Élimine le besoin de surpresseurs de gaz d'étanchéité

30 mai 2023

Zoom sur la fiabilité des joints étanches côté process

Les utilisateurs finaux de compresseurs centrifuges dans les secteurs du pétrole et du gaz et d'autres industries de transformation sont confrontés à un besoin croissant de réduire les émissions fugitives, les coûts et les temps d'arrêt inutiles. L'avènement des systèmes de joints à gaz secs (DGS) a joué un rôle important dans les efforts pour atteindre ces objectifs en résolvant de nombreux problèmes fréquemment rencontrés avec les joints humides, notamment des taux de fuite élevés, une fiabilité réduite et des coûts d'exploitation élevés. Cependant, il existe des possibilités d'améliorer encore le fonctionnement des compresseurs, en particulier les unités qui utilisent des compresseurs de surpression à gaz d'étanchéité, qui peuvent être une source importante de maintenance et d'OPEX.

Siemens Energy a développé un mécanisme d'étanchéité qui permet aux opérateurs d'éliminer le besoin d'un surpresseur de gaz d'étanchéité en protégeant le DGS de la contamination du gaz de procédé à des vitesses lentes ou lorsque le compresseur est arrêté dans une condition d'attente sous pression. Cet article donne un aperçu de la conception et de la fonctionnalité du joint et traite des applications de compresseur où cela peut être avantageux.

La plupart des compresseurs centrifuges modernes sont équipés de DGS pour l'étanchéité en bout d'arbre. Ces dernières années, de nombreux compresseurs existants avec joints humides ont également été équipés de systèmes DGS. Le type de DGS le plus largement utilisé pour les applications de compresseur de gaz naturel est une conception "tandem", dans laquelle deux joints d'étanchéité (primaire et secondaire) sont installés aux extrémités de l'arbre du compresseur. Pendant le fonctionnement du compresseur, le joint primaire absorbe la différence de pression. Le joint secondaire sert de secours en cas de défaillance du joint primaire.

Un DGS se compose de deux anneaux d'accouplement (un rotatif et un fixe). Lorsque le compresseur ne fonctionne pas, les anneaux sont maintenus en contact étroit par des ressorts et une répartition de la pression statique. Lorsque le compresseur est en marche, des forces hydrodynamiques maintiennent l'anneau fixe contre le ressort. Cela crée un espace de travail de quelques micromètres entre les faces du joint. La conception permet des taux de fuite très faibles mais, par conséquent, le DGS a besoin d'une alimentation en gaz propre et sec pour fonctionner de manière fiable.

Typiquement, ce gaz est prélevé au refoulement du compresseur. Le gaz est filtré et conditionné pour éliminer les impuretés, puis injecté entre le DGS et le labyrinthe côté procédé (PSL). Le flux agit comme un tampon (c'est-à-dire un film) et protège le DGS de la pénétration de gaz de procédé.

Lorsque le compresseur tourne à grande vitesse, la décharge fournit une pression suffisante pour entraîner le flux de gaz d'étanchéité à travers le système de conditionnement et de filtration sur le panneau d'étanchéité à gaz sec, fournissant une source propre de gaz d'étanchéité au DGS. Cependant, lorsque la vitesse de rotation est lente (généralement lors du démarrage et/ou de l'arrêt), la pression n'est pas suffisante pour entraîner le flux de gaz d'étanchéité à travers le panneau d'étanchéité au gaz et le gaz de procédé non traité est capable de migrer dans l'espace d'étanchéité. Cela peut entraîner plusieurs problèmes coûteux, notamment la dégradation des joints, entraînant un temps moyen entre pannes (MTBF) plus court, une augmentation des temps d'arrêt et une augmentation potentielle des coûts si le DGS doit être remplacé.

Pour protéger le DGS lors du démarrage ou en cas d'arrêt/dysfonctionnement du compresseur, la plupart des opérateurs installent des surpresseurs de gaz d'étanchéité pneumatiques (et éventuellement des réchauffeurs) sur le skid de conditionnement de gaz ou le panneau de gaz d'étanchéité. Le surpresseur de gaz d'étanchéité est programmé pour démarrer automatiquement si la pression différentielle du gaz d'étanchéité tombe en dessous d'un certain niveau, garantissant ainsi un fonctionnement fiable du DGS.

Dans le cas des surpresseurs alternatifs, qui constituent la majorité du marché, les opérateurs choisissent parfois d'installer un deuxième compresseur qui reste en veille en cas de panne du surpresseur primaire. Les surpresseurs alternatifs sont intrinsèquement gourmands en OPEX et sont souvent cités par les utilisateurs finaux comme l'un des composants les plus problématiques du groupe compresseur.

Ces dernières années, un nombre croissant d'opérateurs ont commencé à s'éloigner des unités à pistons au profit de surpresseurs de gaz d'étanchéité à moteur électrique (rotatif), qui offrent une fiabilité beaucoup plus élevée. Cependant, ils présentent l'inconvénient d'un CAPEX élevé et peuvent ne pas être applicables dans tous les scénarios en raison de la faible capacité de charge à basse pression. Le coût initial des boosters peut également être difficile à justifier dans de nombreux cas, en particulier pour les opérateurs d'unités héritées, qui peuvent n'avoir qu'un nombre limité d'années de service restantes. De plus, ils peuvent ne pas être réalisables dans des endroits éloignés qui ne disposent pas d'une alimentation électrique fiable.

Pour résoudre les problèmes fréquemment rencontrés avec les surpresseurs DGS, Siemens Energy a développé une conception de joint unique en polytétrafluoroéthylène (PTFE) qui se situe entre le DGS et le PSL. Le joint étanche aux fuites sert d'alternative aux surpresseurs et peut être installé dans le cadre de la plupart des nouveaux ensembles de compresseurs équipés de DGS. Il peut également être installé dans des unités existantes, offrant une option de mise à niveau pour ceux qui recherchent une fiabilité améliorée.

Figure 1. Joint étanche couplé au système Siemens Energy DGS

Pendant le fonctionnement normal du compresseur, lorsque le DGS est protégé de l'entrée de gaz de procédé par le tampon d'écoulement de gaz d'étanchéité à partir de la décharge, le joint étanche est ouvert de sorte qu'il ne soit soumis à aucune usure due à la rotation à grande vitesse. Cette position est maintenue par la force centrifuge, qui active la lèvre à travers un anneau segmenté. Si/lorsque la vitesse du compresseur ralentit ou que l'unité est arrêtée (c'est-à-dire lorsque le débit de refoulement est insuffisant pour empêcher l'entrée de gaz de procédé), la force centrifuge est réduite et le joint se ferme autour de l'arbre pour empêcher la contamination du DGS du côté procédé .

Lorsque le joint étanche se ferme sur l'arbre, il force le flux qui fuira à travers le joint primaire à entrer dans la zone du joint après avoir traversé le panneau de gaz d'étanchéité, par conséquent le DGS n'est exposé qu'à un gaz de procédé propre et sec.

Fig. 2 :

Le joint étanche offre plusieurs avantages par rapport aux surpresseurs de gaz d'étanchéité, notamment :

Fiabilité accrue par rapport aux surpresseurs de gaz d'étanchéité alternatifs - Les compresseurs d'appoint de gaz d'étanchéité alternatifs sont souvent un casse-tête pour les utilisateurs finaux de compresseurs centrifuges. Le joint étanche élimine le besoin d'un surpresseur, réduisant ainsi l'OPEX et les temps d'arrêt et simplifiant le système en réduisant le nombre de composants et de connexions nécessaires. Cela diminue le risque de fuites et améliore la fiabilité globale du système. Il réduit également les besoins de maintenance en éliminant le besoin de surveiller et d'entretenir le surpresseur de gaz d'étanchéité (l'état du joint étanche est surveillé pendant les phases statiques). Ces avantages sont particulièrement pertinents pour les opérateurs qui rencontrent des problèmes avec leurs boosters alternatifs ou ceux qui n'ont actuellement aucun booster installé.

Coût réduit - Alors que la fiabilité du joint étanche est comparable à celle des surpresseurs centrifuges, le CAPEX est bien inférieur. Bien que les coûts varient en fonction des exigences de l'application, un système de surpression centrifuge à entraînement électrique typique fournissant un débit à deux joints à gaz peut coûter entre ~150 000 et 400 000 USD. En comparaison, le prix de deux joints étanches et d'une surveillance en option, ainsi que le coût des adaptations au panneau de joint à gaz sec, se situe entre 40 000 et 60 000 USD (lorsqu'il est ajouté à un Siemens Energy DGS). Les joints peuvent être expédiés directement sur le site et installés par l'opérateur de la même manière qu'un DGS serait installé.

Émissions réduites - En utilisant le joint étanche au lieu d'un surpresseur électrique, la consommation électrique globale et les émissions associées du groupe compresseur sont réduites.

Potentiel de réduction de l'empreinte de l'emballage - Dans de nombreux cas, le surpresseur de gaz d'étanchéité est installé dans le cadre du skid de préconditionnement, qui est séparé du panneau d'étanchéité au gaz. L'installation du joint étanche peut permettre d'éliminer ce patin, réduisant potentiellement l'empreinte globale de l'emballage.

Maintes et maintes fois, le panneau d'étanchéité au gaz, et plus particulièrement le surpresseur, est cité par les opérateurs comme l'un des composants les plus sujets aux pannes des ensembles de compresseurs. Le joint étanche de Siemens Energy peut être installé comme une alternative peu coûteuse aux surpresseurs de gaz d'étanchéité traditionnels et, ce faisant, offre une voie pour simplifier la conception du système et améliorer la fiabilité globale. Il peut être un ajout précieux à tout système DGS dans une application pétrolière et gazière en fournissant une couche supplémentaire de protection contre la contamination, réduisant ainsi le risque de temps d'arrêt et les dépenses associées liées à la maintenance et à la perte de production.