Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn gioăng – Lắp đặt gioăng cơ khí kép áp suất cao

Bố trí 3 vòng đệm cơ khí làniêm phong képTrong đó, khoang chứa chất lỏng ngăn cách giữa các vòng đệm được duy trì ở áp suất cao hơn áp suất trong buồng đệm. Theo thời gian, ngành công nghiệp đã phát triển một số chiến lược để tạo ra môi trường áp suất cao cần thiết cho các vòng đệm này. Những chiến lược này được thể hiện trong sơ đồ đường ống của vòng đệm cơ khí. Mặc dù nhiều sơ đồ này phục vụ các chức năng tương tự, nhưng đặc điểm hoạt động của mỗi sơ đồ có thể rất khác nhau và sẽ ảnh hưởng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống làm kín.

Sơ đồ đường ống 53B, theo định nghĩa của API 682, là một sơ đồ đường ống sử dụng bình tích áp màng chứa khí nitơ để tạo áp suất cho chất lỏng ngăn cách. Màng chứa khí nitơ tác động trực tiếp lên chất lỏng ngăn cách, tạo áp suất cho toàn bộ hệ thống làm kín. Màng này ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp giữa khí tạo áp suất và chất lỏng ngăn cách, loại bỏ sự hấp thụ khí vào chất lỏng. Điều này cho phép sơ đồ đường ống 53B được sử dụng trong các ứng dụng áp suất cao hơn so với sơ đồ đường ống 53A. Tính chất khép kín của bình tích áp cũng loại bỏ nhu cầu cung cấp khí nitơ liên tục, làm cho hệ thống này lý tưởng cho các lắp đặt ở vị trí xa.

Tuy nhiên, những lợi ích của bình tích áp dạng màng ngăn lại bị hạn chế bởi một số đặc điểm vận hành của hệ thống. Áp suất của hệ thống đường ống theo sơ đồ 53B được xác định trực tiếp bởi áp suất của khí trong màng ngăn. Áp suất này có thể thay đổi đáng kể do nhiều yếu tố khác nhau.

Trước khi thêm chất lỏng ngăn cách vào hệ thống, màng ngăn trong bình tích áp phải được nạp trước. Điều này tạo cơ sở cho tất cả các tính toán và diễn giải về hoạt động của hệ thống trong tương lai. Áp suất nạp trước thực tế phụ thuộc vào áp suất hoạt động của hệ thống và thể tích an toàn của chất lỏng ngăn cách trong bình tích áp. Áp suất nạp trước cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của khí trong màng ngăn. Lưu ý: áp suất nạp trước chỉ được thiết lập khi vận hành thử hệ thống ban đầu và sẽ không được điều chỉnh trong quá trình vận hành thực tế.

Áp suất của khí trong bình chứa sẽ thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ của khí. Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt độ của khí sẽ tương quan với nhiệt độ môi trường tại vị trí lắp đặt. Các ứng dụng tại những khu vực có sự thay đổi nhiệt độ lớn theo ngày và theo mùa sẽ gặp phải sự dao động lớn về áp suất trong hệ thống.

Lượng tiêu thụ dung dịch rào cảnTrong quá trình hoạt động, các gioăng cơ khí sẽ tiêu thụ chất lỏng chắn do rò rỉ thông thường. Chất lỏng chắn này được bổ sung bởi chất lỏng trong bình tích áp, dẫn đến sự giãn nở của khí trong màng ngăn và giảm áp suất hệ thống. Những thay đổi này phụ thuộc vào kích thước bình tích áp, tốc độ rò rỉ của gioăng và khoảng thời gian bảo trì mong muốn cho hệ thống (ví dụ: 28 ngày).

Sự thay đổi áp suất hệ thống là cách chính mà người dùng cuối theo dõi hiệu suất của gioăng. Áp suất cũng được sử dụng để tạo ra các cảnh báo bảo trì và phát hiện lỗi gioăng. Tuy nhiên, áp suất sẽ liên tục thay đổi trong khi hệ thống đang hoạt động. Người dùng nên thiết lập áp suất trong hệ thống Plan 53B như thế nào? Khi nào cần thêm chất lỏng chắn? Cần thêm bao nhiêu chất lỏng?

Bộ tính toán kỹ thuật đầu tiên được công bố rộng rãi cho hệ thống theo sơ đồ 53B xuất hiện trong tiêu chuẩn API 682 phiên bản thứ tư. Phụ lục F cung cấp hướng dẫn từng bước về cách xác định áp suất và thể tích cho sơ đồ đường ống này. Một trong những yêu cầu hữu ích nhất của API 682 là việc tạo ra một bảng tên tiêu chuẩn cho các bình tích áp dạng màng (API 682 phiên bản thứ tư, Bảng 10). Bảng tên này chứa một bảng ghi lại áp suất nạp trước, áp suất nạp lại và áp suất cảnh báo của hệ thống trong phạm vi điều kiện nhiệt độ môi trường tại vị trí ứng dụng. Lưu ý: bảng trong tiêu chuẩn chỉ là một ví dụ và các giá trị thực tế sẽ thay đổi đáng kể khi áp dụng cho một ứng dụng cụ thể tại hiện trường.

Một trong những giả định cơ bản của Hình 2 là hệ thống đường ống 53B dự kiến ​​sẽ hoạt động liên tục mà không thay đổi áp suất nạp ban đầu. Ngoài ra, còn có giả định rằng hệ thống có thể phải chịu tác động của toàn bộ dải nhiệt độ môi trường xung quanh trong một khoảng thời gian ngắn. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế hệ thống và đòi hỏi hệ thống phải hoạt động ở áp suất cao hơn so với các hệ thống đường ống có gioăng kép khác.

Dựa vào Hình 2, ứng dụng ví dụ được lắp đặt tại vị trí có nhiệt độ môi trường nằm trong khoảng từ -17°C (1°F) đến 70°C (158°F). Giới hạn trên của phạm vi này có vẻ cao một cách phi thực tế, nhưng nó cũng bao gồm cả ảnh hưởng của sự gia nhiệt do ánh nắng mặt trời tác động lên bình tích điện khi tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời. Các hàng trong bảng thể hiện khoảng nhiệt độ giữa giá trị cao nhất và thấp nhất.

Khi người dùng cuối vận hành hệ thống, họ sẽ thêm áp suất chất lỏng ngăn cách cho đến khi đạt áp suất nạp lại ở nhiệt độ môi trường hiện tại. Áp suất báo động là áp suất cho biết người dùng cuối cần thêm chất lỏng ngăn cách. Ở 25°C (77°F), người vận hành sẽ nạp trước bình tích áp đến 30,3 bar (440 PSIG), áp suất báo động sẽ được đặt ở mức 30,7 bar (445 PSIG), và người vận hành sẽ thêm chất lỏng ngăn cách cho đến khi áp suất đạt 37,9 bar (550 PSIG). Nếu nhiệt độ môi trường giảm xuống 0°C (32°F), thì áp suất báo động sẽ giảm xuống 28,1 bar (408 PSIG) và áp suất nạp lại là 34,7 bar (504 PSIG).

Trong trường hợp này, cả áp suất báo động và áp suất nạp lại đều thay đổi, hay dao động, theo nhiệt độ môi trường xung quanh. Phương pháp này thường được gọi là chiến lược dao động kép. Cả áp suất báo động và áp suất nạp lại đều “dao động”. Điều này dẫn đến áp suất hoạt động thấp nhất cho hệ thống làm kín. Tuy nhiên, điều này đặt ra hai yêu cầu cụ thể đối với người sử dụng cuối cùng; đó là xác định áp suất báo động và áp suất nạp lại chính xác. Áp suất báo động của hệ thống là một hàm của nhiệt độ và mối quan hệ này phải được lập trình vào hệ thống DCS của người sử dụng cuối cùng. Áp suất nạp lại cũng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, vì vậy người vận hành cần tham khảo bảng thông số kỹ thuật để tìm áp suất chính xác cho các điều kiện hiện tại.

Một số người dùng cuối yêu cầu phương pháp đơn giản hơn và mong muốn một chiến lược trong đó cả áp suất báo động và áp suất nạp lại đều không đổi (hoặc cố định) và không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Chiến lược cố định-cố định cung cấp cho người dùng cuối chỉ một áp suất để nạp lại hệ thống và một giá trị duy nhất để báo động hệ thống. Tuy nhiên, điều kiện này phải giả định rằng nhiệt độ ở giá trị tối đa, vì các phép tính bù trừ cho việc nhiệt độ môi trường giảm từ nhiệt độ tối đa xuống nhiệt độ tối thiểu. Điều này dẫn đến hệ thống hoạt động ở áp suất cao hơn. Trong một số ứng dụng, việc sử dụng chiến lược cố định-cố định có thể dẫn đến những thay đổi trong thiết kế gioăng hoặc định mức MAWP của các thành phần hệ thống khác để xử lý áp suất cao hơn.

Các người dùng cuối khác sẽ áp dụng phương pháp kết hợp giữa áp suất báo động cố định và áp suất nạp lại linh hoạt. Điều này có thể giảm áp suất vận hành đồng thời đơn giản hóa cài đặt báo động. Quyết định về chiến lược báo động phù hợp chỉ nên được đưa ra sau khi xem xét điều kiện ứng dụng, phạm vi nhiệt độ môi trường và yêu cầu của người dùng cuối.

Có một số điều chỉnh trong thiết kế của Sơ đồ đường ống 53B có thể giúp giảm thiểu một số thách thức này. Nhiệt lượng tỏa ra từ bức xạ mặt trời có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ tối đa của bình tích áp trong các tính toán thiết kế. Việc đặt bình tích áp trong bóng râm hoặc xây dựng tấm chắn nắng cho bình tích áp có thể loại bỏ sự gia nhiệt do mặt trời và giảm nhiệt độ tối đa trong các tính toán.

Trong các mô tả ở trên, thuật ngữ nhiệt độ môi trường được sử dụng để biểu thị nhiệt độ của khí trong bình chứa. Trong điều kiện nhiệt độ môi trường ổn định hoặc thay đổi chậm, đây là một giả định hợp lý. Nếu có sự dao động lớn về nhiệt độ môi trường giữa ngày và đêm, việc cách nhiệt cho bình tích áp có thể làm giảm sự dao động nhiệt độ hiệu quả của bình chứa, dẫn đến nhiệt độ hoạt động ổn định hơn.

Phương pháp này có thể được mở rộng bằng cách sử dụng hệ thống gia nhiệt đường ống và cách nhiệt cho bình tích áp. Khi được áp dụng đúng cách, bình tích áp sẽ hoạt động ở một nhiệt độ ổn định bất kể sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh hàng ngày hoặc theo mùa. Đây có lẽ là lựa chọn thiết kế quan trọng nhất cần xem xét ở những khu vực có sự biến đổi nhiệt độ lớn. Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong thực tế và cho phép sử dụng hệ thống Plan 53B ở những địa điểm mà trước đây không thể sử dụng hệ thống gia nhiệt đường ống.

Người dùng cuối đang cân nhắc sử dụng Sơ đồ đường ống 53B cần lưu ý rằng sơ đồ đường ống này không chỉ đơn giản là Sơ đồ đường ống 53A có thêm bình tích áp. Hầu như mọi khía cạnh của thiết kế hệ thống, vận hành thử, vận hành và bảo trì của Sơ đồ 53B đều độc đáo đối với sơ đồ đường ống này. Hầu hết các khó khăn mà người dùng cuối gặp phải đều xuất phát từ việc thiếu hiểu biết về hệ thống. Các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) có thể lập phân tích chi tiết hơn cho một ứng dụng cụ thể và cung cấp kiến ​​thức nền cần thiết để giúp người dùng cuối lựa chọn và vận hành hệ thống này một cách chính xác.