Calentadores y refuerzos de gas de sellado en sistemas de soporte de sello de gas seco

Por Sourav Majumdar y Neetin Ghaisas 27 de enero de 2023

Los sellos de gas seco brindan una solución de sellado estándar efectiva, confiable y robusta para compresores en todo tipo de procesos utilizados en las industrias petroquímica, de gas natural y del petróleo. Requieren un suministro continuo o ininterrumpido de gas de sellado limpio y seco en el espectro de flujo y presión de diseño para garantizar que las caras del sello se levanten a niveles óptimos para lograr el mejor rendimiento posible. Tanto los sellos de gas seco presurizados como los no presurizados utilizan “gas de sellado” limpio aguas arriba del sello de gas seco para establecer una barrera contra la corriente de proceso potencialmente contaminada.

Este artículo presenta una descripción general cualitativa de la gestión del punto de rocío y los sistemas de aumento de presión del gas de sellado que son parte integral de la confiabilidad de los sellos de gas seco. El foco de la discusión son los sellos de gas seco en compresores centrífugos y de engranajes integrales; sin embargo, los principios descritos también son aplicables a los compresores rotativos de desplazamiento positivo.

En condiciones normales de funcionamiento, los compresores pueden proporcionar un suministro continuo de gas sellador desde un nivel de presión más alto en el compresor, normalmente desde la boquilla de descarga final del compresor. Los sistemas de acondicionamiento de gas seco reciben este gas, lo filtran, lo acondicionan y lo proporcionan a los sellos de gas seco.

Sin embargo, durante los períodos de arranque, presurización, reciclaje, parada y parada, la presión diferencial a través del compresor cae, interrumpiendo el flujo de gas de sellado. Cuando esto ocurre, puede provocar la migración de gas de proceso sucio con la consiguiente contaminación y degradación del rendimiento del sello, lo que en conjunto causa condiciones de operación inseguras, tiempo de inactividad de la máquina y posibles costos de mantenimiento más altos.

La Figura 1 muestra una vista en sección transversal de un sello de gas seco en tándem típico con laberinto intermedio y la Figura 2 muestra perfiles de flujo típicos con y sin aumento de presión del gas de sello durante el arranque de un compresor centrífugo.

Cuando un compresor centrífugo está en funcionamiento en estado estable y desarrolla el diferencial de presión, normalmente se proporciona gas de sello limpio y seco desde su boquilla de descarga final al sistema de gas de sello y de ahí a los sellos de gas seco del extremo del eje. La Figura 3 representa un rendimiento estimado de un refuerzo de gas de sello a una presión de entrada de 725 psig de un compresor centrífugo de tubería.

La presión diferencial a través del compresor centrífugo es demasiado baja para proporcionar el caudal de gas de sellado requerido en condiciones de reciclaje, presurización, arranque y parada (apagado) presurizada. En estas situaciones, el flujo de gas de sellado hacia los sellos de gas seco se pierde y se produce la migración del gas de proceso a la cavidad del sello de gas seco a través del laberinto de proceso. Las Figuras 4 y 5 muestran la contaminación del entorno del sello de gas seco en modo de reciclaje y apagado presurizado, causada por el flujo inverso del gas de proceso hacia la cavidad del sello.

En el ejemplo que se muestra en la Figura 6 para un compresor con una presión de entrada de 1450 psig, el flujo de gas de sellado estimado de 3,5 pies cúbicos por minuto (cfm) a una presión diferencial de 56 psid se puede lograr a una velocidad de funcionamiento de 3500 rpm para evitar la contaminación en la cavidad del gas de sellado. .

Los impulsores de gas de sellado modernos están disponibles en dos tipos: neumáticos y motores eléctricos de frecuencia ajustable accionados con potencias habituales entre 7,5 caballos de fuerza y ​​25 caballos de fuerza. Proporcionan gas de sellado durante períodos de baja presión diferencial disponible y ayudan a lograr una protección presurizada de los sellos de gas seco durante todo el rango de operación del compresor en su mapa de rendimiento. El diferencial entre la presión del suministro de gas de sellado y la presión sellada debe ser de al menos 50 psi para evitar la contaminación primaria del sello. La relación de aumento de presión de los impulsores neumáticos varía de 1,2 a 2 según el rango de presiones de trabajo máximas permitidas de 3000 psi a 6000 psi. Las velocidades de ciclo máximas correspondientes de los impulsores neumáticos son de 100 ciclos por minuto hasta 60 ciclos por minuto. Estos valores son típicos y pueden variar entre diferentes modelos y fabricantes.

Los impulsores de gas de sellado se han convertido en una parte integral de los sistemas de tratamiento de gas de sellado en instalaciones nuevas. También ofrecen un atractivo potencial de modernización para plantas de procesamiento de hidrocarburos y gas natural centradas en la confiabilidad, donde se podrían considerar sistemas de soporte y acondicionamiento de gas de sellado más antiguos para una actualización. La figura 7 muestra la vista en sección transversal de un propulsor vertical accionado por un motor eléctrico. Tenga en cuenta el sensor de medición de temperatura; un transmisor o sensor RTD con transmisor provisto en la carcasa de contención. Normalmente se monta entre los anillos magnéticos interior y exterior o entre el imán impulsor y la cubierta de la carcasa. En la Figura 8 se muestra un esquema del refuerzo de gas de sellado.

El gas de sellado que ingresa al área del sello primario debe estar limpio y seco. API 692, 1.ª edición especifica un tamaño de partícula esférica de 1 μm con una eficiencia de eliminación del 99,9 % para filtros de gas de sellado. Además de la calidad del gas de sellado, es esencial un margen de punto de rocío (sobrecalentamiento) de al menos 35 °F (20 °C) en todo el sistema de sello de gas seco para evitar la condensación, la pérdida de presión de sellado y la posterior migración del gas de proceso hacia la cavidad del sello. y contaminación. Para determinar este margen, se debe realizar una simulación por computadora del mapa de fases del sistema de sello de gas seco desde el punto de suministro de gas de sello primario hasta la ventilación primaria para evaluar cualquier potencial de condensación de gas de sello. La temperatura del gas de sellado debe medirse en el punto de entrada del gas de sellado al sello, no en la fuente de suministro de gas de sellado. La Figura 9 muestra algunas curvas del mapa de fases.

Para lograr esta calidad del gas de sellado, a menudo resulta necesario integrar sistemas de tratamiento de gas de sellado con el sistema general de control de gas seco. Un hardware de acondicionamiento de gas de sellado consta de unidades que proporcionan gas de sellado limpio y seco. Para proporcionar gas de sellado seco se utilizan enfriadores, prefiltros de gas húmedo y, si es necesario, un calentador de gas de sellado. Los desempañadores de gas húmedo y los filtros dobles limpian el gas de sellado.

El calentador de gas de sellado de tipo directo utiliza un serpentín de calentamiento eléctrico por inmersión. El tipo indirecto tiene un serpentín calefactor sumergido en aceite o gas sellador presurizado contenido dentro de un serpentín en espiral que está encerrado en la carcasa de aluminio fundido que tiene los elementos calefactores eléctricos. Esta disposición es favorable en aplicaciones donde el gas de sellado del compresor está a una temperatura elevada o un punto de rocío más alto. El aluminio sirve para transferir calor de los elementos calefactores al gas de sellado, evitando así el contacto directo entre ambos. En la Figura 10 se muestra un calentador de gas de sellado integrado con un sistema de gestión del punto de rocío del sello de gas seco.

Neetin Ghaisas es miembro senior de equipos rotativos en Fluor. Tiene varios años de experiencia en turbomaquinaria con experiencia en desarrollo y selección de especificaciones, resolución de problemas, revisiones rotordinámicas y análisis de vibraciones de equipos rotativos. Antes de unirse a Fluor, trabajó como ingeniero de confiabilidad de maquinaria en Petrokemya (una filial de SABIC) en Jubail, Arabia Saudita. Neetin Ghaisas tiene un título de MEng. Licenciado por la Universidad de Bombay y ingeniero profesional registrado en las provincias de Alberta y Columbia Británica en Canadá. Ha contribuido al desarrollo de estándares API y prácticas de la industria de procesos durante muchos años y actualmente ocupa cargos en el Instituto Americano del Petróleo (API) como presidente del estándar API 612, presidente del estándar API 672 y miembro del Subcomité de Equipos Mecánicos. También es miembro de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) y miembro del Equipo Funcional de Maquinaria de Process Industry Practices (PIP). El Sr. Ghaisas es autor y coautor de varios artículos que se publican en las principales revistas internacionales. Posee una patente estadounidense relacionada con la modularización de maquinaria.

Sourav Majumdar es Gerente de Ventas Técnicas de Compresores - América en Flowserve Corporation ubicada en Calgary, Alberta, Canadá. El Sr. Majumdar posee 30 años de experiencia profesional con importante experiencia en equipos rotativos especializados en compresores y bombas. Su experiencia se centra en sellos de gas seco para compresores, sistemas de soporte de sellos y sistemas de acondicionamiento de gas de sello, incluidos impulsores de gas de sello. El Sr. Majumdar ha trabajado con varios usuarios finales y organizaciones de ingeniería a nivel mundial para ayudarlos a seleccionar sistemas y sellos mecánicos/de gas seco adecuados para compresores/bombas, especificaciones de construcción y resolución de problemas de dichos equipos. Tiene una licenciatura en Ingeniería Mecánica del Instituto Indio de Tecnología -BHU, Varanasi, y una Maestría en Administración de Empresas (MBA) de la Universidad de Leicester, Reino Unido.

Flowserve Corporation ha proporcionado gentilmente todas las fotografías incluidas en este capítulo. El material está adoptado del artículo del autor “Sistemas de sellado de gas seco para compresores centrífugos” - Neetin Ghaisas, Sourav Majumdar, revista CompressorTECH² (junio de 2017).

[1] Flowserve Corporation – Catálogos de sellos de gas seco (varios).

[2] API 692, 1.ª edición: sistemas de sellado de gas seco para compresores y expansores axiales, centrífugos y de tornillo rotativo