Hochdruckdichtung PDGS für Tupi 4

Gleitringdichtung zur Abdichtung von Kompressoren in der Gas-Reinjektion

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Situation

GE-Kompressoren im Einsatz in der Gas-Reinjektion auf der Tupi 4-Plattform im Lula Ölfeld vor der brasilianischen Küste

Herausforderung

Extreme mechanische Belastung der Kompressordichtung durch Prozessdrücke von bis zu 428 bar (6.206 PSI)

Lösung

EagleBurgmann PDGS Tandemdichtung mit Zwischenlabyrinth

Die Tupi 4 FPSO (Floating Production Storage and Offloading) ist im 2006 entdeckten Lula-Ölfeld stationiert, das sich im Atlantik südöstlich von Rio de Janeiro befindet. Unter einer Schicht aus Gestein und Salz, dem "Pre-Salt", lagert das gleichnamige Öl und Gas. Die Tiefe des Ozeans beträgt hier im Schnitt 2.000 Meter, die öl- und gasführenden Schichten, mit geschätzten Vorkommen von 5-8 Milliarden Barrel, befinden sich noch einmal 4.000-5.000 Meter tiefer. Die umfassende Erschließung von Lula erfolgt unter Einsatz von FPSO-Schiffen wie Tupi 4.

Mit zunehmender Bohrtiefe im Ozeanboden wächst die Anforderung der Anlagenbetreiber nach höheren Prozessdrücken um einen stetigen Ölstrom sicherzustellen und damit auch die immensen Investitionen und Kosten zu rechtfertigen. Somit zählt bei der Gas-Reinjektion jedes Bar an zusätzlichem Druck.

Hier setzt EagleBurgmann - einer der global führenden Hersteller industrieller Dichtungstechnik - einen neuen Standard für DGS (Dry Gas Seals) im Einsatz in der Ultra-Hochdruck-Gasreinjektion. Die in GE-Kompressoren installierten EagleBurgmann Gleitringdichtungen sind für den höchsten statischen Druck ausgelegt, der jemals für die Gas-Reinjektion zertifiziert wurde.

Der Auslegungsdruck von 428 bar(g) (6.206 PSI(g)) stellt nicht etwa einen einmalig auf dem Prüfstand erzielten Spitzenwert dar: Es handelt sich dabei um den tatsächlichen Betriebspunkt der eingesetzten Kompressoren. Der Druck wird sowohl beim Anfahren und Abfahren des Systems und immer dann erreicht, wenn ein Ausgleich zwischen Einlass- und Auslassdruck zum Stillstandsdruck stattfindet. Diese 428 bar(g) (6.206 PSI(g)) übertreffen die Druckeinsatzgrenzen aller Dichtungen, wie sie bisher in Höchstdruck-Reinjektionssystemen weltweit eingesetzt werden, um mehrere Bar.

Erdgas oder überkritisches Kohlendioxid (CO2) lösen als die günstigere Alternative Wasser als Injektionsmedium immer mehr ab. Auf der Tupi-Ölförderplattform stellt das Gas ein in ausreichenden Mengen anfallendes, nicht verwertbares Nebenprodukt dar, das zudem noch Kosten in ökologischer Hinsicht verursacht, da es nicht einfach in die Atmosphäre abgeblasen werden kann. Durch die Reinjektion des CO2 lässt es sich im Seeboden halten.

Die im Tupi-4-Projekt vereinten Betreiber mit dem staatlichen brasilianischen Ölunternehmen an der Spitze, benötigen den höchstmöglichen Prozessdruck, dem Kompressoren und Gleitringdichtungen innerhalb der Grenzen eines sicheren und zuverlässigen Betriebs standzuhalten vermögen, um eine wirksame Vermischungszone zur Heranführung des Rohöls an die Förderbohrung zu schaffen.

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Abb.: Gas-Injektions-Kompressor bei Tupi 4 FPSO

Die für die auf Tupi 4 eingesetzten vertikal geteilten Kompressoren des Typs GE Oil & Gas BCL306/D entwickelten Dichtungen setzen neue Maßstäbe in der Gas-Reinjektion: Sie sind für eine maximale Drehzahl von 13.844 min-1 ausgelegt. Durch die hohe Druckeinsatzgrenze von 428 bar(g) (6.206 PSI(g)) steigt das Niveau des Drucks, auf dem der Kompressor im Falle einer Abschaltung gehalten werden kann. Durch den Entfall einer Druckentlastung wird nicht nur Prozessgas, sondern auch Zeit gespart, die üblicherweise für aufwändige Abfahr- und Druckbeaufschlagungsprozesse erforderlich ist.

Wie schon früher in den Ölfeldern des Kaspischen Meeres bewährt, setzte EagleBurgmann auch bei Tupi eine Tandem-DGS mit Zwischenlabyrinth ein. Die aus einer Primär- und einer Sekundärdichtung aufgebauten DGS-Designs sind in Ölproduktion und  Pipelineanwendungen weit verbreitet. Sie stellen das beste technische Konzept für ultrahohe Prozessdrücke in der Gas-Reinjektion dar.

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Abb. 1: EagleBurgmann PDGS Kompressorendichtung (Querschnitt)
Abb. 2: Querschnitt einer Tupi-4-Kompressorendichtung

Die Tupi-4-Dichtung vereint alle technischen Aspekte, die für den optimalen Kompromiss zwischen Minimierung von Leckage und dem Drehmoment beim Hochfahren erforderlich sind. Drei Punkte sind dabei hervorzuheben:

Funktioneller Spalt der Dichtungselemente

Der funktionelle Spalt einer Tandem-DGS ist der Spalt zwischen der Ausgleichshülse und dem Stützring der dynamischen Nebendichtung. Damit das Material der Nebendichtung nicht extrudiert, ist der funktionelle Spalt so eng wie möglich zu halten. Dabei muss unter allen Betriebsbedingungen freie Beweglichkeit gewährleistet sein. Der Spalt darf daher nur wenige hundertstel Millimeter breit gestaltet sein. Fertigungstechnisch stellt dies eine nicht geringe Herausforderung dar, da die Schwankung der Spalthöhe von Temperatur und Druck beeinflusst wird und minimiert werden muss. Um dies zu erreichen, wurden bei EagleBurgmann bereits im Vorfeld intensive FE-Berechnungen durchgeführt.

Stabilität bei hohen Kräften

Bei extrem hohen Drücken wirken in radialer und axialer Richtung immense pneumatische Kräfte auf die Dichtung. Damit auch unter hohen Lasten ein Höchstmaß an Stabilität der Dichtung gewährleistet ist, müssen die Querschnitte der Metallhülsen in der Dichtungscartridge größer ausgelegt sein als bei Niederdrucksystemen, wo eine Einzelhülse auf der Wellenhülse sitzt. Für eine Höchstdruck-DGS würde diese Lösung mit den vergleichsweise geringen Querschnitten zur Aufnahme der hohen Axiallasten nicht ausreichen. Daher sind die Wellenhülsen geteilt konstruiert.

Werkstoffauswahl für Ultrahochdruck

Unter Höchstdruckbedingungen treten extreme mechanische Belastungen auf - etwa durch das enorme Drehmoment beim Anfahren, wenn die Dichtflächen sich noch in Kontakt befinden. Hier kommt der richtigen Auswahl der Werkstoffe und den mechanischen Eigenschaften der Gleit- und Gegenringe besondere Bedeutung zu.

Die langjährigen positiven Erfahrungen von EagleBurgmann mit der Hart-Hart-Gleitwerkstoffkombination war der Schlüssel, das Optimum von minimierter Leckage und großem Drehmoment beim Hochfahren des Kompressors zu erreichen.

Eingesetzt wurde ein speziell gesintertes Siliziumkarbid, das einerseits maximale Festigkeit der Gleitringe sicherstellt und andererseits eine optimale Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei Volllast entsteht infolge der Scherwirkung des hochdichten Gases vor allem im Dichtspalt Wärme in einer Größenordnung von 25 kW. Die Konstruktion der Dichtung und die Werkstoffwahl stellen sicher, dass diese erhebliche Wärmemenge in das Medium und die umgebenden Metallteile abgeleitet wird.

Infolge der Erschließung neuer Felder in Oman, im Kaspischen Meer und vor der Küste Brasiliens haben seit 2000 beträchtliche Fortschritte in der Reinjektionstechnologie stattgefunden. Dies hat EagleBurgmann dazu veranlasst, Höchstdruckvarianten der bewährten und in der Erdölindustrie weltweit eingesetzten Kompressorendichtung des Typs DGS zu entwickeln.

Durch Optimierungen der bestehenden DGS-Konstruktion gelang es, den DGS-Auslegungsdruck nach und nach zu steigern, ohne dafür Einbußen bei Betriebszuverlässigkeit und Integrität in Kauf nehmen zu müssen.

Besondere Anforderungen stellte der Gehalt von Sauergas (ein natürliches Gas mit einem hohen Gehalt Anteil an stark ätzendem Schwefelwasserstoff) des Rohöls der Ölfelder im Kaspischen Meer. Die Felder Tengiz und Kashagan weisen einen H2S-Gehalt von 23 % bzw. 17 % auf. Dem galt es sowohl bei der Konstruktion als auch bei der Werkstoffwahl Rechnung zu tragen. 2005 führte EagleBurgmann auf Einladung von GE Oil & Gas Arbeiten zur Entwicklung einer neuen Höchstdruck-DGS für Gas-Reinjektion durch. Hieraus ging eine Dichtung mit einem statischen Auslegungsdruck von 425 bar (6.163 PSI) und einer maximalen Drehzahl von 12.373 min-1 für die Projekte im Kaspischen Meer hervor – rekordverdächtige Werte, die mit der Tupi-4-Dichtung noch einmal übertroffen wurden.

Jede Hochleistungsdichtungskonstruktion muss also mehrere Zielsetzungen miteinander in Einklang bringen, um das bestmögliche Gesamtresultat zu erzielen. Im Falle der Tupi-4-Dichtung haben umfangreiche Tests, die im F&E-Zentrum von EagleBurgmann, als auch bei GE durchgeführt wurden gezeigt, dass die Dichtung sowohl beim An- und Abfahren der Anlage, als auch im Dauerbetrieb höchst zuverlässig arbeitet und eine hohe Verfügbarkeit der Kompressoren trotz ultrahohem Druck bei minimaler Leckage gewährleistet.

Das Entwicklungspotential ist jedoch noch nicht ausgeschöpft: Die bei EagleBurgmann laufenden Entwicklungen konzentrieren sich auf weiter gesteigerte Druckeinsatzgrenzen bis hin zu 550 bar (7.975 PSI) – bei gleichzeitiger Sicherstellung  eines Höchstmaßes an Sicherheit und Zuverlässigkeit.

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PDGS für Tupi 4 FPSO

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