سیل گاز خشک (Dry Gas Seal)
در بیست سال گذشته Dry Gas Seal یا DGS در کمپرسورهای گاز کاربرد فراوانی یافته است بطوری که اکنون بیش از ۸۰ کمپرسورها با استفاده از این نوع سیل ها به بازار عرضه می شوند. با گسترش استفاده این نوع سیل ها مرزهای جدیدی در کاربرد آنها ایجاد شده و تولید کنندگان این نوع سیل بطور مداوم کیفیت محصولات خود را بهبود می بخشند.
در این مقاله سعی شده تا خوانندگان و علاقه مندان با اصول اولیه طرز کارومزایا و معایب DGS نسبت به سیستمهای قدیمی تر نشت بندی آشنا گردند و سپس تنها بخشی از اصول کار و ویژگی های DGS بطور خلاصه بررسی گردیده. این مطالب فقط جهت آشنایی خواننده با اصول اولیه بوده و عملا بسیاری از مطالب مهم و کاربردی در این زمینه مطرح نشده. در خلاصه سازی مطالب این فرض در نظر گرفته شده که خوانندگان با اصول استاندارد ماشینهای دوار آشنایی دارند.
سیستمهای نشت بند Sealing systems
همانگونه که میدانید در کمپرسورهای سانتریفوژ برای جلوگیری از نشتی گاز از کمپرسور به اتمسفر باید از یک سیستم نشت بند ( External hat sealing) استفاده گردد. در این قسمت سیستمهای متداول Shaft sealing بطور خلاصه شرح داده میشوند.
Labyrinth Seal
بسیار ساده هستند و در حالت عادی تماسی میان قطعات آنها وجود ندارد تا محدوده فشار bar 6 کارایی بسیار خوبی دارند اما مقداری نشتی و همچنین تداخل Seal gas با Process Gas در این سیستم اجتناب ناپذیر است به همین دلیل کاربرد آنها محدود به مواردی است که گاز مورد استفاده خطر ناک نباشد.
Floating Ring Seal(Oil wet)
این نوع سیلها در کمپرسورهایی با فشار خروجی بالا (تا) bar 350 کاربرد خوبی دارند اما از معایب اصلی آنها اتلاف انرژی ، آلودگی گاز با روغن افت خواص روغن در اثر آلودگی با گاز، حساسیت بسیار زیاد به H2S و نیاز به ایجاد دو سیستم مجزای Seal oil و lub oil می باشد.
Mechanical Contact Seals(Oil wet)
کاربرد این نوع سیل ها تا فشار bar 150 میباشد و بدلیل نوع طراحی آلودگی گاز و روغن در این نوع سیل کمتر از نوع Floating می باشد اما افت انرژی در این نوع سیل بیشتر از نوع Floating می باشد. این سیل ها عمر کمتری نیز دارند و به ذرات آلودگی حساس می باشند.
Dry Gas Seal
این سیلها تا محدوده فشار ۲۰۰ bar کاربرد دارند و از مزایای عمده آنها عدم اتلاف انرژی، عدم نیاز به سیستم Seal oil سادگی و نصب آسان ، عدم آلودگی گاز با روغن، تنوع کاربرد، قیمت کلی کمتر با احتساب سیستم کنترل) و قابلیت اطمینان بالا میباشد.
از معایب این سیستم نیز می توان این موارد را نام برد آسیب پذیری در مقابل آلودگی ، گران بودن Face و Seat و اثر منفی سیل بر پایداری روتور نام برد.
با توجه به کلیه موارد بالا خریداران و تولید کنندگان کمپرسور برای کاربردهای مهم در فرآوری و پالایش یا انتقال گاز امروزه DGS را بر دیگر انواع سیل ترجیح میدهند و تنها در مواردی که استفاده از آن از نظر فنی با اقتصادی مقدور نباشد از انواع دیگر سیلها استفاده میکنند. جدول ذیل مقایسه کلی دو نوع عمده سیلهای بکار رفته در کمپرسور ها را نشان می دهد.
اصول کاری Dry Gas Seal
DGS از نظر ظاهری شبیه یک مکانیکال سیل عادی است ، اما در عمل اصول کاری آن کاملا متفاوت می باشد. قسمت اصلی DGS شامل یک یا چند Stationary Face و به همان تعداد Rotating Ring می باشد.
Rotating Ring دارای شیارهایی با عمق کم (حدود ۱۰ میکرون) می باشد که در انواع مختلف DGS متفاوت است یک نمونه از این شیارها در تصویر مشاهده می گردد. در هنگام دوران رینگ این شیارها مانند یک پروفیل آیرودینامیکی عمل کرده و گاز را به سمت داخل شیار جاروب میکنند با توجه به شکل و سطح مقطع این شیارها گاز وارد شده به شیار با حرکت به سمت داخل متراکم می شود و در انتهای شیار فشار گاز با تولید نیروی کافی جهت غلبه بر نیروی فشار استاتیک گاز و فنر باعث جدا شدن Stationary Face , Rotating Ring میگردد.
در ادامه توضیح داده خواهد شد که طرفین رینگ های ثابت و دوار توسط Buffer Gas و Seal Gas تحت فشار می باشند و تشکیل پروفیل فشار در مقطع سیل و ایجاد فشار بالا در مرز Seal Dam عملا باعث ایجاد تعادل در طرفین سیل شده و مانع نشت گاز از سمت پروسس به بیرون میشود.
Tertiary Seal / Barrier Seal
با توجه به اینکه عمق شیارهای DGS بسیار کم می باشد ، در صورت نفوذ روغن به داخل سیل عملا کارایی آن از دست می رود و عدم ایجاد فشار لازم باعث می شود که صفحات ثابت و دوار با چرخش بر روی هم دچار آسیب شوند به همین دلیل سازندگان کمپرسور جهت جلوگیری از نفوذ روغن به سمت DGS از یک سیل استفاده میکنند سازندگان مختلف نامهای متفاوتی را برای این قطعه در نظر گرفته اند.
شرکت GE و شرکتهای وابسته به آن از نام Tertiary Seal و شرکت Siemens از نام Barrier Seal استفاده می کند.
طراحی این سیلها معمولا با استفاده از Labyrinth یا استفاده از رینگهای کربن شیار دار انجام می گیرد که هر یک معایب و مزایا و کاربردهای خاص خود را دارا میباشند که در اینجا از مطرح کردن آن صرف نظر می شود. لازم به ذکر است که تامین گاز مورد نیاز این سیل پیش نیاز راه اندازی سیستم روغن در کمپرسورها می باشد.
طراحی های متداول DGS
با توجه به شرایط مختلف پروسس و طراحی کمپرسور آرایشهای ویژهای از DGS تولید شده که مهمترین آنها در این بخش شرح داده می شوند.
Single Seal (without Buffer Gas)
در این نوع سیل تنها از یک جفت Seat – Face استفاده میشود. مطابق طراحی متداول Clean Gas از خروجی کمپرسور یا یک منبع خارجی با فشار بالاتر تامین میشود و پس از گذز از فیلترهای ۵ میکرون بـه منطقه High Pressure پشت سطوح سیل وارد میشود. Separation gas یا Barrier Gas نیز از قسمت Barrier Seal وارد میشود و نشتی این گاز به همراه نشتی گاز پروسس از قسمت Vent به بیرون منتقل میشود و در صورت لزوم به Flare فرستاده میگردد. در بعضی موارد جهت افزایش کارایی سیل ، یک مرحله Internal Labyrinth در قسمت خارجی سیل بین Barrier Seal و ورودی نیتروژن قـرار میدهند.
این نوع سیل برای استفاده در مواردی که گاز پروسس بی خطر است و مقداری نشتی مشکلی ایجاد نکند استفاده می شود.
معمولا گاز مورد استفاده در قسمت Barrier در کلیه سیلها نیتروژن یا هوای ابزار دقیق میباشد و برای بهینه ساختن عملکرد سیل سرعت گاز در Labyrinth بین ۳ تا ۶ متر بر ثانیه باشد و در مورد سیل رینگ ها نیز اختلاف فشار بین گاز ورودی و فشار محفظه برینگ باید حدود ۵ اتمسفر نگهداری شود. برای کنترل میزان نشتی و جلوگیری از نشت بیش از حد گاز یک اریفیس در سر راه گازهای خروجی قرار داده می شود . در صورتی که نشت گاز بیش از میزان پیش بینی شده باشد آنگاه افزایش فشار مسیر خروجی توسط حسگرهایی که به همین منظور بکار رفته دریافت میگردد و با ارسال سیگنال به کنترل روم ابتدا آلارم و در مرحله بعدی باعث Shut Down کمپرسور میگردد. معمولا برای بررسی وضعیت قسمتهای مختلف سیل از جمله Barrier Seal میزان گاز عبوری از هر مسیر به دقت کنترل میشود تا از این طریق کارایی و سلامت سیل کاملا تحت کنترل باشد و از توقفهای ناگهانی جلوگیری شود.
سیل های دوبل Double seal
در این نوع سیل از دو Rotating Ring و Seal Face استفاده شده که یکی از آنها وظیفه جلوگیری از نشتی گاز پروسس را بر عهده دارد و دیگری علاوه بر کمک به ایجاد محفظه پر فشار نیتروژن به عنوان یک سیل پشتیبان عمل میکند و باعث میشود در صورت از کار افتادن سیل اصلی بجای نشت گاز به خارج نیتروژن به سمت گاز حرکت کند.
در این آرایش عملا مقدار نشتی گاز پروسس صفر است و برای کاربرد در مواردی که این گاز خطرناک یا سمی است کاربرد فراوانی دارد. در این نوع سیل نیتروژن به عنوان Buffer Gas از قسمت وسط وارد شده و محفظه بیرونی هر Ring-Face را تحت فشار قرار میدهد فشار این نیتروژن باید حد اقل 2bar بالاتر از فشار Clean Gas در سمت پروسس ورودی به سیل باشد. این فشار توسط یک PDCV تامین میشود و باید توجه شود که در مواردی که از این مدل استفاده میشود تامین گاز نیتروژن با فشاری بالاتر از فشار گاز پروسس الزامی است و در بسیاری موارد یک کمپرسور تقویت کننده فشار نیتروژن برای کمپرسورهای با فشار خروجی بالا لازم است.
در صورت استفاده از منبع خارجی برای تامین Clean Gas معمولا فشار آن را کمی بالاتر از فشار گازپروسس در نظر میگیرند تا از ورود هر گونه گاز فیلتر نشده به محفظه سیل جلوگیری شود. در این نوع سیل چون گاز خروجی از مسیر vent نیتروژن است ، نیازی به اتصال آن به Flare وجود ندارد و در عین حال از نظر پروسس باید نفوذ مقداری نیتروژن به جریان گاز مجاز باشد. عملکرد قسمت Banier seal مانند سیلهای Single میباشد و تنها توجه به این نکته جالب است که به دلیل فشار محفظه خروجی گاز (Vent) امکان کمتری برای ورود روغن به محفظه سیل وجود دارد.
سیل های تاندم Tandem Seal Arrangment
در این سیل ها از دو جفت Ring – Face به صورت پشت سر هم استفاده میشود. استفاده از این آرایش بیشتر در مواردی انجام می پذیرد که گاز پروسس خطرناک باشد و در ضمن تداوم تولید از اهمیت ویژه برخوردار باشد سیل های تاندم ( With Internal Labyrinth) این توانایی را دارند که در صورت از کار افتادن یا خوب عمل نکردن Primary Seal مدت بیشتری نسبت به دیگر مدل ها در سرویس باقی بمانند با صرف نظر کردن از افزایش فشار در خروجی اصلی به Flare) این کار مقدمات خارج کردن کمپرسور از سرویس توسط بهره برداری را فراهم می سازد و زمان تعمیرات نیز به حد اقل مـی رسید طراحی سیل های تاندم خود دارای آرایشهای متفاوتی است که دامنه کاربرد این مدل را بسیار گسترش می دهد.
جهت چرخش و پروفیل Rotating Ring
با توجه به مطالب فوق و نظر به اینکه شیارهای Rotating Ring باید هوا را به سمت داخل رینگ جاروب کند شکل شیار و جهت چرخش در عملکرد سیل مهم است. طراحیهای مختلفی در این زمینه صورت گرفته و بطور عمده میتوان طرحهای موجود را به دو قسمت تقسیم نمود.
رینگ های یک جهتی
این رینگها فقط قابلیت فشرده کردن گاز در یک جهت را دارند و در هنگام طراحی و نصب باید به جهت چرخش کمپرسور توجه شود. در این مدلها سیل هایی که در دو طرف شفت کمپرسور سوار می شوند دارای شیارهایی با جهت مخالف یکدیگر می باشند.
رینگ های دو جهتی
این نوع رینگ ها قابلیت فشرده کردن گاز را در هر دو جهت چرخش دارند و برای کاربردهای عمومی و فشارهای متوسط کارایی خوبی دارند.
تکنولژی ساخت
یکی از مهمترین ویژگیهای DGS تکنولژی بالای تولید آن میباشد حک کردن شیار ها روی Rotating Ring بوسیله روشهای ویژه و پیچیده براده برداری با Lazer می باشد. جنس سطوح بکار رفته برای Liquid Phase Sintered SiC-Si, SiC-Si :Rotating Ring یا Si3N4 میباشد جنس مواد Stationary Seat نیز SiC-Si با پوشش Diamond Like Carbon coating می باشد.
نتیجه گیری
گسترش سریع DGS در سالهای اخیر نشان می دهد که بیشتر خریداران تجهیزات امروزه DGS را بر انواع دیگر سیلها ترجیح می دهند. امروزه کاربرد DGS محدود به کمپرسورها نمی شود و این سیل ها در پمپ های حساس و همزنهای بزرگ و … کاربرد یافته.اند طراحیهای مختلف Ring & Seat و آرایش های متفاوتی که توسط سازندگان مختلف ارائه میشود بسیار گسترده است. در این گزارش کوتاه سعی شد تا با ارائه مطالبی بسیار محدود درباره DGS و اصول مورد استفاده در آنها دید کلی به خواننده ارائه شود و به بسیاری از موارد مهم و کاربردی در این زمینه پرداخته نشد این نوشته خلاصه ای از برداشتهای آزاد نگارنده از بحث گسترده DGS میباشد و در تهیه آن از منابع مختلف و متعدد استفاده شده و در بسیاری موارد شد تا نقاط مشترک و مورد تایید کلیه سازندگان مطرح شود و از ویژگیهای محصولات خاص پرهیز گردید.
آیا این نوشته برایتان مفید بود؟
