Innovative Lageröldichtung erhöht Zuverlässigkeit von Kompressoren im britischen Gasnetz

National Grid betreibt das britische Gasnetz, das aus 7.600 km Hochdruck-Pipelines und 24 Kompressorstationen besteht. In der Nether Kellet Druckerhöhungsstation nahe Manchester ist ein dualer, gasturbinengetriebener Zentrifugalkompressor des Typs Siemens STC-CP mit fliegend auf der Motorwelle montiertem Laufrad eingesetzt. Diese Bauweise ist in der Gasnetztechnik weit verbreitet. Die Wellendichtung des Kompressors – eine Dry Gas Seal in Tandemanordnung plus einer Kohlering-Lageröldichtung mit Stickstoff als Trenngas - gilt bis heute als Industriestandard. Die DGS übernimmt die primäre Dichtfunktion, während die Kohleringdichtung die Hauptdichtung vor Verunreinigungen durch Lageröl schützt und dafür sorgt, dass kein Prozessgas in das Lager eindringt.

„Bei Nether Kellet hatten wir das Problem, dass Öl über die Lageröldichtung eindringen konnte, wodurch die DGS kontaminiert wurde. Dies führte zu unerwünschten Ausfallzeiten des Kompressors sowie zu einem Druckverlust beim Stickstoff während Standzeiten, in denen das System noch unter Druck stand“, erklärt Ferdinand Werdecker, Leiter Engineering Kompressorendichtungen bei EagleBurgmann. „Der auf die Deformation der Kohlerringsegmente der Dichtungen zurückzuführende Druckverlust entstand bei Niederdruckzyklen in der Gasleitung. Solche im normalen Pipelinebetrieb unvermeidbaren Druckzyklen treten immer wieder auf.“

National Grid und Siemens Energy luden EagleBurgmann 2010 ein, sich an der Entwicklung einer besseren Lösung zu beteiligen. Die Kunden stellten sich eine Lageröldichtung vor, die durch einen Gasfilm von hoher Steifigkeit tolerant gegenüber Vibrationen sein sollte, und einen berührungsfreien Lauf in allen Betriebszuständen ermöglichen müsste. Sie sollte außerdem robust genug sein, um das Problem der gebrochenen Kohleringe zu eliminieren. Während Stillständen und im langsamen Betrieb des Kompressors dürfe kein Öl austreten und Gasverlust müsse verhindert werden.

Die neue Konstruktion sollte außerdem mit so wenig Stickstoffspülgas wie möglich betrieben werden - der Stickstoffverbrauch sollte minimalen Fluktuationen ausgesetzt sein, was wiederum geringere Betriebskosten mit sich bringen würde.

Stickstoff (min. -50 °C (-238 °F)) wird eingesetzt, um dem Kohlering der aerostatischen Lageröldichtung die erforderliche Gleitkapazität zu ermöglichen und das Abheben von der Kompressorenwelle nach Stillständen sicher zu stellen.

Die Lösung von EagleBurgmann war eine industrielle Neuheit: Eine konventionelle DGS in Verbindung mit der neu entwickelten koaxialen Lageröldichtung, die statt der bestehenden Kohleringdichtung eingesetzt wurde. Das konstruktive Design der CobaSeal ähnelt einer DGS und besteht aus einem rotierenden Gleitring aus einem duktilen Werkstoff und einem befederten stationären Gegenring aus Siliziumkarbid. Beide Elemente sind mit einer Hochleistungs-Beschichtung versehen.

Das Stickstoff-Trenngas wird über axiale Bohrungen durch den stationären Gegenring in die Mitte des rotierenden Gleitring geleitet und hier in zwei Ströme geteilt: einer geht über den Innendurchmesser zur Sekundärentlüftung, der andere über den Außendurchmesser des Gleitrings zum Lager.

Abb. 1: Kompressorwelle vor dem Einbau
Abb. 2: Schnittbild einer typischen Trockengasdichtung + Lageröldichtung (PDGS + CobaSeal von EagleBurgmann)
Gelb = rotierend, blau = stationär, grau = Gehäuse

Durch das aerostatische Lift-off-Design heben der rotierende Gleitring und der stationäre Gegenring voneinander ab, sobald die CobaSeal unter Druck steht. Damit ist ein verschleißfreier Betrieb möglich. Der steife Gasfilm zwischen Gleit- und Gegenring verhindert das Risiko von gegenseitiger Berührung, auch während irregulären Betriebszuständen wie axialen Vibrationen oder Mikrobewegungen der Kompressorwelle.

Die CobaSeal funktioniert uneingeschränkt auch im Betrieb bei geringen Drehzahlen (Slow-roll), beim Umschalten des Getriebes (Turning gear) oder beim Auslaufenlassen (Coast down), also bei Zuständen, wie sie beim Betrieb großer Gasnetze vorkommen. Das Dichtungsdesign ermöglicht Drücke von bis zu 10 bar (145 PSI) in der Lüftungsleitung und verfügt über eine Druckdifferenzregelung, die einen Totalausfall der Tandemdichtung verhindert. Außerdem wird das Risiko einer Prozessgasleckage in Richtung Lager eliminiert.

Das neue Design wurde intensiven Prüfstandstests unterzogen, einschließlich der Simulation von Ausnahmezuständen und dem Betrieb bis an die maximalen Auslegungswerte. Zunächst wurden die Tests gemäß der Spezifikationen von EagleBurgmann gefahren, anschließend wurden Abnahmetests für die speziellen Anforderungen von National Grid, auch im Beisein von deren Mitarbeitern, durchgeführt.

„Alle Tests wurden problemlos gemeistert, darunter auch die Simulation eines kompletten Ausfalls der DGS in Verbindung mit der druckgeregelten Versorgung der koaxialen Lageröldichtung“, so Werdecker. „Nach sämtlichen Testzyklen sahen Gleit- und Gegenring der koaxialen Dichtung absolut neuwertig aus. Es gab keinerlei Anlaufspuren. Dies zeigte deutlich, dass der für einen sicheren Dauerbetrieb unerlässliche berührungsfreie Lauf zu jeder Zeit gewährleistet war."

Abb: Kompressor im Betrieb in der Nether Kellet-Kompressorstation

Seit im August 2011 eine CobaSeal in einem Kompressor mit einem Wellendurchmesser von 102 mm installiert wurde, hat sich die Dichtung bestens bewährt: „Die Anlage wurde verschiedensten Betriebszuständen ausgesetzt, darunter Spitzenlast-Testläufen, normalen Start- und Stoppvorgängen, dem laufenden Normalbetrieb und natürlich auch dem Hochfahren. Wir können bereits über 1.300 Betriebsstunden verzeichnen“, erläutert Huub de Brujin von Siemens Energy. „Vom betrieblichen Standpunkt aus hat die koaxiale Lageröldichtung genau das erreicht, was National Grid damit erreichen wollte: insbesondere die Verfügbarkeit des Kompressors wurde erhöht und die Wartungsintervalle wurden verlängert. Seit der Installation lagen die ungeplanten Stillstandzeiten des Kompressors quasi bei null.“

National Grid kommt zu einer ähnlichen Einschätzung: „Insgesamt erwies sich der Einsatz der CobaSeal jetzt schon als Erfolg. Wir haben viele Start-Stopp-Zyklen durchgeführt, darunter auch Notabschaltungen, und selbst die härtesten Tests stellten kein Problem dar: Bei einem Leistungstest des Kompressors wurde sogar die Spitzenlastgrenze der Anlage erreicht. Seit der Installation hatten wir nicht ein einziges Problem“, berichtet Mike Marcinko, der verantwortliche Anlageningenieur von National Grid. Der Stickstoffverbrauch entspricht nicht einmal der Hälfte des Verbrauchs einer Kohleringdichtung. Dies deckt sich auch mit den vorangegangenen Ergebnissen auf dem Prüfstand. Außerdem wurden in der sekundären Entlüftungsleitung des Kompressors keinerlei Ölspuren gefunden. All dies deutet darauf hin, dass National Grid einen verschleißfreien Betrieb der Dichtung mit erweiterten Wartungsintervallen von 10 Jahren erwarten darf.

Die CobaSeal von EagleBurgmann kann an alle gängigen Dichtungseinbauräume angepasst werden. Sie wurde von Siemens Energy für den Einsatz in ihren Kompressoren zertifiziert. Mittlerweile haben auch weitere namhafte Kompressorenhersteller weltweit die CobaSeal für unterschiedliche Einsatzbereiche in der Öl- und Gasindustrie zertifiziert und erfolgreich eingesetzt (kontaktieren Sie uns für nähere Informationen).