Eliminación de la necesidad de refuerzos de gas de sello

30 mayo 2023

Una mirada más cercana a la confiabilidad de los sellos laterales de proceso a prueba de fugas

Los usuarios finales de compresores centrífugos en las industrias de petróleo y gas y otras industrias de procesos enfrentan una necesidad creciente de reducir las emisiones fugitivas, los costos y el tiempo de inactividad innecesario. La llegada de los sistemas de sello de gas seco (DGS) ha desempeñado un papel importante en los esfuerzos por lograr estos objetivos al abordar muchos de los problemas que se encuentran con frecuencia con los sellos húmedos, incluidas las altas tasas de fuga, la reducción de la confiabilidad y el alto OPEX. Sin embargo, existen oportunidades para mejorar aún más el funcionamiento de los compresores, en particular las unidades que utilizan compresores reforzadores de gas de sello, que pueden ser una fuente importante de mantenimiento y OPEX.

Siemens Energy ha desarrollado un mecanismo de sellado que permite a los operadores eliminar la necesidad de un refuerzo de gas de sello al proteger el DGS de la contaminación del gas de proceso a bajas velocidades o cuando el compresor se detiene en una condición de espera presurizada. Este artículo proporciona una descripción general del diseño y la funcionalidad del sello y analiza las aplicaciones del compresor donde puede ser beneficioso.

La mayoría de los compresores centrífugos modernos están equipados con DGS para el sellado del extremo del eje. En los últimos años, muchos compresores heredados con sellos húmedos también se han actualizado con sistemas DGS. El tipo de DGS más utilizado para aplicaciones de compresores de gas natural es un diseño "en tándem", en el que se instalan dos sellos de cara (primario y secundario) en los extremos del eje del compresor. Durante el funcionamiento del compresor, el sello primario absorbe el diferencial de presión. El sello secundario sirve como respaldo en caso de falla del sello primario.

Un DGS consta de dos anillos de acoplamiento (uno giratorio y otro estacionario). Cuando el compresor no está funcionando, los anillos se mantienen en estrecho contacto mediante resortes y distribución de presión estática. Cuando el compresor está funcionando, las fuerzas hidrodinámicas mantienen el anillo estacionario contra el resorte. Esto crea un espacio de trabajo de unos pocos micrómetros entre las caras del sello. El diseño permite tasas de fuga muy bajas pero, como consecuencia, el DGS necesita un suministro de gas limpio y seco para funcionar de manera confiable.

Normalmente, este gas se toma de la descarga del compresor. El gas se filtra y acondiciona para eliminar las impurezas y luego se inyecta entre el DGS y el laberinto del lado del proceso (PSL). El flujo actúa como un amortiguador (es decir, una película) y protege el DGS del ingreso de gas de proceso.

Cuando el compresor gira a alta velocidad, la descarga proporciona suficiente presión para impulsar el flujo de gas del sello a través del sistema de filtración y acondicionamiento en el panel del sello de gas seco, proporcionando una fuente limpia de gas del sello al DGS. Sin embargo, cuando la velocidad de rotación es lenta (generalmente durante el arranque y/o el apagado), no hay suficiente presión para impulsar el flujo de gas del sello a través del panel del sello de gas y el gas de proceso sin tratar puede migrar al espacio del sello. Esto puede conducir a varios problemas costosos, incluida la degradación de los sellos, lo que da como resultado un tiempo medio entre fallas (MTBF) más corto, un mayor tiempo de inactividad y un costo potencialmente mayor si es necesario reemplazar el DGS.

Para proteger el DGS durante la puesta en marcha o en caso de que se desconecte o se rompa el compresor, la mayoría de los operadores instalan refuerzos de gas de sello accionados por aire (y potencialmente calentadores) en la plataforma de acondicionamiento de gas o en el panel de gas de sello. El impulsor de gas del sello está programado para iniciarse automáticamente si la presión diferencial del gas del sello cae por debajo de cierto nivel, lo que garantiza un funcionamiento confiable del DGS.

En el caso de los impulsores alternativos, que constituyen la mayoría del mercado, los operadores a veces optan por instalar un segundo compresor que permanece en espera en caso de falla del impulsor principal. Los impulsores alternativos son inherentemente intensivos en gastos operativos y los usuarios finales los citan a menudo como uno de los componentes más problemáticos del paquete del compresor.

En los últimos años, un número cada vez mayor de operadores ha comenzado a alejarse de las unidades recíprocas en favor de los impulsores de gas de sello impulsados ​​por motores eléctricos (rotativos), que ofrecen una confiabilidad mucho mayor. Sin embargo, tienen la desventaja de un alto CAPEX y pueden no ser aplicables en todos los escenarios debido a la baja capacidad de carga a baja presión. El costo inicial de los impulsores también puede ser difícil de justificar en muchos casos, particularmente para los operadores de unidades heredadas, a las que solo les queda un número limitado de años de servicio. Además, es posible que no sean factibles en ubicaciones remotas que no tengan un suministro confiable de energía.

Para abordar los problemas que se encuentran con frecuencia con los compresores de refuerzo DGS, Siemens Energy ha desarrollado un diseño de sello único hecho de politetrafluoroetileno (PTFE) que se encuentra entre el DGS y el PSL. El sello hermético contra fugas sirve como una alternativa a los impulsores y se puede instalar como parte de la mayoría de los paquetes de compresores nuevos equipados con DGS. También se puede adaptar a unidades existentes, proporcionando una opción de actualización para aquellos que buscan una mayor confiabilidad.

Figura 1. Sello hermético a fugas junto con el sistema Siemens Energy DGS

Durante el funcionamiento normal del compresor, cuando el DGS está protegido contra la entrada de gas de proceso por el amortiguador de flujo de gas del sello de la descarga, el sello hermético a fugas está abierto para que no esté sujeto a ningún desgaste debido a la rotación de alta velocidad. Esta posición se mantiene mediante la fuerza centrífuga, que activa el labio a través de un anillo segmentado. Si/cuando la velocidad del compresor disminuye o la unidad se detiene (es decir, cuando el flujo de descarga es insuficiente para evitar el ingreso de gas del proceso), la fuerza centrífuga se reduce y el sello se cierra alrededor del eje para evitar la contaminación del DGS desde el lado del proceso .

A medida que el sello hermético contra fugas se cierra sobre el eje, obliga al flujo que se filtrará a través del sello primario a ingresar al área del sello después de pasar por el panel de gas del sello, por lo tanto, el DGS solo está expuesto al gas de proceso limpio y seco.

Figura 2:

El sello hermético contra fugas ofrece varias ventajas en comparación con los compresores de refuerzo de gas de sello, que incluyen:

Mayor confiabilidad en comparación con los compresores de refuerzo de gas de sello alternativos: los compresores de refuerzo de gas de sello alternativos suelen ser un dolor de cabeza para los usuarios finales de compresores centrífugos. El sello hermético a fugas elimina la necesidad del compresor de refuerzo, lo que reduce los gastos operativos y el tiempo de inactividad y simplifica el sistema al reducir la cantidad de componentes y conexiones requeridas. Esto disminuye el riesgo de fugas y mejora la confiabilidad general del sistema. También reduce los requisitos de mantenimiento al eliminar la necesidad de monitorear y mantener el impulsor de gas del sello (la condición del sello hermético contra fugas se monitorea durante las fases estáticas). Estas ventajas son particularmente relevantes para los operadores que están experimentando problemas con sus impulsores alternativos o aquellos que actualmente no tienen ningún impulsor instalado.

Costo reducido: si bien la confiabilidad del sello hermético contra fugas es comparable a la de los compresores de refuerzo centrífugos, el CAPEX es mucho menor. Aunque los costos varían según los requisitos de la aplicación, un sistema de refuerzo centrífugo accionado por electricidad típico que proporciona flujo a dos sellos de gas puede costar entre ~150 000 y 400 000 USD. En comparación, el precio de dos sellos herméticos contra fugas y el monitoreo opcional, junto con el costo de las adaptaciones al panel de sello de gas seco, oscila entre 40 000 y 60 000 USD (cuando se agrega a un Siemens Energy DGS). Los sellos pueden enviarse directamente al sitio e instalarse por el operador de la misma manera que se instalaría un DGS.

Menos emisiones: al usar el sello hermético contra fugas en lugar de un compresor de refuerzo accionado eléctricamente, se reducen el consumo general de energía y las emisiones asociadas del paquete del compresor.

Potencial para una huella de paquete más pequeña: en muchos casos, el impulsor de gas del sello se instala como parte del patín de preacondicionamiento, que está separado del panel del sello de gas. La instalación del sello hermético a fugas puede permitir que se elimine este patín, lo que podría reducir el espacio total que ocupa el paquete.

Una y otra vez, los operadores mencionan el panel del sello de gas, y más específicamente el compresor de refuerzo, como uno de los componentes más propensos a fallas de los paquetes compresores. El sello hermético a fugas de Siemens Energy se puede instalar como una alternativa de bajo costo a los refuerzos de gas de sello tradicionales y, al hacerlo, proporciona un camino para simplificar el diseño del sistema y mejorar la confiabilidad general. Puede ser una adición valiosa a cualquier sistema DGS en una aplicación de petróleo y gas al proporcionar una capa adicional de protección contra la contaminación, lo que reduce el riesgo de tiempo de inactividad y los gastos asociados de mantenimiento y pérdida de producción.