楊 燁 渠建儒

1.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG 項目部， 湖北 黃岡 438011;

2.內(nèi)蒙古西部天然氣股份有限公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

0 前言

離心式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、動力、制冷等行業(yè)。由于工況的特殊性，尤其在壓縮易燃、有毒、有害氣體時，為了防止這些氣體沿壓縮機(jī)軸端泄漏或互竄，要求機(jī)體必須具備極高的密封性［1］。由于非接觸式干氣密封基本上不受PV 值的限制，因此特別適合在高速、高壓條件下工作的大型離心壓縮機(jī)上使用［2］。干氣密封的特點是泄漏量少、操作維修簡單、密封驅(qū)動功率小，目前在壓縮機(jī)中已普遍使用。本文對干氣密封系統(tǒng)現(xiàn)場操作與維護(hù)特點進(jìn)行歸納分析，進(jìn)一步優(yōu)化提升干氣密封系統(tǒng)工況。

1 干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 MCL 1407 離心壓縮機(jī)采用約翰克蘭公司TM 02 D型串聯(lián)式干氣密封，其干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程見圖1。一級密封氣進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)分兩路:一路在壓力高于放空總管80 kPa 情況下進(jìn)入機(jī)組二次平衡管，使二次平衡管壓力升高，防止一級密封端面出現(xiàn)反壓;另一路經(jīng)過濾器后由控壓閥控壓大于0.3 MPa，再由一級密封氣低壓、高壓端流量計前針型閥調(diào)整流量為28 m3/h，進(jìn)入低壓、高壓端一級密封腔形成氣膜保證壓力平衡。二級密封氣與隔離氣均采用0.6 MPa 低壓N2，N2自空壓制氮單元來經(jīng)過濾器后由控壓閥控壓為0.5 MPa后分兩路:一路作為二級密封氣，由二級密封氣低壓、高壓端流量計前針型閥調(diào)整流量為19 m3/h 進(jìn)入低壓、高壓端二級密封腔，二級密封氣主要是阻止從一級密封泄漏的工藝氣進(jìn)入二級密封腔，其絕大部分氣體經(jīng)中間迷宮與一級密封泄漏氣混合后高點放空，少量經(jīng)二級密封端面泄漏后高點放空;另一路做為隔離氣進(jìn)入低壓、高壓端隔離氣密封腔，進(jìn)入隔離氣密封腔內(nèi)的氣體一部分經(jīng)后置迷宮前端與二級密封端面泄漏的氣體混合引至安全高點放空，另一部分經(jīng)后置迷宮后端，通過軸承呼吸帽放空孔就地放空，此部分氣體能阻止?jié)櫥臀廴久芊舛嗣妗Ｖ档米⒁獾氖且患壝芊鈿馀c二級密封氣之間有一根平衡管，用來平衡和穩(wěn)定兩級間的壓力，抵消密封面氣膜給主軸的推力，并與主軸兩端的止動軸承配合使用以防止主軸產(chǎn)生軸向位移［3］。

圖1 TM 02 D 型串聯(lián)式干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

1.2 密封用工藝氣體

1.2.1 隔離氣

隔離氣一般采用N2，作用是防止軸承潤滑油進(jìn)入干氣密封腔污染密封面，隔離氣壓力大于機(jī)油壓力、小于密封氣壓力。在操作上隔離氣必須先于潤滑油系統(tǒng)投用前啟用，后于潤滑油系統(tǒng)停用后關(guān)閉。

1.2.2 緩沖氣

為了防止壓縮機(jī)軸部未凈化工藝氣擴(kuò)散污染密封面，擾亂干氣密封系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在密封氣進(jìn)入干氣密封腔之前分離出一股氣體作為緩沖氣，通過限流孔板升壓進(jìn)入緩沖器腔，然后過迷宮密封后進(jìn)入機(jī)體內(nèi)。

1.2.3 密封氣

密封氣分一級密封氣和二級密封氣，一級密封氣壓力大于二級密封氣。一般情況下，對于壓縮機(jī)內(nèi)工藝氣為CO、N2、H2、空氣等時采用壓縮機(jī)出口工藝氣作密封氣，壓縮機(jī)內(nèi)工藝氣為富氣或氣體內(nèi)含烴類物質(zhì)較多時采用N2作密封氣，通常情況下干氣密封多采用N2或空氣［4］。在壓縮機(jī)正常運(yùn)行時，采用機(jī)組出口氣(1.68 MPa，75.1℃)作為一級密封氣源和平衡管補(bǔ)充氣，開停車狀態(tài)時用0.6 MPa 低壓N2作為備用一級密封氣源。

1.2.4 動力氣

密封氣在壓力不夠時，必須經(jīng)過增壓泵加壓到一定值才能進(jìn)入系統(tǒng)正常工作。氣泵一般為一用一備，由N2或空氣經(jīng)過穩(wěn)壓閥持續(xù)提供動力驅(qū)動氣泵運(yùn)行。驅(qū)動氣氣源為N2(0.6 MPa)，由減壓閥控制到0.55 MPa 后進(jìn)入增壓泵驅(qū)動腔體。

1.3 干氣密封原理

離心式壓縮機(jī)各缸體主軸兩端都有密封，分為高壓端和低壓端，目的都是防止氣體泄漏［5］。每端的密封結(jié)構(gòu)都是由串聯(lián)的機(jī)械氣封和迷宮式密封組成。其中串聯(lián)的機(jī)械氣封是離心式壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)的主要組成部分，它由動環(huán)、靜環(huán)等部件組成。

圖2 密封件結(jié)構(gòu)

干氣密封原理是利用流體靜力和流體動力的平衡來實現(xiàn)的［6］。干氣密封由動環(huán)、靜環(huán)等部分組成，密封件結(jié)構(gòu)見圖2。干氣密封的動環(huán)面上加工有一系列的螺旋形流體動壓槽并經(jīng)過特殊的拋光處理，平面度和光潔度很高。運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣體隨環(huán)旋轉(zhuǎn)由外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高［7］。在該壓力作用下，動環(huán)與靜環(huán)之間的密封面被推開，流動的氣體在密封面間形成一層很薄的氣膜，阻塞泄漏間隙達(dá)到非接觸式密封目的［8］。

2 現(xiàn)場故障實例

因為壓縮介質(zhì)為易燃、易爆物質(zhì)，所以要求壓縮介質(zhì)不能泄漏到大氣，也不允許密封氣泄漏進(jìn)壓縮機(jī)內(nèi)。干氣密封系統(tǒng)工作條件見表1，每一密封單元的泄漏量見表2。

表1 干氣密封工作條件

表2 每一密封單元的泄漏量

密封是否失效可通過監(jiān)控密封氣進(jìn)出流量來判斷。主密封氣入口端流量大約為壓縮機(jī)高壓、低壓端泄漏量之和，其值由現(xiàn)場浮子流量計測量并傳至中控室，該值應(yīng)基本維持穩(wěn)定且較小。當(dāng)壓力和流量突然升高或降低時說明有密封故障，若達(dá)到警報值會觸發(fā)邏輯關(guān)系引起聯(lián)鎖，需進(jìn)行應(yīng)急處理［9］。

2.1 聯(lián)鎖停機(jī)

試車初期DCS 系統(tǒng)多次顯示一級密封泄漏量過小導(dǎo)致聯(lián)鎖。起初判斷為氣壓不穩(wěn)形成脈沖氣流導(dǎo)致表針卡盤觸發(fā)邏輯關(guān)系引起聯(lián)鎖。故在試車前確認(rèn)氣源的穩(wěn)定性并確保各過濾器、管線未發(fā)生堵塞，在試車期間派專人進(jìn)行現(xiàn)場巡檢并用木槌敲擊管線防止流量計因自身問題出現(xiàn)卡盤，但仍多次出現(xiàn)報警。最后整合故障參數(shù)、校驗流量計后發(fā)現(xiàn)通常干氣密封泄漏量很小，有時僅為設(shè)計量的1 /5，流量計選型過大造成在低流量情況下計量不準(zhǔn)而聯(lián)鎖。更換流量計后故障消除。

2.2 密封失效

試車完成后離心式壓縮機(jī)開始引入工藝氣轉(zhuǎn)為正常工作，一級密封氣隨即轉(zhuǎn)為工藝氣。但隨后又發(fā)生密封失效引起報警。拆開機(jī)組內(nèi)部密封后發(fā)現(xiàn)密封面有不同程度損壞并有液體出現(xiàn)。結(jié)合生產(chǎn)工藝和設(shè)備自身情況綜合分析得出:由于介質(zhì)氣含輕烴，冷卻后出現(xiàn)凝液污染密封面導(dǎo)致密封失效。改變相應(yīng)工藝參數(shù)，適當(dāng)升高工藝氣溫度后問題解決。

2.3 操作失誤

試運(yùn)一段時間后各參數(shù)基本趨于平穩(wěn)，可仍發(fā)生了DCS 系統(tǒng)報警。因為前幾次故障中已仔細(xì)排查了設(shè)備、線路等自身問題，因此初步判斷故障與操作有關(guān)。報警時一級密封泄漏量發(fā)生波動，判斷為當(dāng)一級密封發(fā)生波動出現(xiàn)突然泄漏增加的情況下，由于放空前的針型閥開度較小，干氣密封放空火炬排放不暢，密封腔的壓力突然上升，觸發(fā)邏輯關(guān)系而引起聯(lián)鎖［10］。查閱現(xiàn)場巡檢記錄后發(fā)現(xiàn)此期間由于各參數(shù)基本穩(wěn)定，所以現(xiàn)場操作員只進(jìn)行日常巡檢并未對突發(fā)情況產(chǎn)生預(yù)警，導(dǎo)致故障發(fā)生。

3 故障匯總與防治

LNG 工廠整體經(jīng)過長達(dá)1 年的試車準(zhǔn)備階段后正常生產(chǎn)。干氣密封故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。

表3 干氣密封故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

干氣密封系統(tǒng)是離心式壓縮機(jī)組正常工作的先決條件，正確的操作和有效的維護(hù)直接影響到干氣密封系統(tǒng)各項工況。保證進(jìn)氣質(zhì)量，控制好密封氣的壓差，防止泄漏、干磨，嚴(yán)格按照操作規(guī)程依次開關(guān)閘門是干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本保證。運(yùn)行過程中要密切注意干氣密封系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的變化，找出干氣密封運(yùn)行規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)隱患，妥善處理突發(fā)問題。深入分析優(yōu)化干氣密封操作及時調(diào)整工況指標(biāo)，可大大減少離心式壓縮機(jī)及其相關(guān)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用和企業(yè)生產(chǎn)成本，提高工作效率。

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