Controllo delle emissioni nei compressori di gas

I fenomeni di estremizzazione climatica che recentemente hanno investito anche il nostro paese e la crescente consapevolezza

riguardo agli effetti dei modelli di sviluppo sul complesso della salute umana, spingono ad una seria riflessione rispetto alle scelte

pratiche quotidiane ed alle effettive possibilità di incidere positivamente sul problema, possibilità che coinvolgono sicuramente le attività di:

progettazione

•  esercizio
• manutenzione
• ammodernamento

di macchine ed impianti di processo.

Impatto ambientale

Tra gli agenti che concorrono in modo più significativo a determinare sia la qualità specifica della troposfera (la contaminazione dell'aria, dell'acqua, del cibo) sia l'integrità degli strati atmosferici che conservano l'equilibrio energetico al suo interno (come l'ozono con la sua funzione di controllo della temperatura dei mari e dell'aria) troviamo i composti organici volatili (in gergo tecnico internazionale la sigla è VOC), sostanze chimiche di varia complessità basate sul carbonio e di origine sia biogenica (cioè naturale) sia antropogenica (cioè derivante dalle attività umane).

Della categoria dei VOC, uno dei più diffusi è il metano, che - insieme agli altri idrocarburi - costituisce sia una delle principali fonti per la generazione di energia (trasporti, potenza elettrica?) sia la base per la produzione di polimeri.

La compressione dei gas

L'industria di processo tratta ogni giorno questi idrocarburi per gli scopi sopra riassunti, veicolandoli negli impianti attraverso vari sistemi di compressione. I moderni sistemi di tenuta hanno livelli di efficienza maggiori di quelli precedenti, ma ogni operatore o manutentore sa bene quanto la combinazione tra la qualità intrinseca delle macchine e l'efficienza del loro impiego siano fattori tra loro interconnessi.

Dunque, qualità della selezione componenti e accuratezza d'impiego e manutenzione. Ma come tradurre questi elementi in condotte e pratiche operative?

Ad esempio, i compressori alternativi (a pistoni) di gas naturale (costituito per la gran parte da metano), presenti sia nelle stazioni di produzione, sia negli impianti di processo, sia nelle stazioni di distribuzione del gas per autotrazione, presentano tenute sull'asta di tipo ad anelli multipli, racchiusi in scatole (detti pacchi tenute o premistoppa) che permettono lo scorrimento dell'asta pistone ma impediscono al gas contenuto nel cilindro di fuoriuscire.

Le fughe di idrocarburi dalle camere di compressione sono fenomeni tanto diffusi quanto dannosi, perché:

• diminuiscono il rendimento delle macchine (maggiore energia da immettere, maggiori costi, maggiori emissioni all'atmosfera per la sua generazione);
• generano la perdita di prodotto (che non verrà venduto);
• aumentano le emissioni di VOCs all'atmosfera.

Gas di fuga e manutenzione

Uno studio dell'Agenzia di Protezione Ambientale statunitense (EPA) fornisce dei dati quantitativi circa i volumi di fuga dai pacchi tenute per i compressori di gas naturale installati negli USA; questi sono valutati in più di 50.000 unità complessive, mediamente dotati di 4 cilindri (e quindi pacchi tenute) ciascuno, che portano il numero dei sistemi di tenuta installati a circa 200.000 unità.

I volumi di fuga dipendono da: pressione interna al cilindro; corretta installazione;

allineamento asta/anelli; stato di usura degli anelli.

Questi ultimi, infatti, si consumano durante il normale funzionamento e periodicamente vengono sostituiti.

Lo studio (www.epa.gov - Natural Gas STAR Programme - "Lessons Learned: Reducing Methane Emissions From Compressor Rod Packing Systems") riporta che le fughe di un premistoppa nuovo possono arrivare a 0,3 mc/h mentre quelle di uno usurato possono raggiungere i 25 mc/h; in breve, secondo il calcolo fatto dall'EPA sulle sole macchine statunitensi, vanno perduti oltre 2 miliardi di mc all'anno e solo in rari casi queste perdite vengono recuperate e ricompresse, mentre nella maggior parte di essi rilasciate all'atmosfera.

Di norma, gli anelli vengono sostituiti con cadenza programmata, per prevenire la marcia con tenute eccessivamente usurate.

Tuttavia, gli intervalli di sostituzione rappresentano una media statistica fornita dal costruttore (della macchina o del pacco tenute) che non può tenere in considerazione le specificità dell'impianto come le caratteristiche del gas (stabilità, acidità, contaminazione), l'integrità dei sistemi di lubrificazione, le condotte operative e/o manutentive, guasti o anomalie di funzionamento che possono alterare le caratteristiche degli anelli stessi o l'allineamento asta/anelli.

Come conseguenza, non di rado si assiste a situazioni di marcia prolungata con tenute usurate (e conseguenti alte portate di fuga) ma anche a sostituzioni premature di anelli con ancora significativi margini di usura residua (vale a dire costi aggiuntivi).

Controllo continuo fughe e manutenzione predittiva

La chiave per ovviare a tutto ciò è il "condition monitoring". Disporre di informazioni aggiornate in tempo reale sullo stato effettivo dei componenti (in questo caso delle tenute asta) permette di pianificare gli interventi manutentivi specifici con un aumento netto dell'efficienza di sistema, ottenendo: sostituzione dei componenti solo quando effettivamente usurati (e non prima) incremento del rendimento macchine evitando marce con tenute usurate e le relative perdite di prodotto limitazione di eventuali rilasci di VOCs all'atmosfera.

Per tenere sotto controllo le fughe delle tenute, esistono diversi sistemi che possono essere molto semplici sia come installazione che come impiego. Essi forniscono dati per tracciare i trend di usura, calcolare la durata residua dei componenti e segnalare eventuali rotture incipienti.

Inoltre, quando le analisi dei dati sono condotte da esperti preparati, possono venire identificate anomalie dei trend, causate dal deteriorarsi di componenti anche diversi dalle tenute asta, diagnosticando, per misura indiretta, potenziali danneggiamenti prima che diventino catastrofici.

I costi di implementazione di questi sistemi diagnostici sono ben compatibili con il ritorno economico che essi permettono, contribuendo (tra l'altro) al mantenimento del valore del parco macchine installato.

L'ingegneria di manutenzione degli impianti, contando sulla disponibilità di strumentazione specifica di monitoraggio, consente l'aggiornamento di tecnologie e procedure operative, costituendo il principale strumento di garanzia dei livelli di redditività degli asset produttivi, e di compatibilità ambientale in termini di emissioni atmosferiche e di rendimento energetico.

Alessio Butini

Instrument & Control Lead Specialist, CST Firenze