивление трению на валу насоса и работают с более простой системой опоры. Эти преимущества обеспечивают снижение общей стоимости решения на протяжении всего жизненного цикла.
Эти уплотнения работают за счет подачи внешнего источника газа под давлением между внутренней и внешней уплотнительными поверхностями. Особый рельеф уплотнительной поверхности создает дополнительное давление на барьерный газ, вызывая его разделение и перемещение в газовой пленке. Потери на трение невелики, поскольку уплотнительные поверхности больше не соприкасаются. Барьерный газ проходит через мембрану с низкой скоростью потока, расходуя его в виде утечек, большая часть которых просачивается в атмосферу через внешние уплотнительные поверхности. Остатки просачиваются в камеру уплотнения и в конечном итоге уносятся технологическим потоком.
Все двойные герметичные уплотнения требуют наличия жидкости под давлением (жидкости или газа) между внутренней и внешней поверхностями механического уплотнительного узла. Для подачи этой жидкости к уплотнению необходима система поддержки. В отличие от этого, в двойном уплотнении под давлением с жидкостной смазкой барьерная жидкость циркулирует из резервуара через механическое уплотнение, где она смазывает поверхности уплотнения, поглощает тепло и возвращается в резервуар, где ей необходимо рассеять поглощенное тепло. Эти системы поддержки двойных уплотнений под давлением жидкости являются сложными. Тепловые нагрузки возрастают с увеличением давления и температуры в процессе работы и могут вызывать проблемы с надежностью, если их неправильно рассчитать и настроить.
Система поддержки с двойным уплотнением на сжатом воздухе занимает мало места, не требует охлаждающей воды и минимального технического обслуживания. Кроме того, при наличии надежного источника защитного газа ее надежность не зависит от давления и температуры технологического процесса.
В связи с растущим распространением на рынке двойных воздушных уплотнений для насосов высокого давления, Американский институт нефти (API) включил программу 74 во второе издание стандарта API 682.
74. Система поддержки программы обычно представляет собой набор установленных на панели манометров 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 Плана 74, первым элементом является обратный клапан. Он позволяет изолировать подачу барьерного газа от уплотнения для замены фильтрующего элемента или обслуживания насоса. Затем барьерный газ проходит через коалесцирующий фильтр с размером пор от 2 до 3 микрометров (мкм), который задерживает жидкости и твердые частицы, способные повредить топографические особенности поверхности уплотнения, образуя газовую пленку на поверхности уплотнения. Далее следуют регулятор давления и манометр для установки давления подачи барьерного газа к механическому уплотнению.
Для газовых уплотнений с двойным напорным насосом давление подачи барьерного газа должно соответствовать или превышать минимальный перепад давления над максимальным давлением в камере уплотнения. Этот минимальный перепад давления варьируется в зависимости 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 потоком барьерного газа с помощью расходомера. Отклонения от заявленных производителями механических уплотнений скоростей потока барьерного газа указывают на снижение эффективности герметизации. Снижение потока барьерного газа может быть вызвано вращением насоса или миграцией жидкости к поверхности уплотнения (из-за загрязнения барьерного газа или технологической жидкости).
Часто после таких событий происходит повреждение уплотнительных поверхностей, а затем увеличивается поток барьерного газа. Скачки давления в насосе или частичная потеря давления барьерного газа также могут повредить уплотнительную поверхность. Сигнализация высокого расхода может использоваться для определения необходимости вмешательства для устранения высокого расхода газа. Уставка для сигнализации высокого расхода обычно находится в диапазоне от 10 до 100 раз превышающего нормальный расход барьерного газа, и обычно не определяется производителем механического уплотнения, а зависит от того, какой уровень утечки газа может выдержать насос.
Традиционно использовались расходомеры с переменным диаметром, и нередко расходомеры низкого и высокого диапазонов соединялись последовательно. Затем на расходомер высокого диапазона можно установить датчик высокого расхода для срабатывания сигнализации о высоком расходе. Расходомеры с переменным диаметром можно калибровать только для определенных газов при определенных температурах и давлениях. При работе в других условиях, например, при колебаниях температуры между летом и зимой, отображаемый расход нельзя считать точным значением, но он близок к фактическому значению.
С выходом стандарта API 682 4-го издания измерения расхода и давления перешли от аналоговых к цифровым с локальными показаниями. Цифровые расходомеры могут использоваться как расходомеры с переменным диаметром поршня, преобразующие положение поплавка в цифровые сигналы, или как массовые расходомеры, автоматически преобразующие массовый расход в объемный. Отличительной особенностью массовых расходомеров является то, что они обеспечивают выходные сигналы, компенсирующие давление и температуру, для получения истинного расхода в стандартных атмосферных условиях. Недостатком является то, что эти устройства дороже, чем расходомеры с переменным диаметром поршня.
Проблема использования расходомера заключается в поиске датчика, способного измерять поток газа в условиях нормальной работы и при высоких значениях, вызывающих аварийную ситуацию. Датчики расхода имеют максимальные и минимальные значения, которые можно точно считывать. В диапазоне между нулевым и минимальным значениями выходной расход может быть неточным. Проблема в том, что по мере увеличения максимального расхода для конкретной модели расходомера увеличивается и минимальный расход.
Одно из решений — использовать два датчика (один низкочастотный и один высокочастотный), но это дорогостоящий вариант. Второй метод — использовать датчик расхода для нормального рабочего диапазона и высокочастотный переключатель с аналоговым расходомером высокого диапазона. Последним компонентом, через который проходит барьерный газ, является обратный клапан, прежде чем он покинет панель и соединится с механическим уплотнением. Это необходимо для предотвращения обратного потока перекачиваемой жидкости в панель и повреждения прибора в случае нештатных технологических нарушений.
Обратный клапан должен иметь низкое давление открытия. Если выбор клапана неверен или если воздушное уплотнение двухнапорного насоса имеет низкий барьерный газовый поток, можно заметить, что пульсация барьерного газового потока вызвана открытием и повторным закрытием обратного клапана.
Как правило, в качестве защитного газа используется заводской азот, поскольку он легкодоступен, инертен и не вызывает нежелательных химических реакций в перекачиваемой жидкости. Также могут использоваться инертные газы, которые недоступны, например, аргон. В случаях, когда требуемое давление защитного газа превышает давление заводского азота, можно использовать повышающий насос для увеличения давления и хранения газа высокого давления в ресивере, подключенном к входному отверстию панели Plan 74. Использование баллонов с азотом обычно не рекомендуется, поскольку это требует постоянной замены пустых баллонов на полные. Если качество уплотнения ухудшается, баллон можно быстро опорожнить, что приведет к остановке насоса и предотвратит дальнейшее повреждение и выход из строя механического уплотнения.
В отличие от систем с жидкостным барьером, опорные системы Plan 74 не требуют непосредственной близости к механическим уплотнениям. Единственным недостатком здесь является удлиненная часть трубы малого диаметра. В периоды высокого расхода (деградация уплотнения) в трубе может происходить падение давления между панелью Plan 74 и уплотнением, что снижает барьерное давление, доступное уплотнению. Увеличение диаметра трубы может решить эту проблему. Как правило, панели Plan 74 устанавливаются на подставке на удобной высоте для управления клапанами и считывания показаний приборов. Кронштейн может быть установлен на опорной плите насоса или рядом с насосом, не мешая осмотру и техническому обслуживанию насоса. Следует избегать опасностей спотыкания на трубах/трубопроводах, соединяющих панели Plan 74 с механическими уплотнениями.
Для насосов с двумя механическими уплотнениями, расположенными на каждом конце насоса, не рекомендуется использовать одну панель и отдельный выход для барьерного газа к каждому механическому уплотнению. Рекомендуемое решение — использовать отдельную панель Plan 74 для каждого уплотнения или панель Plan 74 с двумя выходами, каждый со своим набором расходомеров и датчиков расхода. В регионах с холодными зимами может потребоваться зимовка панелей Plan 74. Это делается в первую очередь для защиты электрооборудования панели, обычно путем помещения панели в корпус и добавления нагревательных элементов.
Интересным явлением является увеличение скорости потока барьерного газа с понижением температуры подаваемого барьерного газа. Обычно это остается незамеченным, но может стать заметным в местах с холодными зимами или большими перепадами температур между летом и зимой. В некоторых случаях может потребоваться корректировка заданного значения срабатывания сигнализации о высоком расходе для предотвращения ложных срабатываний. Воздуховоды панелей и соединительные трубы/трубы должны быть продуты перед вводом панелей Plan 74 в эксплуатацию. Проще всего это сделать, установив вентиляционный клапан на или рядом с соединением механического уплотнения. Если выпускной клапан недоступен, систему можно продуть, отсоединив трубу/трубу от механического уплотнения, а затем снова подсоединив ее после продувки.
После соединения панелей Plan 74 с уплотнениями и проверки всех соединений на герметичность, регулятор давления можно отрегулировать до заданного давления в системе. Перед заполнением насоса технологической жидкостью панель должна подавать сжатый барьерный газ к механическому уплотнению. Уплотнения и панели Plan 74 готовы к запуску после завершения процедур ввода насоса в эксплуатацию и вентиляции.
Фильтрующий элемент необходимо проверять через месяц эксплуатации или каждые шесть месяцев, если загрязнений не обнаружено. Интервал замены фильтра зависит от чистоты подаваемого газа, но не должен превышать трех лет.
Во время плановых проверок следует проверять и регистрировать скорость потока барьерного газа. Если пульсация потока барьерного воздуха, вызванная открытием и закрытием обратного клапана, достаточно велика, чтобы вызвать срабатывание сигнализации о высоком расходе, может потребоваться увеличить значения срабатывания сигнализации во избежание ложных срабатываний.
Важным этапом вывода из эксплуатации является изоляция и сброс давления защитного газа, которые должны быть последними. Сначала изолируйте и сбросьте давление в корпусе насоса. После того, как насос будет приведен в безопасное состояние, давление подачи защитного газа можно отключить и удалить давление газа из трубопровода, соединяющего панель Plan 74 с механическим уплотнением. Перед началом любых работ по техническому обслуживанию необходимо слить всю жидкость из системы.
Двойные воздушные уплотнения для насосов высокого давления в сочетании с системами поддержки Plan 74 обеспечивают операторам решение для герметизации вала с нулевым уровнем выбросов, меньшими капитальными затратами (по сравнению с уплотнениями с жидкостными барьерными системами), сниженной стоимостью жизненного цикла, компактными размерами системы поддержки и минимальными требованиями к техническому обслуживанию.
При установке и эксплуатации в соответствии с передовыми методами, это решение для изоляции может обеспечить долговременную надежность и повысить доступность 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 — руководитель продуктовой группы в компании John Crane. Сэвидж имеет степень бакалавра наук в области инженерии, полученную в Сиднейском университете, Австралия. Для получения дополнительной информации посетите сайт johncrane.com.
Дата публикации: 08.09.2022