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May 30, 2023

Surpresseurs et réchauffeurs de gaz d'étanchéité dans les systèmes de support d'étanchéité à gaz sec

Par Sourav Majumdar et Neetin Ghaisas27 janvier 2023 Les joints à gaz secs offrent un

Par Sourav Majumdar et Neetin Ghaisas27 janvier 2023

Les joints à gaz secs offrent une solution d'étanchéité standard efficace, fiable et robuste pour les compresseurs dans tous les types de processus utilisés dans les industries pétrochimiques, du gaz naturel et du pétrole. Ils nécessitent une alimentation continue ou ininterrompue de gaz d'étanchéité propre et sec au débit et au spectre de pression de conception pour garantir que les faces d'étanchéité se soulèvent à des niveaux optimaux pour les meilleures performances réalisables. Les joints à gaz sec sous pression et non pressurisés utilisent un "gaz de joint" propre en amont du joint à gaz sec pour établir une barrière contre le flux de processus potentiellement contaminé.

Cet article présente un aperçu qualitatif de la gestion du point de rosée et des systèmes de surpression de gaz d'étanchéité qui font partie intégrante de la fiabilité des joints d'étanchéité à gaz sec. La discussion porte sur les joints à gaz secs dans les compresseurs centrifuges et à engrenages intégrés ; cependant, les principes décrits sont également applicables aux compresseurs rotatifs de type volumétrique.

Dans des conditions de fonctionnement normales, les compresseurs peuvent fournir une alimentation continue en gaz d'étanchéité à partir d'un niveau de pression plus élevé dans le compresseur, généralement à partir de la buse de décharge finale du compresseur. Les systèmes de conditionnement de gaz sec reçoivent ce gaz, le filtrent, le conditionnent et le fournissent aux joints de gaz sec.

Cependant, pendant les périodes de démarrage, de pressurisation, de recyclage, d'arrêt et d'arrêt, la pression différentielle à travers le compresseur chute, interrompant le débit de gaz d'étanchéité. Lorsque cela se produit, cela peut entraîner la migration de gaz de procédé impur avec une contamination résultante et une dégradation des performances du joint, qui entraînent collectivement des conditions de fonctionnement dangereuses, des temps d'arrêt de la machine et des coûts de maintenance plus élevés.

La figure 1 montre une vue en coupe d'un joint à gaz sec en tandem typique avec labyrinthe intermédiaire et la figure 2 représente des profils d'écoulement typiques avec et sans surpression de gaz d'étanchéité lors du démarrage d'un compresseur centrifuge.

Lorsqu'un compresseur centrifuge fonctionne en régime permanent et développe le différentiel de pression, un gaz d'étanchéité propre et sec est généralement fourni à partir de sa buse de décharge finale vers le système de gaz d'étanchéité, puis jusqu'aux joints d'étanchéité à gaz sec en bout d'arbre. La figure 3 représente une performance estimée d'un surpresseur de gaz d'étanchéité à une pression d'entrée de 725 psig d'un compresseur centrifuge de pipeline.

La pression différentielle à travers le compresseur centrifuge est trop faible pour fournir le débit de gaz d'étanchéité requis dans les conditions de recyclage, de pressurisation, de démarrage et d'arrêt sous pression. Dans ces situations, le flux de gaz d'étanchéité vers les joints à gaz secs est perdu et la migration du gaz de procédé vers la cavité du joint à gaz sec via le labyrinthe de procédé se produit. Les figures 4 et 5 montrent la contamination de l'environnement du joint à gaz sec en mode recyclage et arrêt sous pression, causée par l'écoulement inverse du gaz de procédé dans la cavité du joint.

Dans l'exemple illustré à la Figure 6 pour un compresseur avec une pression d'entrée de 1450 psig, le débit de gaz d'étanchéité estimé de 3,5 pieds cubes par minute (cfm) à une pression différentielle de 56 psid est réalisable à la vitesse de fonctionnement de 3500 tr/min pour éviter la contamination dans la cavité de gaz d'étanchéité. .

Les surpresseurs de gaz d'étanchéité modernes sont disponibles en deux types, pneumatiques et moteurs électriques à fréquence réglable avec des puissances nominales habituelles comprises entre 7,5 chevaux et 25 chevaux. Ils fournissent du gaz d'étanchéité pendant les périodes de faible pression différentielle disponible et aident à obtenir une protection sous pression des joints de gaz secs sur toute la plage de fonctionnement du compresseur sur sa carte de performances. Le différentiel entre la pression d'alimentation en gaz d'étanchéité et la pression scellée doit être d'au moins 50 psi pour éviter la contamination du joint primaire. Le rapport de surpression des surpresseurs pneumatiques varie de 1,2 à 2 sur la base d'une plage de pressions de travail maximales admissibles de 3 000 psi à 6 000 psi. Les fréquences de cycle maximales correspondantes des surpresseurs pneumatiques sont de 100 cycles par minute jusqu'à 60 cycles par minute. Ces valeurs sont typiques et peuvent varier selon les différents modèles et fabricants.

Les surpresseurs de gaz d'étanchéité font désormais partie intégrante des systèmes de traitement des gaz d'étanchéité dans les nouvelles installations. Ils offrent également un potentiel de modernisation attrayant pour les usines de traitement d'hydrocarbures et de gaz naturel axées sur la fiabilité, où les anciens systèmes de conditionnement et de support de gaz d'étanchéité pourraient être envisagés pour une mise à niveau. La figure 7 montre la vue en coupe d'un servomoteur vertical entraîné par un moteur électrique. Notez le capteur de mesure de température ; un transmetteur ou capteur RTD avec transmetteur prévu sur la coque de confinement. Il est généralement monté entre les anneaux magnétiques intérieur et extérieur ou entre l'aimant d'entraînement et le couvercle du boîtier. Un schéma du surpresseur de gaz d'étanchéité est illustré à la figure 8.

Le gaz d'étanchéité pénétrant dans la zone d'étanchéité primaire doit être propre et sec. L'API 692, 1ère édition spécifie une taille de particules sphériques de 1 μm avec une efficacité d'élimination de 99,9 % pour les filtres à gaz d'étanchéité. En plus de la qualité du gaz d'étanchéité, une marge de point de rosée d'au moins 35 °F (20 °C) (surchauffe) est essentielle dans tout le système d'étanchéité à gaz sec pour éviter la condensation, la perte de pression d'étanchéité, la migration ultérieure du gaz de procédé dans la cavité du joint et contamination. Pour déterminer cette marge, une simulation informatique de carte de phase du système d'étanchéité à gaz sec du point d'alimentation en gaz d'étanchéité primaire à l'évent primaire doit être effectuée pour évaluer tout potentiel de condensation de gaz d'étanchéité. La température du gaz d'étanchéité doit être mesurée au point d'entrée du gaz d'étanchéité dans le joint, et non à la source d'alimentation en gaz d'étanchéité. La figure 9 montre quelques courbes de carte de phase.

Pour obtenir cette qualité de gaz d'étanchéité, il devient souvent nécessaire d'intégrer le(s) système(s) de traitement du gaz d'étanchéité au système global de contrôle des gaz secs. Un matériel de conditionnement de gaz d'étanchéité se compose d'unités qui fournissent un gaz d'étanchéité propre et sec. Des refroidisseurs, des préfiltres à gaz humide et, si nécessaire, un réchauffeur de gaz de scellement sont utilisés pour fournir du gaz de scellement sec. Des désembueurs de gaz humides et des filtres doubles nettoient le gaz d'étanchéité.

Le réchauffeur de gaz d'étanchéité de type direct utilise un serpentin de chauffage électrique par immersion. Le type indirect a soit un serpentin de chauffage immergé dans l'huile, soit un gaz d'étanchéité sous pression contenu à l'intérieur d'un serpentin en spirale qui est enfermé dans la coque en fonte d'aluminium qui a les éléments chauffants électriques. Cet agencement est favorable dans les applications où le gaz d'étanchéité provenant du compresseur est à une température élevée ou à un point de rosée plus élevé. L'aluminium sert à transférer la chaleur des éléments chauffants au gaz d'étanchéité, évitant ainsi le contact direct entre les deux. Un réchauffeur de gaz d'étanchéité intégré à un système de gestion du point de rosée d'étanchéité à gaz sec est illustré à la Figure 10.

Neetin Ghaisas est Senior Fellow - Équipement rotatif à Fluor. Il possède plusieurs années d'expérience en turbomachines avec une expertise dans le développement et la sélection des spécifications, le dépannage, les revues dynamiques de rotor et l'analyse vibratoire des équipements tournants. Avant de rejoindre Fluor, il a travaillé comme ingénieur en fiabilité des machines chez Petrokemya (une filiale de SABIC) à Jubail, en Arabie saoudite. Neetin Ghaisas est titulaire d'un MEng. diplôme de l'Université de Bombay et est un ingénieur professionnel enregistré dans les provinces de l'Alberta et de la Colombie-Britannique au Canada. Il a contribué au développement des normes API et des pratiques de l'industrie des procédés pendant de nombreuses années et occupe actuellement des postes à l'American Petroleum Institute (API) en tant que président de la norme API 612, président de la norme API 672 et membre du sous-comité sur les équipements mécaniques. Il est également membre de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) et membre de l'équipe fonctionnelle des machines Process Industry Practices (PIP). M. Ghaisas est auteur et co-auteur de plusieurs articles publiés dans des magazines internationaux de premier plan. Il détient un brevet américain lié à la modularisation des machines.

Sourav Majumdar est directeur des ventes techniques de compresseurs - Amériques chez Flowserve Corporation située à Calgary, Alberta, Canada. M. Majumdar possède 30 ans d'expérience professionnelle avec une expérience significative dans les équipements rotatifs spécialisés dans les compresseurs et les pompes. Son expertise porte sur les joints de gaz secs des compresseurs, les systèmes de support de joints et les systèmes de conditionnement de gaz d'étanchéité, y compris les surpresseurs de gaz d'étanchéité. M. Majumdar a travaillé avec plusieurs organisations d'utilisateurs finaux et d'ingénierie dans le monde pour les aider à sélectionner les bons gaz secs / joints mécaniques et systèmes pour compresseurs / pompes, les spécifications de construction et le dépannage de ces équipements. Il est titulaire d'un diplôme en génie mécanique de l'Indian Institute of Technology -BHU, Varanasi, et d'une maîtrise en administration des affaires (MBA) de l'Université de Leicester, au Royaume-Uni.

Flowserve Corporation a gracieusement fourni toutes les images incluses dans ce chapitre. Le matériau est tiré de l'article de l'auteur "Dry Gas Seal Systems for Centrifugal Compressors" - Neetin Ghaisas, Sourav Majumdar, magazine CompressorTECH² (juin 2017).

[1] Flowserve Corporation – Catalogues de joints à gaz secs (divers).

[2] API 692, 1ère édition - Systèmes d'étanchéité au gaz sec pour compresseurs et détendeurs à vis axiaux, centrifuges et rotatifs