Doppelte Druckerhöhungspumpen-Luftdichtungen, die aus der Kompressor-Luftdichtungstechnologie übernommen wurden, sind in der Wellendichtungsindustrie weit verbreitet. Diese Dichtungen verhindern den Ausstoß der gepumpten Flüssigkeit in die Atmosphäre, erzeugen weniger Reibungswiderstand auf der Pumpenwelle und arbeiten mit einem einfacheren Stützsystem. Diese Vorteile führen zu niedrigeren Gesamtkosten über den gesamten Lebenszyklus der Lösung.
Diese Dichtungen funktionieren durch die Einbringung eines externen Druckgases zwischen die inneren und äußeren Dichtflächen. Die besondere Topographie der Dichtfläche übt zusätzlichen Druck auf das Sperrgas aus, wodurch sich die Dichtfläche ablöst und im Gasfilm schwimmt. Da sich die Dichtflächen nicht mehr berühren, sind die Reibungsverluste gering. Das Sperrgas strömt mit geringer Strömungsgeschwindigkeit durch die Membran und verbraucht das Sperrgas in Form von Leckagen, die größtenteils durch die äußeren Dichtflächen in die Atmosphäre entweichen. Der Rückstand sickert in die Dichtungskammer und wird schließlich vom Prozessstrom abgeführt.
Alle doppelt hermetischen Dichtungen benötigen eine unter Druck stehende Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) zwischen den Innen- und Außenflächen der Gleitringdichtung. Ein Stützsystem ist erforderlich, um diese Flüssigkeit zur Dichtung zu leiten. Im Gegensatz dazu zirkuliert bei einer flüssigkeitsgeschmierten druckbeaufschlagten Doppeldichtung die Sperrflüssigkeit vom Behälter durch die Gleitringdichtung, wo sie die Dichtungsoberflächen schmiert, Wärme absorbiert und in den Behälter zurückkehrt, wo sie die absorbierte Wärme abführen muss. Diese druckbeaufschlagten Doppeldichtungssysteme sind komplex. Die thermische Belastung steigt mit Prozessdruck und -temperatur und kann bei unsachgemäßer Berechnung und Einstellung zu Zuverlässigkeitsproblemen führen.
Das Druckluft-Doppeldichtungssystem benötigt wenig Platz, kein Kühlwasser und ist wartungsarm. Darüber hinaus ist die Zuverlässigkeit unabhängig von Prozessdruck und -temperatur, sofern eine zuverlässige Schutzgasquelle verfügbar ist.
Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Doppeldruckpumpen-Luftdichtungen auf dem Markt hat das American Petroleum Institute (API) im Rahmen der Veröffentlichung der zweiten Ausgabe von API 682 das Programm 74 hinzugefügt.
74 Ein Programmunterstützungssystem besteht typischerweise aus einer Reihe auf der Tafel montierter Messgeräte und Ventile, die das Sperrgas ablassen, den Druck stromabwärts regeln und Druck und Gasfluss zu den Gleitringdichtungen messen. Folgt man dem Weg des Sperrgases durch die Tafel von Plan 74, ist das erste Element das Rückschlagventil. Dadurch kann die Sperrgaszufuhr zum Austausch des Filterelements oder zur Wartung der Pumpe von der Dichtung getrennt werden. Das Sperrgas passiert dann einen 2 bis 3 Mikrometer (µm) großen Koaleszenzfilter, der Flüssigkeiten und Partikel zurückhält, die die topografischen Merkmale der Dichtungsoberfläche beschädigen können, wodurch ein Gasfilm auf der Oberfläche der Dichtung entsteht. Darauf folgen ein Druckregler und ein Manometer zum Einstellen des Drucks der Sperrgaszufuhr zur Gleitringdichtung.
Bei Doppeldruckpumpen-Gasdichtungen muss der Sperrgasversorgungsdruck einen Mindestdifferenzdruck über dem Maximaldruck in der Dichtungskammer erreichen oder überschreiten. Dieser Mindestdruckabfall variiert je nach Dichtungshersteller und -typ, liegt aber typischerweise bei etwa 30 psi. Der Druckschalter erkennt Probleme mit dem Sperrgasversorgungsdruck und löst einen Alarm aus, wenn der Druck unter den Mindestwert fällt.
Die Funktion der Dichtung wird durch den Sperrgasfluss mithilfe eines Durchflussmessers gesteuert. Abweichungen von den von Gleitringdichtungsherstellern angegebenen Sperrgasflussraten weisen auf eine verringerte Dichtleistung hin. Ein verringerter Sperrgasfluss kann auf die Pumpenrotation oder die Migration von Flüssigkeit zur Dichtungsfläche (durch verunreinigtes Sperrgas oder Prozessflüssigkeit) zurückzuführen sein.
Nach solchen Ereignissen kommt es häufig zu Schäden an den Dichtflächen, woraufhin der Sperrgasdurchfluss ansteigt. Druckstöße in der Pumpe oder ein teilweiser Verlust des Sperrgasdrucks können die Dichtfläche ebenfalls beschädigen. Alarme bei hohem Durchfluss können helfen, festzustellen, wann ein Eingriff zur Korrektur des hohen Gasdurchflusses erforderlich ist. Der Sollwert für einen Alarm bei hohem Durchfluss liegt typischerweise im Bereich des 10- bis 100-fachen des normalen Sperrgasdurchflusses und wird in der Regel nicht vom Hersteller der Gleitringdichtung festgelegt, sondern hängt davon ab, wie viel Gasleckage die Pumpe toleriert.
Traditionell werden Schwebekörper-Durchflussmesser verwendet, und es ist nicht ungewöhnlich, dass Durchflussmesser mit niedrigem und hohem Bereich in Reihe geschaltet werden. Am Durchflussmesser mit hohem Bereich kann dann ein Hochdurchflussschalter installiert werden, der einen Hochdurchflussalarm auslöst. Schwebekörper-Durchflussmesser können nur für bestimmte Gase bei bestimmten Temperaturen und Drücken kalibriert werden. Unter anderen Bedingungen, wie z. B. Temperaturschwankungen zwischen Sommer und Winter, ist die angezeigte Durchflussrate nicht als genauer Wert anzusehen, liegt aber nahe am tatsächlichen Wert.
Mit der Veröffentlichung der 4. Ausgabe von API 682 wurden Durchfluss- und Druckmessungen von analog auf digital mit lokalen Messwerten umgestellt. Digitale Durchflussmesser können als Schwebekörper-Durchflussmesser eingesetzt werden, die die Schwebekörperposition in digitale Signale umwandeln, oder als Massedurchflussmesser, die den Massedurchfluss automatisch in den Volumendurchfluss umwandeln. Massedurchflusstransmitter zeichnen sich durch druck- und temperaturkompensierte Ausgänge aus, um den tatsächlichen Durchfluss unter Standardbedingungen zu ermitteln. Der Nachteil ist, dass diese Geräte teurer sind als Schwebekörper-Durchflussmesser.
Das Problem bei der Verwendung eines Durchflusstransmitters besteht darin, einen Transmitter zu finden, der den Sperrgasdurchfluss im Normalbetrieb und an Alarmpunkten mit hohem Durchfluss messen kann. Durchflusssensoren verfügen über Maximal- und Minimalwerte, die genau abgelesen werden können. Zwischen Nulldurchfluss und Minimalwert ist der Ausgangsdurchfluss möglicherweise nicht genau. Das Problem besteht darin, dass mit zunehmender maximaler Durchflussrate für ein bestimmtes Durchflusstransmittermodell auch die minimale Durchflussrate steigt.
Eine Lösung besteht in der Verwendung von zwei Transmittern (einem Niederfrequenz- und einem Hochfrequenztransmitter), was jedoch teuer ist. Die zweite Methode besteht darin, einen Durchflusssensor für den normalen Betriebsdurchflussbereich und einen Hochdurchflussschalter mit einem analogen Durchflussmesser mit hohem Messbereich zu verwenden. Das letzte Bauteil, das das Sperrgas passiert, ist das Rückschlagventil, bevor es das Panel verlässt und mit der Gleitringdichtung verbunden wird. Dies ist notwendig, um den Rückfluss der gepumpten Flüssigkeit in das Panel und damit eine Beschädigung des Geräts bei anormalen Prozessstörungen zu verhindern.
Das Rückschlagventil muss einen niedrigen Öffnungsdruck haben. Bei falscher Auswahl oder wenn die Luftdichtung der Doppeldruckpumpe einen geringen Sperrgasstrom aufweist, ist erkennbar, dass die Pulsation des Sperrgasstroms durch das Öffnen und Wiedereinsetzen des Rückschlagventils verursacht wird.
Im Allgemeinen wird Anlagenstickstoff als Sperrgas verwendet, da er leicht verfügbar und inert ist und keine schädlichen chemischen Reaktionen in der gepumpten Flüssigkeit verursacht. Nicht verfügbare Inertgase wie Argon können ebenfalls verwendet werden. Ist der erforderliche Schutzgasdruck höher als der Anlagenstickstoffdruck, kann ein Druckverstärker den Druck erhöhen und das Hochdruckgas in einem Behälter speichern, der an den Plan 74-Paneleinlass angeschlossen ist. Stickstoffflaschen werden im Allgemeinen nicht empfohlen, da leere Flaschen ständig durch volle ersetzt werden müssen. Wenn die Qualität der Dichtung nachlässt, kann die Flasche schnell entleert werden, was zum Stoppen der Pumpe führt und weitere Schäden und Ausfälle der Gleitringdichtung verhindert.
Im Gegensatz zu Flüssigkeitsbarrieresystemen benötigen Plan 74-Stützsysteme keine unmittelbare Nähe zu Gleitringdichtungen. Der einzige Nachteil ist der verlängerte Abschnitt des Rohrs mit kleinem Durchmesser. Bei hohem Durchfluss kann es im Rohr zu einem Druckabfall zwischen der Plan 74-Platte und der Dichtung kommen (Dichtungsverschleiß), wodurch der für die Dichtung verfügbare Sperrdruck verringert wird. Dieses Problem lässt sich durch eine Vergrößerung des Rohrdurchmessers lösen. Plan 74-Platten werden in der Regel auf einem Ständer in bequemer Höhe zur Steuerung von Ventilen und zum Ablesen von Instrumentenwerten montiert. Die Halterung kann auf der Pumpengrundplatte oder neben der Pumpe montiert werden, ohne die Inspektion und Wartung der Pumpe zu beeinträchtigen. Vermeiden Sie Stolperfallen an Rohren/Leitungen, die Plan 74-Platten mit Gleitringdichtungen verbinden.
Bei Zwischenlagerpumpen mit zwei Gleitringdichtungen (jeweils eine an jedem Pumpenende) wird die Verwendung eines Panels und eines separaten Sperrgasauslasses für jede Gleitringdichtung nicht empfohlen. Die empfohlene Lösung ist die Verwendung eines separaten Plan 74-Panels für jede Dichtung oder eines Plan 74-Panels mit zwei Ausgängen, jeweils mit eigenen Durchflussmessern und Durchflussschaltern. In Gebieten mit kalten Wintern kann es notwendig sein, die Plan 74-Panels zu überwintern. Dies dient in erster Linie dem Schutz der elektrischen Ausrüstung des Panels, üblicherweise durch Einkapselung des Panels in den Schrank und Hinzufügen von Heizelementen.
Ein interessantes Phänomen ist, dass der Sperrgasdurchfluss mit sinkender Sperrgaszufuhrtemperatur zunimmt. Dies bleibt normalerweise unbemerkt, kann sich aber an Orten mit kalten Wintern oder großen Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter bemerkbar machen. In manchen Fällen kann es notwendig sein, den Alarmsollwert für hohen Durchfluss anzupassen, um Fehlalarme zu vermeiden. Die Luftkanäle und Verbindungsrohre der Paneele müssen vor der Inbetriebnahme von Plan 74-Paneelen gespült werden. Dies lässt sich am einfachsten durch Anbringen eines Entlüftungsventils am oder in der Nähe des Gleitringdichtungsanschlusses erreichen. Ist kein Entlüftungsventil vorhanden, kann das System gespült werden, indem der Schlauch von der Gleitringdichtung getrennt und nach dem Spülen wieder angeschlossen wird.
Nach dem Anschluss der Plan 74-Platten an die Dichtungen und der Dichtheitsprüfung aller Anschlüsse kann der Druckregler nun auf den Solldruck der Anwendung eingestellt werden. Die Platte muss die Gleitringdichtung mit unter Druck stehendem Sperrgas versorgen, bevor die Pumpe mit Prozessflüssigkeit gefüllt wird. Nach Abschluss der Inbetriebnahme- und Entlüftungsarbeiten sind die Plan 74-Dichtungen und -Platten betriebsbereit.
Das Filterelement muss nach einem Monat Betrieb oder alle sechs Monate überprüft werden, wenn keine Verunreinigungen festgestellt werden. Das Filterwechselintervall hängt von der Reinheit des gelieferten Gases ab, sollte jedoch drei Jahre nicht überschreiten.
Die Sperrgasraten sollten bei Routineinspektionen überprüft und aufgezeichnet werden. Wenn die durch das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils verursachte Pulsation des Sperrluftstroms groß genug ist, um einen Hochdurchflussalarm auszulösen, müssen diese Alarmwerte möglicherweise erhöht werden, um Fehlalarme zu vermeiden.
Ein wichtiger Schritt bei der Außerbetriebnahme ist die Isolierung und Druckentlastung des Schutzgases. Isolieren und entlasten Sie zunächst das Pumpengehäuse. Sobald die Pumpe sicher ist, kann der Schutzgasdruck abgeschaltet und der Gasdruck aus der Rohrleitung zwischen Plan 74-Panel und Gleitringdichtung entfernt werden. Lassen Sie vor Wartungsarbeiten die gesamte Flüssigkeit aus dem System ab.
Doppeldruck-Pumpenluftdichtungen in Kombination mit Plan 74-Stützsystemen bieten Betreibern eine emissionsfreie Wellendichtungslösung, geringere Kapitalinvestitionen (im Vergleich zu Dichtungen mit Flüssigkeitsbarrieresystemen), reduzierte Lebenszykluskosten, einen geringen Platzbedarf des Stützsystems und minimale Wartungsanforderungen.
Bei Installation und Betrieb gemäß bewährter Verfahren kann diese Containment-Lösung langfristige Zuverlässigkeit bieten und die Verfügbarkeit rotierender Geräte erhöhen.
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Mark Savage ist Produktgruppenleiter bei John Crane. Savage hat einen Bachelor of Science in Ingenieurwissenschaften von der Universität Sydney, Australien. Weitere Informationen finden Sie unter johncrane.com.
Beitragszeit: 08.09.2022