Evaluierung von Kohlenstoffringalternativen

Betreiber sollten die Vor- und Nachteile jeder Option untersuchen, um die beste Eignung für ihre Anwendungen zu ermitteln.

Von Peter Zanini

Betreiber von Allzweck-Dampfturbinen weisen seit langem auf die Unzulänglichkeiten herkömmlicher Kohlenstoffringdichtungen hin. Ein Nachteil ist der Verschleiß an der Innenbohrung des Rings, der das Wellenspiel und die Dampfleckage allmählich vergrößert und zu einem regelmäßigen Austausch – oft bis zu viermal pro Jahr – führt. Trotz ihrer Nachteile sind Kohlenstoffringe nach wie vor der Standard in der universellen Dampfturbinenabdichtung. Da Kohlenstoffringe einfach zu installieren sind und die Ersatzkosten für einen kompletten Satz weniger als 1.000 USD betragen, mögen die Kosten für die Aufrechterhaltung der Abdichtung mit Kohlenstoffringen bescheiden erscheinen.

Es gibt jedoch weitere Kosten, die mit dem Verschleiß und dem potenziellen Bruch von Kohlenstoffringen verbunden sind, darunter höhere Wasserkosten aufgrund von Dampfverlust und verminderte Lagerleistung aufgrund von Ölverschmutzung und höheren Betriebstemperaturen.

Für Betreiber, die Dampfleckagen reduzieren und die Zuverlässigkeit ihrer Anlagen erhöhen möchten, sind zwei primäre Alternativen zu Kohlenstoffringen auf dem Markt erhältlich: Gleitringdichtungen und die schwimmende Bürstendichtung.

Gleitringdichtungen

Die in Allzweck-Dampfturbinen verwendeten Gleitringdichtungen sind ein Derivat der Trockengasdichtungen. Eine Spiralnut mit einzigartigem Profil auf einer der Dichtungsflächen saugt Dampf an, der einen Druckdamm erzeugt, der die rotierenden und stationären Dichtungsflächen wiederum leicht auseinander drückt und so eine berührungslose, filmgeführte Dichtungsfläche bildet. Die resultierende Leckage ist extrem gering und wird in Teilen pro Million gemessen.

Mit einer Konstruktion, die sich deutlich von herkömmlichen Kohlenstoffringen unterscheidet, erfordert die Gleitringdichtung größere Änderungen an der bestehenden Stopfbuchsenkonfiguration einer Turbine. Bei Dampfturbinen, bei denen die Dampfkammer und die Stopfbuchsen Einzelkomponenten sind, kann die Gleitringdichtung an beiden Enden der Dampfkammer anstelle der Kohlenstoffring-Stopfbuchsen angeschraubt werden. Bei Turbinen, bei denen die Dampfkammer und die Stopfbuchsen aus einem Stück bestehen, ist ein größerer Bearbeitungsaufwand erforderlich, um die Gleitringdichtungen einzubauen.

Zusätzlich zu Modifikationen an der Stopfbuchse kann eine Modifikation an der Turbinenwelle erforderlich sein, um die rotierende Baugruppe der Dichtung zu sichern. Die endgültige Einstellung der Gleitringdichtung erfordert eine sorgfältige Ausrichtung mit dem Rotor und dem Gehäuse, um eine einwandfreie Abdichtung zwischen den rotierenden und stationären Dichtungsflächen zu gewährleisten.

Die Hardwarekosten für einen Satz Gleitringdichtung zum Austausch von Einlass- und Auslass-Stopfbuchsen können zwischen 20.000 USD und 30.000 USD liegen. In Bezug auf Hardware-, Installations- und Ausfallkosten kann ein Upgrade der Gleitrigdichtung leicht mehr als die Hälfte des Preises einer neuen Turbine kosten.

Die Lebensdauer einer Gleitringdichtung hängt direkt von der Dampfqualität ab. Gleitringdichtungen funktionieren am besten in Trockendampfumgebungen unter einem kontinuierlichen Arbeitszyklus, um die Kondensatbildung zu verringern. Doch selbst in einer solchen Umgebung kristallisieren sich mit der Zeit Dampfverunreinigungen am Druckdamm heraus, was die Abtrennung der Stirnflächen und die Leckage erhöht.

Intermittierende Arbeitszyklen können die Kondensatbildung in den Dampfleitungen, der Dampfkammer und den Stopfbuchsen fördern, während die Turbine stillsteht.

Obwohl die Betreiber vor der Inbetriebnahme Kondensat aus dem System ausblasen können, kann Restkondensat für die Gleitringdichtung problematisch sein. Bei der Kondensatentspannung zu Dampf, die am besten als kleine Explosion beschrieben werden kann, können die Dichtungsflächen stark beschädigt werden.

Schwimmende Bürstendichtungen

Der zweite Kandidat für den Ersatz von Kohlenstoffringen ist die schwimmende Bürstendichtung (FBS). Die FBS kombiniert eine Kohlenstoffdichtung mit der Bürstendichtungstechnologie, die in einem leichten Edelstahlband eingeschlossen ist. Diese Technologie ist so konstruiert, dass sie der Kondensatentspannung widersteht und gleichzeitig eine geringere, stabilere Leckrate bietet.

Als schwebende Dichtung ist die FBS tendenziell toleranter gegenüber Vibrationen, Lagerausfällen und radialen Bewegungen als andere Optionen. Die Bürstendichtung fungiert als primäre Wellendichtung und ist dem Hochdruckdampf zugewandt. Sie sorgt für eine sofortige Druckreduzierung, während die Borsten Dampfverunreinigungen herausfiltern und die nachgelagerten Kohlenstoffringe schützen. Der Kohlenstoffring der FBS sorgt für eine stirnseitige Abdichtung gegen die nachgelagerte Stopfbuchsenwand oder Trennplatte.

Da die FBS in den gleichen Raum wie ein Kohlenstoffring passt, kann sie als Drop-in-Ersatz verwendet werden. Die Dichtung hat eine geteilte Ausführung, wobei die beiden Segmente durch eine Zugfeder zusammengehalten werden. Durch die selbstzentrierende Montage kann bei einigen Anwendungen das aufwändige Ausrichtungsverfahren eliminiert werden.

Betreiber, die im Auswechseln von Kohlenstoffringen geschult sind, können einen Kohlenstoffring durch eine FBS ersetzen, die nur zwei Segmente gegenüber den drei Segmenten des Kohlenstoffrings hat.

Die FBS kann für viele Betreiber eine kostengünstigere Option sein, da das komplette Dampfturbinen-Upgrade auf FBS-Technologie nicht mehr als die Hälfte und vielleicht sogar nur ein Viertel der Kosten für Gleitringdichtungs-Hardware und Installation ausmacht.

Eine Anlage muss beurteilen, welcher Kandidat für den Austausch von Kohlenstoffringen alle erforderlichen Kriterien erfüllt, wie die Eignung für die Betriebsbedingungen, einschließlich Dampfqualität und Arbeitszyklus; ausreichende Reduzierung der Dampfverluste; verbesserte Zuverlässigkeit und niedrige Investitions- und Wartungskosten.

Über den Autor:

Peter Zanini ist der Business Development und Product Line Director for Brush Seals von Inpro/Seal und seinem Mutterunternehmen, der Waukesha Bearings Corporation. Er hat einen Bachelor of Science-Abschluss in Maschinenbau vom Worcester Polytechnik Institute. Zanini kann unter 860-673-4096 oder pzanini@waukbearing.com erreicht werden.