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Dank Ölbarriere bleibt das Gas, wo es hingehört

Zero-Leakage-Dichtsystem für Kolbenkompressoren
Dank Ölbarriere bleibt das Gas, wo es hingehört

Gaslecks sind an Hubkolbenkompressoren nichts Ungewöhnliches. Mit Kolbenringen und Kolbenstangendichtungen nach dem neuesten Stand der Technik lassen sich Leckagen reduzieren – sachgemäße Montage und einwandfreier Zustand vorausgesetzt. Sobald allerdings der Verschleiß einsetzt, steigen unweigerlich die Leckageraten. Das Xperseal-System verwendet Öl anstelle von konventionellen Packungen als Dichtmedium für die Abdichtung der Kolbenstange und ermöglicht damit eine leckagefreie Abdichtung zwischen den geplanten Wartungsstillstandszeiten.

Gasverluste waren seit jeher der Preis, den die Konstrukteure für die Vorteile von Kolbenkompressoren – robuste Konstruktion, Flexibilität, lange Lebensdauer, hoher Wirkungsgrad und hervorragende Leistungen bei hohen Drücken – zu zahlen hatten. Im Zuge der fortschreitenden Verschärfung der Umwelt- und Sicherheitsstandards werden Leckagen heute immer weniger toleriert. Bei seiner Einführung hatte sich das Xperseal-System vor allem bei Erdgaskompressoren bewährt. Durch den Entfall der Leckagen lässt sich hier wertvolles Erdgas einsparen und immer strenger werdende Umweltauflagen erfüllen. Auch die Betriebssicherheit wird damit verbessert, vor allem bei Kompressoren, die in geschlossenen Räumen betrieben werden.

In letzter Zeit findet das Hoerbiger-System auch in Raffinerien Verbreitung, vor allem in Anwendungen mit Schwefelwasserstoff (H2S). Wichtigster Aspekt ist hier die Sicherheit. Betreiber und Gesetzgeber werden zunehmend sensibel gegenüber der Notwendigkeit, die Arbeitsplatzbelastung von H2S weiter zu verringern, das in der Erdölindustrie eine häufige Ursache für Verletzungen und sogar Todesfälle ist. H2S kann bereits bei Konzentrationen von nur 5 ppm zu Gesundheitsrisiken führen. Der gängige zulässige Arbeitsplatzgrenzwert liegt bei 10 ppm. 100 ppm können erhebliche Erkrankungssymptome hervorrufen, eine Konzentration von 500 bis 1000 ppm ist tödlich. Es verwundert daher kaum, dass die Raffinerien bestrebt sind, die H2S-Grundbelastung so niedrig wie möglich zu halten. Vor allem gilt es, die außerordentlich hohen H2S-Konzentrationen zu vermeiden, die beim Ausfall einer Kompressorpackung auftreten können.
Einsatz in einer Raffinerie in Indien
Ein erfolgreiches Anwendungsbeispiel für den Einsatz von Xperseal findet sich in einer Anlage in Vadinar in der Provinz Gujarat an der Nordwestküste Indiens. Vadinar verfügt über ein Ölterminal und zwei Raffinerien, die von Essar Oil bzw. Reliance Industries betrieben werden. Die Raffinerie von Essar Oil in Vadinar ist die zweitgrößte Anlage Indiens und erreicht eine Kapazität von 405 000 Barrel pro Tag. Der Komplexitätsindex dieser modernen Raffinerie – deren Bau im Jahr 1996 begann – liegt bei 11,8. Hier werden hochwertige, schwefelarme Kraftstoffe hergestellt. Ein erheblicher Teil der in dieser Raffinerie verarbeiteten Chargen besteht aus schwerem oder ultraschwerem Rohöl, d. h. die Schwefelextraktion ist ein zentraler Aspekt der Verarbeitung.
Im Jahr 2015 wurde Hoerbiger von Essar Oil mit der umfangreichen Modernisierung eines Off-Gas-Kompressors der Prozessanlage für gesättigte Gase (SGU) beauftragt, die die Raffinerieabgase in vermarktungsfähige Produkte und Brenngas für die Verfeuerung im Werk umwandelt. Als erstes galt es, den Kompressor – ein Produkt von Nuovo Pignone – von der einstufigen in eine zweistufige Ausführung umzurüsten, um die neuen Prozessanforderungen erfüllen zu können. In der modernisierten Anlage, die mit 420 min-1 läuft, wird wasserstoffreiches Abgas von 5 auf 25 bar verdichtet. Der Kolbenstangendurchmesser beträgt 75 mm. Essar Oil beauftragte Hoerbiger mit der Nachrüstung des Kompressors mit Kolbenringen nach dem neuesten Stand der Technik und weiteren leistungsrelevanten Komponenten. Mit dem Ziel, Gaslecks sowohl im laufenden Betrieb als auch bei einem möglichen Ausfall konventioneller Packungen zu minimieren, entschied sich Essar Oil außerdem für den Einsatz von Xperseal. Das Zero-Leakage-Konzept hatte sich zu diesem Zeitpunkt bereits in Erdgasanlagen bewährt. Die Anlage läuft seit Oktober 2015 und hat mittlerweile mehr als 7000 Betriebsstunden störungsfrei absolviert. Gaslecks sind nicht festzustellen, der Ölverbrauch liegt für einen mit normaler Ölschmierung betriebenen Kompressor dieser Größe innerhalb der Sollwerte.
Passgenauer Sitz an der Kolbenstange
Das Grundkonzept von Xperseal ist denkbar einfach. An normalen Packungen kommt es zu Leckagen, da es unmöglich ist, herkömmliche, segmentierte Dichtelemente – egal wie flexibel sie sind – so zu gestalten, dass sie bei der Hubbewegung der Kolbenstange jederzeit hundertprozentig exakt an der Kolbenstangenoberfläche anliegen können. Wenn stattdessen eine druckbeaufschlagte Ölbarriere als Dichtmedium verwendet wird, entsteht ein Dichtsystem, das sich exakt an die Kolbenstange anpasst – selbst bei Unregelmäßigkeiten auf den Laufflächen. Solange der Öldruck höher als der Gasdruck ist, sind Gasleckagen ausgeschlossen. Die konstruktive Herausforderung besteht allerdings darin, das Öl an seinem Platz zu halten. Die Zeichnung zeigt, wie zwei Öldichtringe die mit Druck beaufschlagte Ölbarriere um die Kolbenstange umschließen. Wenn die Kolbenstange bei der Auswärtsbewegung einen der Öldichtringe überstreicht, wird jedes Mal ein dünner Ölfilm aus der Dichtkammer abgeführt. Daher wäre zu erwarten, dass ein derartiges System zwar Gaslecks zuverlässig unterbindet, aber einen hohen Ölverbrauch aufweist.
Der Trick liegt darin, die Ölverluste auf einem beherrschbaren Niveau zu halten. Aus der eingehenden Untersuchung hydrodynamischer Gesetze entstand eine Konstruktion, bei der die Bewegung der Kolbenstange das Öl gegen den herrschenden Druckgradienten zurück in die Packung pumpt. Dieser Pumpeffekt ist ein gängiges Detail bei der Konstruktion von Hydraulikdichtelementen, lässt sich bei einer Kolbenstangendichtung, die ihre Funktion über Tausende Betriebsstunden bei hohen Kolbengeschwindigkeiten verrichten muss, allerdings wesentlich schwieriger verwirklichen. Durch eine ausgeklügelte Gestaltung der Dichtlippenprofile gelang es den Konstrukteuren, dieses Problem zu lösen.
Eigens konstruierte Hydraulikeinheit
Die vollständige Packung ähnelt in ihrem Aufbau von außen einer herkömmlichen Druckpackung (siehe Schnitt durch die vollständige Null-Emissions-Packung). Neben Öldichtringen (3a, b und c) umfasst die Konstruktion zwei bzw. drei konventionelle, einfach wirkende Packungsringe (1), einen Pufferraum (2) und einen Abstreifring (4). Sämtliche Ringe sind schwimmend angeordnet, d. h. sie können sich bei Seitenbewegungen der Kolbenstange frei mitbewegen. Eine speziell entwickelte Hydraulikeinheit sorgt für die Zirkulation des Drucköls durch mehrere Xperseal-Packungen. Sie verfügt außerdem über einen Ölkühler, d. h. eine separate Kühlung der einzelnen Packungen kann entfallen. Die Hydraulikeinheit überwacht den Öldruck und den Ölverbrauch fortlaufend. Zugleich hält sie den Öldruck bei abgeschaltetem Kompressor aufrecht. Im Unterschied zu herkömmlichen Packungen sind daher keine zusätzlichen statischen Dichtungen für Kompressoren erforderlich, die auch im Stillstand unter Druck zu halten sind. Im Falle eines Öldruckverlustes fungiert die Xperseal-Packung automatisch als konventionell belüftete Druckpackung (erforderlichenfalls mit Spülfunktion) und erfüllt damit die Ausfallsicherungsfunktion.
Geringer Ölverbrauch
Die Leckrate typischer ölgeschmierter Packungen großer Kompressoren liegt bei 1000 l/h Gas, d. h. die Gesamtleckrate eines typischen Kompressors beträgt 2000 bis 4000 l/h. Bei eingelaufenen oder schadhaften Packungen können die Leckraten auf ein Vielfaches dieser Werte ansteigen. Mit Xperseal werden Gaslecks zuverlässig soweit verhindert, dass selbst ein spezieller Gasdetektor in der Nähe der Packung eine Gaskonzentration gleich Null anzeigt. Darüber hinaus muss der Ölverbrauch der Anlage auf einem mit den Werten herkömmlicher Packungen vergleichbaren Niveau gehalten werden – üblicherweise bis zu 1 l/d je Packung. Bei den ersten Praxisinstallationen an Erdgas- und Kohlenwasserstoffkühlanlagen wurden bei Kolbenstangendurchmessern von 45 bis 50 mm über Tausende Betriebsstunden günstige Ölverbrauchswerte ermittelt. Die Anpassung der Anlage für Kolbenstangendurchmesser von 75 bis 100 mm brachte neue konstruktive Herausforderungen mit sich, die Installation in der Raffinerie Vadinar von Essar Oil erwies sich jedoch als rundum erfolgreich. Diese Fallstudie bestätigt, dass sich Xperseal als bewährte Lösung zur Beseitigung von Gaslecks in Raffinerien anbietet und dazu beiträgt, die Gefahren von toxischen H2S-Emissionen zu verringern. Kolbenkompressoren sind langlebige Aggregate und auch in den kommenden Jahrzehnten ein wichtiger Baustein für die Förderung, Verarbeitung und den Transport von Öl und Gas. Mit den passenden Hochleistungskomponenten, z. B. einer wirklich leckagefreien Packung, können sie auch weiterhin Maßstäbe in Energieeffizienz und umweltschonendem Betriebsverhalten setzen.
Halle 4, Stand D01

Matthias Richtig
Global Product Manager Xperseal, Hoerbiger
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