Двойные воздушные уплотнения для подкачивающих насосов, разработанные на основе технологии воздушных уплотнений компрессоров, более распространены в области уплотнений вала. Эти уплотнения обеспечивают нулевой выброс перекачиваемой жидкости в атмосферу, снижают трение вала насоса и работают с более простой системой опор. Эти преимущества обеспечивают снижение общей стоимости жизненного цикла решения.
Эти уплотнения работают за счёт подачи внешнего источника сжатого газа между внутренней и внешней уплотнительными поверхностями. Особый рельеф уплотнительной поверхности создаёт дополнительное давление на барьерный газ, что приводит к разделению уплотнительной поверхности и её «плаванию» в газовой плёнке. Потери на трение невелики, поскольку уплотнительные поверхности больше не соприкасаются. Барьерный газ проходит через мембрану с низкой скоростью, расходуя его в виде утечек, большая часть которых попадает в атмосферу через внешние уплотнительные поверхности. Остатки газа просачиваются в уплотнительную камеру и в конечном итоге уносятся технологическим потоком.
Для всех двойных герметичных уплотнений требуется жидкость под давлением (или газ) между внутренней и внешней поверхностями узла механического уплотнения. Для подачи этой жидкости к уплотнению требуется система поддержки. В отличие от этого, в двойном герметичном уплотнении с жидкой смазкой затворная жидкость циркулирует из резервуара через механическое уплотнение, где она смазывает поверхности уплотнения, поглощает тепло и возвращается в резервуар, где она рассеивает поглощенное тепло. Эти системы поддержки двойных герметичных уплотнений с жидкостной смазкой сложны. Тепловые нагрузки увеличиваются с ростом давления и температуры процесса и могут привести к проблемам с надежностью, если они не рассчитаны и не настроены должным образом.
Система двойного уплотнения сжатого воздуха занимает мало места, не требует охлаждающей воды и минимального обслуживания. Кроме того, при наличии надёжного источника защитного газа её надёжность 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 манометров и клапанов, которые продувают барьерный газ, регулируют давление на выходе и измеряют давление и расход газа к торцевым уплотнениям. Первым элементом, следующим за барьерным газом через панель Plan 74, 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 ячеек 2–3 мкм, который улавливает жидкости и твердые частицы, способные повредить рельеф поверхности уплотнения, создавая газовую пленку на поверхности уплотнения. Далее следуют регулятор давления и манометр для установки давления подачи барьерного газа к торцевому уплотнению.
Для газовых уплотнений с насосом двойного давления давление подаваемого барьерного газа должно соответствовать или превышать минимальный перепад давления, превышающий максимальное давление 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 подаваемого барьерного газа и подачи сигнала тревоги при падении давления ниже минимального значения.
Работа уплотнения контролируется расходомером затворного газа. Отклонения расхода затворного газа от заявленных производителями торцевых уплотнений указывают на снижение эффективности уплотнения. Уменьшение расхода затворного газа может быть вызвано вращением насоса или миграцией жидкости к поверхности уплотнения (из-за загрязненного затворного газа или технологической жидкости).
Часто после таких событий происходит повреждение уплотнительных поверхностей, что приводит к увеличению расхода затворного газа. Скачки давления в насосе или частичная потеря давления затворного газа также могут повредить уплотнительную поверхность. Сигнализация высокого расхода может использоваться для определения необходимости вмешательства для корректировки высокого расхода газа. Уставка сигнализации высокого расхода обычно находится в диапазоне от 10 до 100 раз больше номинального расхода затворного газа и обычно не определяется производителем торцевого уплотнения, а зависит от того, какую утечку газа может допустить насос.
Традиционно использовались расходомеры переменного сечения, и нередко расходомеры низкого и высокого диапазонов соединяются последовательно. В этом случае на расходомер высокого диапазона можно установить реле высокого расхода для подачи аварийного сигнала. Расходомеры переменного сечения калибруются только для определенных газов при определенных температурах и давлениях. При работе в других условиях, например, при колебаниях температур летом и зимой, отображаемое значение расхода не может считаться точным, но близко к фактическому.
С выходом 4-го издания API 682 измерения расхода и давления перешли с аналоговых на цифровые с локальным считыванием показаний. Цифровые расходомеры могут использоваться как ротаметры, преобразующие положение поплавка в цифровые сигналы, или как массовые расходомеры, автоматически преобразующие массовый расход в объёмный. Отличительной особенностью датчиков массового расхода является то, что они выдают выходные сигналы, компенсирующие давление и температуру для обеспечения истинного расхода при стандартных атмосферных условиях. Недостатком является более высокая стоимость этих приборов по сравнению с ротаметрами.
Проблема использования датчика расхода заключается в поиске датчика, способного измерять расход барьерного газа как в нормальном режиме работы, так и в точках срабатывания сигнализации о высоком расходе. Датчики расхода имеют максимальные и минимальные значения, которые можно точно измерить. В диапазоне между нулевым и минимальным значениями выходной расход может быть неточным. Проблема заключается в том, что по мере увеличения максимального расхода для конкретной модели датчика расхода минимальный расход также увеличивается.
Одним из решений является использование двух датчиков (низкочастотного и высокочастотного), но это дорогостоящий вариант. Второй метод заключается в использовании датчика расхода для нормального рабочего диапазона расхода и реле высокого расхода с аналоговым расходомером высокого диапазона. Последним компонентом, через который проходит барьерный газ, является обратный клапан перед тем, как барьерный газ покидает панель и попадает в торцевое уплотнение. Это необходимо для предотвращения обратного потока перекачиваемой жидкости в панель и повреждения прибора в случае нештатных нарушений технологического процесса.
Обратный клапан должен иметь низкое давление открытия. Если выбор неправильный или если воздушный затвор насоса двойного давления имеет низкий расход затворного газа, пульсация потока затворного газа может быть вызвана открытием и закрытием обратного клапана.
Как правило, в качестве барьерного газа используется азот, поскольку он легкодоступен, инертен и не вызывает неблагоприятных химических реакций в перекачиваемой жидкости. Также могут использоваться недоступные инертные газы, например, аргон. В случаях, когда требуемое давление защитного газа превышает давление азота, бустер давления может повысить давление и хранить газ высокого давления в ресивере, подключенном к входному отверстию панели Plan 74. Использование баллонов с азотом, как правило, не рекомендуется, поскольку они требуют постоянной замены пустых баллонов на полные. При ухудшении качества уплотнения баллон можно быстро опорожнить, что приведет к остановке насоса и предотвращению дальнейшего повреждения и выхода из строя торцевого уплотнения.
В отличие от систем с жидкостным барьером, опорные системы Plan 74 не требуют непосредственной близости к торцевым уплотнениям. Единственным недостатком является удлиненный участок трубы малого диаметра. В периоды высокого расхода в трубе может возникать перепад давления между панелью Plan 74 и уплотнением (деградация уплотнения), что снижает барьерное давление, воздействующее на уплотнение. Увеличение диаметра трубы может решить эту проблему. Как правило, панели Plan 74 устанавливаются на стойке 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, соединяющие панели Plan 74 с торцевыми уплотнениями.
Для насосов с межопорным креплением и двумя торцевыми уплотнениями, по одному на каждом конце насоса, не рекомендуется использовать одну панель и отдельный выход барьерного газа для каждого торцевого уплотнения. Рекомендуемое решение — использовать отдельную панель Plan 74 для каждого уплотнения или панель Plan 74 с двумя выходами, каждый со своим набором расходомеров и реле расхода. В регионах с холодными зимами может потребоваться зимняя подготовка панелей Plan 74. Это делается в первую очередь для защиты электрооборудования панели, обычно путём помещения панели в шкаф и добавления нагревательных элементов.
Интересное явление заключается в том, что расход барьерного газа увеличивается с понижением температуры подачи барьерного газа. Обычно это остаётся незамеченным, но может стать заметным в регионах с холодными зимами или большой разницей температур между летом и зимой. В некоторых случаях может потребоваться корректировка уставки сигнализации высокого расхода для предотвращения ложных срабатываний. Перед вводом панелей Plan 74 в эксплуатацию необходимо продуть воздуховоды панелей и соединительные трубы. Проще всего это сделать, установив выпускной клапан на месте соединения торцевого уплотнения или рядом с ним. При отсутствии выпускного клапана систему можно продуть, отсоединив трубу от торцевого уплотнения и подсоединив её снова после продувки.
После подключения панелей Plan 74 к уплотнениям и проверки всех соединений на герметичность регулятор давления можно настроить на заданное давление в системе. Панель должна подавать сжатый затворный газ к торцевому уплотнению перед заполнением насоса рабочей жидкостью. Уплотнения и панели Plan 74 готовы к запуску после завершения пусконаладочных работ и удаления воздуха из насоса.
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 трёх лет.
Расходы барьерного газа следует проверять и регистрировать во время плановых проверок. Если пульсация потока барьерного газа, вызванная открытием и закрытием обратного клапана, достаточно велика для срабатывания сигнализации высокого расхода, может потребоваться увеличить эти значения для предотвращения ложных срабатываний.
Важным этапом вывода из эксплуатации является то, что изоляция и сброс давления защитного газа должны быть последним этапом. Сначала изолируйте и сбросьте давление в корпусе насоса. После того, как насос приведён в безопасное состояние, можно отключить подачу защитного газа и сбросить давление газа в трубопроводе, соединяющем панель Plan 74 с торцевым уплотнением. Перед началом любых работ по техническому обслуживанию слейте всю жидкость из системы.
Воздушные уплотнения с двойным давлением насоса в сочетании с системами поддержки Plan 74 предоставляют операторам решение для уплотнения вала с нулевым уровнем выбросов, меньшие капиталовложения (по сравнению с уплотнениями с жидкостными барьерными системами), уменьшенную стоимость жизненного цикла, малую занимаемую системой поддержки площадь 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 компании John Crane. Сэвидж получил степень бакалавра наук в области инженерии в Сиднейском университете, Австралия. Подробнее на сайте johncrane.com.
Время публикации: 08 сентября 2022 г.