Підвищення надійності поршневого компресора

Illustration

SK Energy : Заснована у 1962 році як перша нафтова компанія в Південній Кореї, SK Energy виробляє різні нафтопродукти на Ульсанському комплексі з щоденною потужністю переробки 840 000 барелів сирої нафти, реалізуючи їх як на внутрішньому, так і на зарубіжних ринках.
У відповідь на зростання попиту на збільшення виробництва, три поршневі компресори для підвищення тиску газу в процесі реформінгу з безперервним регенераційним каталізатором (CCR) працювали без резерву і без резервного обладнання з моменту реконструкції в 2009 році. Згодом кількість незапланованих зупинок та пов'язаних з ними витрат почала збільшуватися через несподівані збої та подальші роботи з технічного обслуговування. Фактично, ці три компресори CCR споживали до 90% загальних витрат на технічне обслуговування серед 100 поршневих компресорів на підприємстві.
У цій статті розповідається, як SK Energy подолала труднощі в управлінні процесом, механічному проектуванні та моніторингу стану поршневих компресорів для підвищення надійності цих активів та зниження витрат на технічне обслуговування.

Опис обладнання

Три поршневі компресори в процесі реформінгу з безперервним регенераційним каталізатором (CCR) були встановлені в 2005 році. Бустер-компресори в процесі реформінгу CCR здійснюють перекачування багатого водню (H 2 ) з реактора на завод з виробництва водню.

Illustration

Формулювання проблеми

З того часу, як обладнання було модернізовано в 2009 році для збільшення виробничих потужностей, ці три компресори працювали без резерву.

Після проведення проекту модернізації тиск значно не змінився, проте температура на виході помітно збільшилася порівняно з вихідними показниками. Після завершення проекту модернізації встановлено рівень температури температури на виході 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. Події технічного обслуговування на компресорі в період з 2009 по 2016 рік.

Illustration

Зображення 3. Розподіл режимів відмови у період з 2009 до 2016 року.

Illustration

3. Пошкоджені деталі на трьох бустерних газових компресорах.

Аналіз причин та наслідків

SK Energy провела аналіз причин і наслідків для виявлення кореневої причини проблем з клапанами і штормами, що тріснули, поршнів, охоплюючи всі аспекти процесу і механічного проектування і цілісності компресора.

Процес

В результаті огляду процесу було встановлено, що збільшення вмісту оксиду заліза (III) (Fe 2 O 3 ) і хлориду (Cl 2 ) у пилу сприяє полімеризації залишків зеленої олії через змінені умови процесу. (H 2 /HC) - це один з факторів, що сприяють збільшенню легких олефінів, ще одного фактора в утворенні зеленої олії.

Illustration

Зображення 4. Співвідношення H 2 /HC у складі процесного газу.

Fe 2 O 3 утворився в трубі під впливом атмосфери під час перерви, а пил Cl 2 створювалася в початковому періоді запуску та при використанні нового типу каталізатора. Fe 2 O 3 і пил Cl 2 є каталізаторами, які призводять до утворення в'язкої зеленої олії, яка накопичується у вигляді конденсату в циліндрі компресора.

Механічне проектування та цілісність обладнання

До проведення проекту модернізації використовувався клапан з концентричним кільцевим типом відсікового клапана, проте з'ясувалося, що клапан не має достатньої міцності для витримування сторонніх речовин.

Заїдання відбувається через сторонню речовину між клапанною пластиною (сідлом) та кільцем.
Затримка відкриття та збільшення тиску між областями A та B (див. малюнок 7).
Збільшення ударів та перевертання між кільцем та огорожею. (Оскільки жорсткість зовнішнього кільця найменша, зовнішнє кільце легко ламається.)

Illustration

Зображення 5. Відмова клапана на клапані, що відсікає.

Однією з унікальних особливостей конструкції цих компресорів є використання поршня з вільним переміщенням (Free-Floating Piston FFP). Через унікальний принцип роботи поршень виготовлений з легкого матеріалу. Було встановлено, що міцність матеріалу недостатня для витримування великих навантажень, створюваних зеленим маслом.

Illustration

Зображення 6. Відмова поршня через зелене масло.

Поліпшення

На основі результатів дослідження було вжито таких заходів як з боку процесу, так і з боку механічної цілісності. Крім того, система моніторингу стану була модернізована для точнішого контролю за станом машин.

Процес

Для запобігання подальшому утворенню зеленої олії, каталізатори, такі як Fe 2 O 3 і Cl 2 були повністю видалені з системи трубопроводів і віддільного барабана на лінії відкачування під час планового технічного обслуговування.

Illustration

7. Поліпшення очищення трубопроводу.

Для мінімізації утворення зеленої олії процес реформінгу зменшив кількість легких олефінів та відрегулював умови експлуатації при запуску для зниження вмісту хлориду (Cl).

Механічне проектування та цілісність

Замінено вихідні відсічні клапани з концентричними кільцями клапанами типу «плунжер», що мають високу надійність при небажаному потраплянні рідини та сценаріях заїдання.

Illustration

8. Поліпшення типу клапана.

Поліпшено геометричну будову поршня збільшення його механічної міцності. Оскільки змінилися матеріал та метод виробництва, міцність збільшилася приблизно на 48% порівняно з вихідним станом, зберігаючи при цьому без змін вагу.

Illustration

9. Поліпшення геометрії.

Крім того, для додаткового збільшення міцності виробничий процес поршня був змінений на кування шляхом падіння (drop forging), що призвело до збільшення міцності на 26% порівняно з вихідним дизайном.

Система моніторингу стану для поршневого компресора

Вихідна система моніторингу стану могла відслідковувати лише вібрацію каркасу та хрестовини, а також прості параметри процесу (тиск на вході, тиск на виході, температура на виході). Через обмежені можливості системи не могла бути проведена діагностика кореневої причини 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. Діаграма обладнання в системі Bently Nevada System 1.

Була рекомендована система постійного моніторингу та діагностики поршневого компресора. До неї включалися вимірювання та логіка для встановлених датчиків тиску в циліндрі, двоплощинної позиції стрижня та багатозначного (MEW) ключового фазора. Відповідне програмне забезпечення діагностики, таке як Bently Nevada System 1, дозволяє проводити точну діагностику через аналіз діаграми PV, а також відстежувати події та вібрації компресора для кожного градуса кута повороту колінчастого валу.
У програмному забезпеченні System1, встановленої на повністю інструментованому поршневому компресорі з датчиками тиску в циліндрі та MEW Keyphasor, були включені такі розширені діагностичні змінні:
- Ефективність об'ємної витрати на виході- Ефективність об'ємної витрати на вході- Індикована потужність- Адіабатична температура на виході- Об'ємна витрата на виході- Об'ємна витрата на вході- Середня об'ємна витрата- Адіабатична середня об'ємна витрата- Баланс витрати- Адіабатичний баланс витрати- Потужність до середньої витрати- Індикований обсяг зазору- Втрати потужності на виході- Втрати потужності на входіЗа результатами огляду було визначено, що максимальний тиск усередині камери має тенденцію збільшуватися понад нормальні значення, коли в камеру надходить стороння речовина і наступно осідає або утворює відкладення навколо відсікаючого клапана, запобігаючи його нормальному функціонуванню. Отже, передбачалося, що ефективне відношення стиснення вище звичайного відношення тиску на виході до тиску на вході через ефект заїдання (липкі клапани), що, у свою чергу, призводило до більшого теплового ефекту стиску до відкривання клапанів, що заїдають відсікають.

Illustration

Зображення 11. Визначення часу обслуговування клапана.

На основі рекомендацій Bently Nevada та технічного огляду були встановлені нові датчики наближення положення стрижня та датчики тиску в кожній камері для перевірки поведінки штока поршня та стану клапана. До цього покращення наявних кількісних даних було недостатньо для точної оцінки. З розширенням параметрів онлайн-моніторингу умов було продемонстровано, що вимірювання тиску в камері можуть надати багату інформацію про стиснення, а також стан клапана.

Результат 

Illustration

12. Результати поліпшень.

Незабаром після модернізації установки у 2009 році витрати на технічне обслуговування цих трьох компресорів зросли більш ніж у 30 разів через вищезгадані проблеми з процесом та механікою. Завдяки покращенням у системі моніторингу стану у 2016 році, рівень технічного обслуговування знизився всього до чотирьох інцидентів на рік та відсутності тріснулих поршнів. Ці показники є найнижчими за останні 10 років, що свідчить про успішні та спільні зусилля в різних сферах діяльності.

Для цього поршневого компресора в процесі реформування CCR такі міркування були ключовими для успішного підвищення надійності:

Процес

• Оптимізація режиму роботи для мінімізації перенесення рідини.

• Промивання трубопровідної системи для зниження каталізатора зеленої олії після перерви.

Механічне проектування

• На основі покращень був необхідний поршень з вищою міцністю матеріалу на випадок сторонніх речовин.

• Кільцевий клапан не мав достатньої міцності при дії зовнішніх сторонніх речовин.

Моніторинг стану

• Збільшення можливості обговорення з кількісними даними, що надходять із System1 та даних процесу. Розраховані змінні вимірювання тиску надають безліч інформації для кожного положення на машині, що дозволяє вживати заходів, що коректують. • Також моніторинг тиску System1 надав точний час для проведення технічного обслуговування клапанів з використанням PV діаграми.

Illustration

13. Результат заміни клапана.