Doppelte Druckerhöhungspumpen-Luftdichtungen, die auf der Kompressoren-Luftdichtungstechnologie basieren, finden in der Wellendichtungsindustrie immer häufiger Anwendung. Diese Dichtungen verhindern den Austritt der Förderflüssigkeit in die Atmosphäre, reduzieren den Reibungswiderstand an der Pumpenwelle und ermöglichen den Einsatz eines einfacheren Stützsystems. Diese Vorteile führen zu geringeren Gesamtlebenszykluskosten.
Diese Dichtungen funktionieren, indem eine externe Druckgasquelle zwischen die innere und äußere Dichtfläche eingeleitet wird. Die spezielle Topographie der Dichtfläche übt zusätzlichen Druck auf das Sperrgas aus, wodurch sich die Dichtfläche ablöst und im Gasfilm schwimmt. Da die Dichtflächen keinen Kontakt mehr haben, sind die Reibungsverluste gering. Das Sperrgas strömt mit geringer Durchflussrate durch die Membran und wird dabei durch Leckagen verbraucht, die größtenteils über die äußeren Dichtflächen in die Atmosphäre entweichen. Die Reste sickern in die Dichtungskammer und werden schließlich vom Prozessstrom abtransportiert.
Alle doppelt hermetischen Dichtungen benötigen ein unter Druck stehendes Fluid (Flüssigkeit oder Gas) zwischen den inneren und äußeren Oberflächen der Gleitringdichtung. Ein entsprechendes Fördersystem ist erforderlich, um dieses Fluid zur Dichtung zu befördern. Im Gegensatz dazu zirkuliert bei einer flüssigkeitsgeschmierten Druckdoppeldichtung ein Sperrfluid vom Reservoir durch die Gleitringdichtung, schmiert dort die Dichtflächen, absorbiert Wärme und fließt zurück zum Reservoir, wo es die aufgenommene Wärme abführt. Diese flüssigkeitsgeschmierten Druckdoppeldichtungssysteme sind komplex. Die thermische Belastung steigt mit dem Prozessdruck und der Prozesstemperatur und kann zu Zuverlässigkeitsproblemen führen, wenn sie nicht korrekt berechnet und eingestellt wird.
Das Druckluft-Doppeldichtungssystem ist platzsparend, benötigt kein Kühlwasser und ist wartungsarm. Zudem ist seine Zuverlässigkeit, sofern eine zuverlässige Schutzgasversorgung gewährleistet ist, unabhängig von Prozessdruck und -temperatur.
Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Luftdichtungen für Doppeldruckpumpen auf dem Markt hat das American Petroleum Institute (API) das Programm 74 als Teil der Veröffentlichung der zweiten Ausgabe von API 682 hinzugefügt.
74 Ein Programm-Unterstützungssystem besteht typischerweise aus einer Reihe von in die Schalttafel integrierten Messgeräten und Ventilen, die das Sperrgas abführen, den nachgeschalteten Druck regeln und Druck und Gasdurchfluss zu Gleitringdichtungen messen. Im Verlauf des Sperrgases durch die Schalttafel (Plan 74) befindet sich als erstes Element das Rückschlagventil. Dieses ermöglicht die Trennung der Sperrgaszufuhr von der Dichtung zum Austausch des Filterelements oder zur Pumpenwartung. Anschließend durchströmt das Sperrgas einen Koaleszenzfilter mit einer Porengröße von 2 bis 3 Mikrometern (µm). Dieser Filter fängt Flüssigkeiten und Partikel ab, die die Oberflächenstruktur der Dichtung beschädigen könnten, und bildet einen Gasfilm auf der Dichtungsoberfläche. Darauf folgen ein Druckregler und ein Manometer zur Einstellung des Drucks der Sperrgaszufuhr zur Gleitringdichtung.
Gasdichtungen für Doppeldruckpumpen erfordern, dass der Sperrgasversorgungsdruck einen bestimmten Mindestdifferenzdruck über dem Maximaldruck in der Dichtungskammer erreicht oder überschreitet. Dieser Mindestdruckabfall variiert je nach Dichtungshersteller und -typ, liegt aber typischerweise bei etwa 30 psi (Pfund pro Quadratzoll). Der Druckschalter dient dazu, Probleme mit dem Sperrgasversorgungsdruck zu erkennen und einen Alarm auszulösen, wenn der Druck unter den Mindestwert fällt.
Die Funktion der Dichtung wird über den Sperrgasstrom mittels eines Durchflussmessers gesteuert. Abweichungen von den von den Herstellern von Gleitringdichtungen gemeldeten Sperrgasstromwerten deuten auf eine verminderte Dichtungsleistung hin. Ein reduzierter Sperrgasstrom kann durch die Pumpenrotation oder durch Fluidmigration zur Dichtfläche (durch verunreinigtes Sperrgas oder Prozessfluid) verursacht werden.
Häufig kommt es nach solchen Ereignissen zu Beschädigungen der Dichtflächen, wodurch der Sperrgasstrom ansteigt. Druckstöße in der Pumpe oder ein teilweiser Druckverlust des Sperrgases können die Dichtfläche ebenfalls beschädigen. Hochdurchflussalarme zeigen an, wann ein Eingriff zur Korrektur des hohen Gasstroms erforderlich ist. Der Schwellenwert für einen Hochdurchflussalarm liegt typischerweise im Bereich des 10- bis 100-Fachen des normalen Sperrgasstroms und wird üblicherweise nicht vom Hersteller der Gleitringdichtung festgelegt, sondern hängt davon ab, wie viel Gasleckage die Pumpe tolerieren kann.
Traditionell werden Schwebekörper-Durchflussmesser eingesetzt, wobei die Reihenschaltung von Niedrig- und Hochbereichs-Durchflussmessern üblich ist. Ein Hochdurchflussschalter kann am Hochbereichs-Durchflussmesser installiert werden, um bei Überschreitung eines hohen Durchflusses einen Alarm auszulösen. Schwebekörper-Durchflussmesser lassen sich nur für bestimmte Gase bei bestimmten Temperaturen und Drücken kalibrieren. Bei Betrieb unter anderen Bedingungen, wie z. B. Temperaturschwankungen zwischen Sommer und Winter, ist der angezeigte Durchfluss nicht exakt, sondern liegt nahe am tatsächlichen Wert.
Mit der Veröffentlichung der API 682, 4. Ausgabe, wurden Durchfluss- und Druckmessungen von analog auf digital mit lokalen Messwerten umgestellt. Digitale Durchflussmesser können als Schwebekörperdurchflussmesser, die die Schwimmerposition in digitale Signale umwandeln, oder als Massendurchflussmesser eingesetzt werden, die den Massenstrom automatisch in Volumenstrom umrechnen. Das Besondere an Massendurchflussmessumformern ist, dass sie Ausgänge liefern, die Druck und Temperatur kompensieren, um den tatsächlichen Durchfluss unter Standardatmosphärenbedingungen zu ermitteln. Der Nachteil besteht darin, dass diese Geräte teurer sind als Schwebekörperdurchflussmesser.
Das Problem bei der Verwendung von Durchflussmessumformern besteht darin, einen Messumformer zu finden, der den Durchfluss des Sperrgases sowohl im Normalbetrieb als auch bei hohen Durchflusswerten zuverlässig messen kann. Durchflusssensoren liefern präzise ablesbare Maximal- und Minimalwerte. Zwischen Nulldurchfluss und Minimalwert kann der Messwert ungenau sein. Problematisch ist, dass mit steigendem Maximaldurchfluss eines bestimmten Durchflussmessumformermodells auch der Minimaldurchfluss zunimmt.
Eine Lösung besteht darin, zwei Messumformer (einen für niedrige und einen für hohe Frequenz) zu verwenden, was jedoch kostspielig ist. Die zweite Methode sieht den Einsatz eines Durchflusssensors für den normalen Betriebsdurchflussbereich und eines Hochdurchflussschalters mit einem analogen Durchflussmesser für den hohen Messbereich vor. Das letzte Bauteil, das das Sperrgas durchläuft, ist das Rückschlagventil, bevor es das Bedienfeld verlässt und an die Gleitringdichtung eintritt. Dies ist notwendig, um einen Rückfluss der gepumpten Flüssigkeit in das Bedienfeld und eine Beschädigung des Instruments bei Prozessstörungen zu verhindern.
Das Rückschlagventil muss einen niedrigen Öffnungsdruck aufweisen. Bei falscher Auswahl oder bei zu geringem Sperrgasdurchfluss der Luftdichtung der Zweidruckpumpe kann die Pulsation des Sperrgasdurchflusses durch das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils verursacht werden.
Im Allgemeinen wird Stickstoff aus der Anlage als Sperrgas verwendet, da er leicht verfügbar und inert ist und keine unerwünschten chemischen Reaktionen in der gepumpten Flüssigkeit auslöst. Nicht verfügbare Inertgase wie Argon können ebenfalls eingesetzt werden. Ist der erforderliche Schutzgasdruck höher als der Stickstoffdruck, kann ein Druckverstärker den Druck erhöhen und das Hochdruckgas in einem an den Einlass des Plan-74-Panels angeschlossenen Behälter speichern. Stickstoffflaschen sind generell nicht empfehlenswert, da sie ständig gegen volle ausgetauscht werden müssen. Bei nachlassender Dichtungsqualität kann die Flasche schnell entleert werden, wodurch die Pumpe gestoppt wird, um weitere Schäden und einen Ausfall der Gleitringdichtung zu verhindern.
Im Gegensatz zu Flüssigkeitsbarrieresystemen benötigen Plan-74-Trägersysteme keine unmittelbare Nähe zu Gleitringdichtungen. Einzige Ausnahme ist der längliche Abschnitt des Rohrs mit kleinem Durchmesser. Bei hohem Durchfluss kann es im Rohr zu einem Druckabfall zwischen dem Plan-74-Panel und der Dichtung kommen (Dichtungsverschleiß), wodurch der für die Dichtung verfügbare Barrierendruck sinkt. Dieses Problem lässt sich durch Vergrößerung des Rohrdurchmessers beheben. Plan-74-Panels werden üblicherweise auf einem Ständer in einer für die Ventilsteuerung und das Ablesen von Messwerten geeigneten Höhe montiert. Die Halterung kann auf der Pumpengrundplatte oder neben der Pumpe angebracht werden, ohne die Pumpeninspektion und -wartung zu behindern. Stolperfallen an Rohren bzw. an Verbindungsleitungen zwischen Plan-74-Panels und Gleitringdichtungen sind zu vermeiden.
Bei Gleitringpumpen mit zwei Gleitringdichtungen (je eine an jedem Pumpenende) wird die Verwendung eines separaten Bedienfelds und eines separaten Sperrgasauslasses für jede Gleitringdichtung nicht empfohlen. Stattdessen sollte für jede Dichtung ein separates Bedienfeld nach Plan 74 oder ein Bedienfeld nach Plan 74 mit zwei Ausgängen verwendet werden, jeweils mit eigenen Durchflussmessern und -schaltern. In Regionen mit kalten Wintern kann es erforderlich sein, die Bedienfelder nach Plan 74 zu überwintern. Dies dient primär dem Schutz der elektrischen Komponenten des Bedienfelds, üblicherweise durch Einbau des Bedienfelds in ein Gehäuse und Hinzufügen von Heizelementen.
Ein interessantes Phänomen ist, dass die Durchflussrate des Sperrgases mit sinkender Sperrgaszufuhrtemperatur zunimmt. Dies bleibt üblicherweise unbemerkt, kann aber an Orten mit kalten Wintern oder großen Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter auffallen. In manchen Fällen muss der Schwellenwert für den Hochdurchflussalarm angepasst werden, um Fehlalarme zu vermeiden. Die Luftkanäle und Verbindungsleitungen der Paneele müssen vor der Inbetriebnahme von Plan-74-Paneelen entlüftet werden. Dies gelingt am einfachsten durch den Einbau eines Entlüftungsventils an oder in der Nähe der Gleitringdichtung. Ist kein Entlüftungsventil vorhanden, kann das System entlüftet werden, indem die Leitung von der Gleitringdichtung getrennt und nach der Entlüftung wieder angeschlossen wird.
Nachdem die Plan-74-Panels an die Dichtungen angeschlossen und alle Verbindungen auf Dichtheit geprüft wurden, kann der Druckregler auf den für die Anwendung vorgesehenen Druck eingestellt werden. Das Panel muss die Gleitringdichtung mit Druckgas versorgen, bevor die Pumpe mit Prozessflüssigkeit befüllt wird. Die Plan-74-Dichtungen und -Panels sind betriebsbereit, sobald die Inbetriebnahme und Entlüftung der Pumpe abgeschlossen sind.
Das Filterelement muss nach einem Monat Betrieb oder, falls keine Verunreinigungen festgestellt werden, alle sechs Monate überprüft werden. Das Filterwechselintervall hängt von der Reinheit des zugeführten Gases ab, sollte aber drei Jahre nicht überschreiten.
Die Sperrgasdurchflussraten sollten bei routinemäßigen Inspektionen überprüft und protokolliert werden. Falls die durch das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils verursachte Pulsation des Sperrgasstroms so groß ist, dass ein Hochdurchflussalarm ausgelöst wird, müssen diese Alarmwerte gegebenenfalls erhöht werden, um Fehlalarme zu vermeiden.
Ein wichtiger Schritt bei der Stilllegung ist, dass die Absperrung und Druckentlastung des Schutzgases als letzter Schritt erfolgen sollte. Zuerst muss das Pumpengehäuse abgesperrt und drucklos gemacht werden. Sobald die Pumpe sicher ist, kann der Schutzgasdruck abgeschaltet und der Gasdruck aus der Rohrleitung zwischen dem Plan-74-Panel und der Gleitringdichtung entfernt werden. Vor Beginn jeglicher Wartungsarbeiten muss das gesamte System entleert werden.
Die Kombination von Doppeldruckpumpen-Luftdichtungen mit Plan 74-Unterstützungssystemen bietet den Betreibern eine emissionsfreie Wellendichtungslösung, geringere Investitionskosten (im Vergleich zu Dichtungen mit Flüssigkeitsbarrieresystemen), reduzierte Lebenszykluskosten, einen geringen Platzbedarf für das Unterstützungssystem und minimale Wartungsanforderungen.
Bei sachgemäßer Installation und Bedienung gemäß bewährten Verfahren bietet diese Containment-Lösung langfristige Zuverlässigkeit und erhöht die Verfügbarkeit rotierender Anlagen.
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Mark Savage ist Produktgruppenmanager bei John Crane. Er hat einen Bachelor of Science in Ingenieurwesen von der Universität Sydney, Australien. Weitere Informationen finden Sie unter johncrane.com.
Veröffentlichungsdatum: 08.09.2022