Повышение надежности поршневого компрессора

Illustration

SK Energy: Основанная в 1962 году как первая нефтяная компания в Южной Корее, SK Energy производит разные нефтепродукты на Ульсанском комплексе с ежедневной мощностью переработки 840 000 баррелей сырой нефти, реализуя их как на внутреннем, так и на зарубежных рынках.

В ответ на рост спроса на увеличение производства три поршневых компрессора для повышения давления газа в процессе реформинга с непрерывным регенерационным катализатором (CCR) работали без резерва и без резервного оборудования с момента реконструкции в 2009 году. Впоследствии количество незапланированных остановок и связанных с ними расходов стало увеличиваться из-за неожиданных сбоев и последующих работ по техническому обслуживанию. Фактически эти три компрессора CCR потребляли до 90% общих затрат на техническое обслуживание среди 100 поршневых компрессоров на предприятии.

В этой статье говорится, как SK Energy преодолела трудности в управлении процессом, механическом проектировании и мониторинге состояния поршневых компрессоров для повышения надежности этих активов и снижения затрат на техническое обслуживание.

Описание оборудования

Три поршневых компрессора в процессе реформинга с непрерывным регенерационным катализатором (CCR) были установлены в 2005 году. Бустер-компрессоры в процессе реформинга CCR осуществляют перекачку богатого водорода (H 2 ) из реактора на завод по производству водорода.

Illustration

Формулировка проблемы

С тех пор как оборудование было модернизировано в 2009 году для увеличения производственных мощностей, эти три компрессора работали без резерва.

После проведения проекта модернизации давление значительно не изменилось, однако температура на выходе заметно увеличилась по сравнению с исходными показателями. После завершения проекта модернизации установлен уровень температуры на выходе в 145 °C.

    • Process revamp

    • Before

    • After

    • Process revamp

    • Process revamp

    • Before

    • Before

    • After

    • After

    • 1

    • Compressor at operating

    • 2 run out of 3

    • 3 run out of 3

    • 1

    • Process revamp

    • Compressor at operating

    • Before

    • 2 run out of 3

    • After

    • 3 run out of 3

    • 2

    • Pressure Ratio 1st stage

    • 80,983 Nm3/h

    • 102,648 Nm3/h

    • 2

    • Process revamp

    • Pressure Ratio 1st stage

    • Before

    • 80,983 Nm3/h

    • After

    • 102,648 Nm3/h

    • 3

    • Pressure Ratio 1st stage

    • 2.20

    • 2.24

    • 3

    • Process revamp

    • Pressure Ratio 1st stage

    • Before

    • 2.20

    • After

    • 2.24

    • 4

    • Pressure Ratio 2st stage

    • 2.39

    • 2.41

    • 4

    • Process revamp

    • Pressure Ratio 2st stage

    • Before

    • 2.39

    • After

    • 2.41

    • 5

    • Pressure Ratio 1st stage

    • 2.31

    • 2.32

    • 5

    • Process revamp

    • Pressure Ratio 1st stage

    • Before

    • 2.31

    • After

    • 2.32

    • 6

    • Discharge Temperature 1st stage

    • 105 °C

    • 112 °C

    • 6

    • Process revamp

    • Discharge Temperature 1st stage

    • Before

    • 105 °C

    • After

    • 112 °C

    • 7

    • Discharge Temperature 1st stage

    • 101 °C

    • 106 °C

    • 7

    • Process revamp

    • Discharge Temperature 1st stage

    • Before

    • 101 °C

    • After

    • 106 °C

    • 8

    • Discharge Temperature 3st stage

    • 106 °C

    • 113 °C

    • 8

    • Process revamp

    • Discharge Temperature 3st stage

    • Before

    • 106 °C

    • After

    • 113 °C

Illustration

2. События технического обслуживания на компрессоре в период с 2009 по 2016 год.

Illustration

Изображение 3. Распределение режимов отказа в период с 2009 по 2016 год.

Illustration

3. Поврежденные детали на трех бустерных газовых компрессорах.

Анализ причин и последствий

SK Energy провела анализ причин и последствий для выявления корневой причины проблем с треснувшими клапанами и штормами поршней, охватывая все аспекты процесса и механического проектирования и целостности компрессора.

Процесс

В результате осмотра процесса было установлено, что увеличение содержания оксида железа (III) (Fe 2 O 3 ) и хлорида (Cl 2 ) в пыли способствует полимеризации остатков зеленого масла из-за изменившихся условий процесса. (H 2 /HC) – это один из факторов, способствующих увеличению легких олефинов, еще одного фактора в образовании зеленого масла.

Illustration

Изображение 4. Соотношение H 2 /HC в составе процессного газа.

Fe 2 O 3 образовалась в трубе под влиянием атмосферы во время перерыва, а пыль Cl 2 создавалась в начальном периоде запуска и при использовании нового типа катализатора. Fe 2 O 3 и пыль Cl 2 являются катализаторами, приводящими к образованию вязкого зеленого масла, которое накапливается в виде конденсата в цилиндре компрессора.

Механическое проектирование и целостность оборудования

До проведения проекта модернизации использовался клапан с концентрическим кольцевым типом отсека, однако выяснилось, что клапан не имеет достаточной прочности для выдерживания посторонних веществ.

Заедание происходит через постороннее вещество между клапанной пластиной (седлом) и кольцом.
Задержка открытия и увеличения давления между областями A и B (см. рисунок 7).
Увеличение ударов и переворачивание между кольцом и ограждением. (Поскольку жесткость наружного кольца наименьшая, наружное кольцо легко ломается.)

Illustration

Изображение 5. Отказ клапана на отсекающем клапане.

Одной из уникальных особенностей конструкции этих компрессоров является использование поршня со свободным перемещением (Free-Floating Piston FFP). Из-за уникального принципа работы поршень изготовлен из легкого материала.

Illustration

6. Отказ поршня через зеленое масло.

Улучшение

На основе результатов исследования были приняты такие меры как со стороны процесса, так и со стороны механической целостности. Кроме того, система мониторинга состояния была модернизирована для более точного контроля за состоянием машин.

Процесс

Для предотвращения дальнейшего образования зеленого масла катализаторы, такие как Fe 2 O 3 и Cl 2 были полностью удалены из системы трубопроводов и отдельного барабана на линии откачки во время планового технического обслуживания.

Illustration

7. Улучшение очистки трубопровода.

Для минимизации образования зеленого масла процесс реформинга снизил количество легких олефинов и отрегулировал условия эксплуатации при запуске для снижения содержания хлорида (Cl).

Механическое проектирование и целостность

Заменены выходные отсечные клапаны с концентрическими кольцами клапанами типа «плунжер», обладающие высокой надежностью при нежелательном попадании жидкости и сценариях заедания.

Illustration

8. Улучшение типа клапана.

Улучшено геометрическое строение поршня и увеличение его механической прочности. Поскольку изменились материал и метод производства, прочность увеличилась примерно на 48% по сравнению с исходным состоянием, сохраняя при этом вес без изменений.

Illustration

9. Улучшение геометрии.

Кроме того, для дополнительного увеличения прочности производственный процесс поршня был изменен на ковку путем падения (drop forging), что привело к увеличению прочности на 26% по сравнению с исходным дизайном.

Система мониторинга состояния для поршневого компрессора

Исходная система мониторинга состояния могла отслеживать вибрацию каркаса и крестовины, а также простые параметры процесса (давление на входе, давление на выходе, температура на выходе). Из-за ограниченных возможностей системы не могла быть проведена диагностика корневой причины проблем.

    • Type of Measurement

    • Original

    • Recommended

    • Type of Measurement

    • Type of Measurement

    • Original

    • Original

    • Recommended

    • Recommended

    • Frame Vibration

    • YES

    • YES

    • Type of Measurement

    • Frame Vibration

    • Original

    • YES

    • Recommended

    • YES

    • Crosshead Vibration

    • YES

    • YES

    • Type of Measurement

    • Crosshead Vibration

    • Original

    • YES

    • Recommended

    • YES

    • Rod Position V

    • YES

    • YES

    • Type of Measurement

    • Rod Position V

    • Original

    • YES

    • Recommended

    • YES

    • Rod Position H

    • NO

    • YES

    • Type of Measurement

    • Rod Position H

    • Original

    • NO

    • Recommended

    • YES

    • Cylinder Pressure

    • NO

    • YES

    • Type of Measurement

    • Cylinder Pressure

    • Original

    • NO

    • Recommended

    • YES

    • Multi-Event KPH

    • NO

    • YES

    • Type of Measurement

    • Multi-Event KPH

    • Original

    • NO

    • Recommended

    • YES

Illustration

10. Диаграмма оборудования в системе Bently Nevada System 1.

Была рекомендована система постоянного мониторинга и диагностики поршневого компрессора. В нее включались измерение и логика для установленных датчиков давления в цилиндре, двухплоскостной позиции стержня и многозначного (MEW) ключевого фазора. Подходящее программное обеспечение диагностики, такое как Bently Nevada System 1, позволяет проводить точную диагностику через анализ диаграммы PV, а также отслеживать события и вибрации компрессора для каждого градуса угла поворота коленчатого вала.

В программном обеспечении System1, установленном на полностью инструментированном поршневом компрессоре с датчиками давления в цилиндре и MEW Keyphasor, были включены следующие расширенные диагностические переменные:

- эффективность объемного расхода на выходе
- эффективность объемного расхода на входе
- индицируемая мощность
- адиабатическая температура на выходе
- объемный расход на выходе
- объемный расход на входе
- средний объемный расход
- Адиабатический средний объемный расход
- баланс расхода
- адиабатический баланс расхода
- мощность к среднему расходу
- индицируемый объем зазора
- потери мощности на выходе
- потери мощности на входе
По результатам осмотра было определено, что максимальное давление внутри камеры имеет тенденцию увеличиваться сверх нормальных значений, когда в камеру поступает постороннее вещество и последует оседает или образует отложения вокруг отсекающего клапана, предотвращая его нормальное функционирование. Следовательно, предполагалось, что эффективное отношение сжатия выше обычного отношения давления на выходе к давлению на входе через эффект заедания (липкие клапаны), что, в свою очередь, приводило к большему тепловому эффекту сжатия к открыванию отсекающих клапанов.

Illustration

11. Определение времени обслуживания клапана.

На основе рекомендаций Bently Nevada и технического осмотра были установлены новые датчики приближения положения стержня и датчики давления в каждой камере для проверки поведения штока поршня и состояния клапана. Для улучшения доступных количественных данных было недостаточно для точной оценки. С расширением параметров онлайн-мониторинга условий было продемонстрировано, что измерение давления в камере может предоставить богатую информацию о сжатии, а также состояние клапана.

Результат 

Illustration

12. Результаты улучшений.

Вскоре после модернизации установки в 2009 году затраты на техническое обслуживание этих трех компрессоров выросли более чем в 30 раз из-за вышеупомянутых проблем с процессом и механикой. Благодаря улучшению в системе мониторинга состояния в 2016 году уровень технического обслуживания снизился всего до четырех инцидентов в год и отсутствия треснувших поршней. Эти показатели являются самыми низкими за последние 10 лет, что свидетельствует об успешных и совместных усилиях в различных сферах деятельности.

Для этого поршневого компрессора в процессе реформирования CCR такие соображения являлись ключевыми для успешного повышения надежности:

Процесс

• Оптимизация режима работы для минимизации переноса жидкости.

• Промывка трубопроводной системы для снижения катализатора зеленого масла после перерыва.

Механическое проектирование

• На основе улучшений необходим поршень с более высокой прочностью материала на случай посторонних веществ.

• Кольцевой клапан не обладал достаточной прочностью при воздействии внешних посторонних веществ.

Мониторинг состояния
Увеличение возможности обсуждения с количественными данными из System1 и данных процесса. Рассчитанные переменные измерения давления предоставляют множество информации для каждого положения на машине, что позволяет принимать корректирующие меры. Также мониторинг давления System1 предоставил точное время для проведения технического обслуживания клапанов с использованием диаграммы PV.

Illustration

13. Результат замены клапана.