諶登旭 范琪琪 劉正軍(四川郝斯特油氣技術(shù)有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

目前，天然氣長輸管線壓縮機(jī)基本采用干氣密封作為軸端密封，以機(jī)組口端工藝氣經(jīng)密封控制系統(tǒng)過濾、調(diào)壓后作為干氣密封的工作氣體。其系統(tǒng)過濾器的過濾精度通常為3μm 甚至更高，可以滿足正常運(yùn)行期間針對相對清潔的天然氣去除雜質(zhì)的要求。但在天然氣輸氣站剛建成時(shí)，由于施工原因不可避免地造成天然氣管道內(nèi)殘留有污水、焊渣和大量砂石類的雜質(zhì)，如果在其首次開車時(shí)將天然氣經(jīng)壓縮機(jī)出口端引入干氣密封控制系統(tǒng)，極易造成系統(tǒng)過濾器迅速失效，繼而可能損壞密封導(dǎo)致危險(xiǎn)，因此管道壓縮機(jī)在首次開車時(shí)通常使用外部潔凈氮?dú)庾鳛楦蓺饷芊鈿庠碵1]。

1 干氣密封的特點(diǎn)及工作原理

(1)干氣密封是一種新型的無接觸軸封，用它來密封旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的氣體或液體介質(zhì)，與其他密封相比，干氣密封具有泄露量小，磨損小，壽命長，能耗低，操作簡單可靠，維修量低，被密封的流體不受油污染等特點(diǎn)。因此，在壓縮機(jī)引用領(lǐng)域，干氣密封已成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械中密封的首選，取代了浮環(huán)密封、油潤滑機(jī)械密封。干氣密封使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已被許多工程應(yīng)用實(shí)例所證實(shí)；(2)干氣密封動(dòng)環(huán)端面開有氣體槽，氣體槽深度僅有幾微米，端面間必須有潔凈的氣體，以保證在兩個(gè)端面之間形成一個(gè)穩(wěn)定的氣膜使密封端面完全分離。氣膜厚度一般為幾微米，這個(gè)穩(wěn)定的氣膜可以使密封端面間距保持一定的密封間隙，間隙太大，密封效果變差；而間隙太小會使密封面發(fā)生接觸，因干氣密封的摩擦熱不能散失，端面間無潤滑接觸將很快引起密封端面的變形，從而使密封失效。氮?dú)馔ㄟ^密封間隙時(shí)靠節(jié)流和阻塞的作用而被減壓，從而實(shí)現(xiàn)氣體介質(zhì)的密封，幾微米的密封間隙會使氣體的泄露率保持最小[2]。

2 壓縮機(jī)干氣密封氮?dú)夤r不間斷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試的目的

(1)成套機(jī)組的機(jī)械安裝質(zhì)量良好；(2)各子系統(tǒng)組成的整個(gè)機(jī)組整體性完好、各橇間及機(jī)組與系統(tǒng)的所有連接完整和正確；(3)軸系和設(shè)備各部位無異常的振動(dòng)；(4)各個(gè)法蘭連接處等靜密封點(diǎn)無潤滑油、氮?dú)饣蛘呖諝獾男孤?5)控制和保護(hù)系統(tǒng)完整，功能有效。

3 利用氮?dú)獯嫣烊粴庾鳛楦蓺饷芊庀到y(tǒng)氣源的優(yōu)勢

(1)在天然氣壓縮機(jī)投產(chǎn)試車過程中，氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w較為天然氣更加安全可控，危險(xiǎn)性低；(2)由工業(yè)液氮轉(zhuǎn)化的氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)到99.99%，可以利用氮?dú)庀葘嚎s機(jī)干氣密封系統(tǒng)吹掃，作為壓縮機(jī)不間斷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試干氣密封氣源較天然氣潔凈；(3)由于干氣密封系統(tǒng)不斷向壓縮機(jī)系統(tǒng)充氣，當(dāng)壓力過高時(shí)氮?dú)廨^天然氣泄壓排放更為方便安全；(4)氮?dú)鈿庠醋魍饨酉到y(tǒng)，注氣壓力方便控制，有利于控制干氣密封系統(tǒng)和壓縮機(jī)本體系統(tǒng)的壓差，同時(shí)也可不依賴干氣密封系統(tǒng)增壓泵獨(dú)立運(yùn)行。

4 干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)流程

4.1 搭建氮?dú)鈿庠聪到y(tǒng)

采用工業(yè)液氮運(yùn)輸設(shè)備，連接液氮增壓設(shè)備和汽化裝置，配合氣體緩沖裝置作為整個(gè)氮?dú)鈿庠赐饨酉到y(tǒng)，如圖1所示。

圖1 氮?dú)鈿庠戳鞒虉D

4.2 利用氮?dú)鈱Ω蓺饷芊庀到y(tǒng)吹掃

針對新建天然氣壓縮機(jī)場站特點(diǎn)，建議在壓縮機(jī)試車24小時(shí)不間斷機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試前先通過高純度氮?dú)鈱y試機(jī)組管路進(jìn)行徹底吹掃，排除新建管路中可能存在的雜質(zhì)，防止管道內(nèi)焊渣等固體雜質(zhì)進(jìn)入密封腔，一般吹掃流程如下：干氣密封增壓撬→壓縮機(jī)→壓縮機(jī)入口管線→防喘振管線→空冷器→空冷器出口管線閥門→空冷器出口匯管。

4.3 干氣密封系統(tǒng)升壓

為了保證在試車階段干氣密封主密封氣有單獨(dú)的不間斷的氮?dú)庠垂?yīng)，且壓力要大于壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，即干氣密封控制盤上的主密封氣與平衡氣管的差壓要一般大于300kPa(根據(jù)各壓縮機(jī)組參數(shù)確定)；故應(yīng)先先對干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行升壓至0.3～1.2MPa后，再開始壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，開始進(jìn)行壓縮機(jī)24小時(shí)機(jī)械測試。

4.4 壓縮機(jī)24小時(shí)不間斷械運(yùn)轉(zhuǎn)測試步驟

(1)確認(rèn)機(jī)組啟動(dòng)前的所有檢查確認(rèn)內(nèi)容均已經(jīng)完成；(2)啟動(dòng)機(jī)組，在機(jī)組達(dá)到怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，記錄機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)；(3)監(jiān)測所有的參數(shù)，確認(rèn)機(jī)組所有參數(shù)在正常范圍內(nèi)，調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速至最低負(fù)載轉(zhuǎn)速并開始計(jì)時(shí)；(4)按照壓縮機(jī)24小時(shí)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試轉(zhuǎn)速設(shè)定方案，根據(jù)調(diào)度指令，調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速到要求的轉(zhuǎn)速或在壓縮機(jī)最低負(fù)載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行20小時(shí)后，調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速到最大連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，保持該轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行4小時(shí)，每小時(shí)記錄一次完整的工藝和機(jī)械數(shù)據(jù)；(5)在最大連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行4小時(shí)后，按緊急停機(jī)按鈕，機(jī)組緊急停機(jī)，記錄機(jī)組由超速停機(jī)到轉(zhuǎn)速降至500rpm 之間的振動(dòng)頻譜信息(波特圖、相位、轉(zhuǎn)速等)參數(shù)；(6)根據(jù)機(jī)組實(shí)際控制程序，修改壓縮機(jī)24小時(shí)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)測試轉(zhuǎn)速變化圖，如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)機(jī)械測試轉(zhuǎn)速控制示意圖

5 干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)控制措施

5.1 干氣密封系統(tǒng)與壓縮機(jī)系統(tǒng)壓差控制技術(shù)措施

(1)因干氣密封系統(tǒng)較壓縮機(jī)系統(tǒng)管道容積小，所以在開啟壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣口閥門由干氣密封系統(tǒng)向壓縮機(jī)系統(tǒng)供氣時(shí)候，干氣密封系統(tǒng)壓力會快速下降，干氣密封系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)壓差也會快速下降，可能突破最小壓差限定；故應(yīng)在開啟壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣口閥門正式啟動(dòng)壓縮機(jī)前對干氣密封系統(tǒng)利用氮?dú)鉀_入較高的壓力，同時(shí)在正式開啟壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣口閥門時(shí)提高氮?dú)鈿庠磁帕?，保證壓差，待干氣密封系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)壓差穩(wěn)定后再啟動(dòng)壓縮機(jī)，同時(shí)降低氮?dú)鈿庠磁帕?，使干氣密封系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)壓差達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；(2)壓縮機(jī)干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械測試中應(yīng)保持干氣密封增壓撬入口進(jìn)行持續(xù)注氮，保持壓差，設(shè)專人通過系統(tǒng)壓力表觀察干氣密封系統(tǒng)壓力與壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓力，盡量保持干氣密封系統(tǒng)壓力大于壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力0.6～1.5MPa；當(dāng)觀察人員發(fā)現(xiàn)壓差縮小至0.6MPa 以下時(shí)，通過減小壓縮機(jī)系統(tǒng)的注氮流量，保持壓差；當(dāng)觀察人員發(fā)現(xiàn)壓差大于1.5MPa 時(shí)，通過減小干氣密封系統(tǒng)的注氮流量，縮小壓差，確保干氣密封系統(tǒng)壓力始終處于合理范圍之內(nèi)；(3)氮?dú)庀到y(tǒng)作為外接氣源，且由于干氣密封系統(tǒng)管道容積較小，所以氮?dú)鈿庠磁帕孔兓菀子绊懙礁蓺饷芊庀到y(tǒng)，導(dǎo)致壓力波動(dòng)，不利于對于干氣密封系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓差保持；所以應(yīng)在氮?dú)鈿庠聪到y(tǒng)中設(shè)置緩沖罐，通過加大容積，減小因?yàn)榈獨(dú)鈿庠磁帕康牟▌?dòng)而引起壓差的變化的速率，達(dá)到更好控制干氣密封系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)壓差的目的。

5.2 氮?dú)獍踩揽丶夹g(shù)措施

(1)壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，要求干氣密封系統(tǒng)注入氮?dú)饬枯^小，在壓縮機(jī)機(jī)械測試啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，若氮?dú)鈿庠醋⑷氲獨(dú)饬扛哂谙到y(tǒng)所需氮?dú)饬?，造成壓差高于要求時(shí)，或者需要對壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行排放泄壓時(shí)；宜將放空位置選在空冷器放空口，機(jī)械測試運(yùn)轉(zhuǎn)前，提取與放空口配套法蘭制作臨時(shí)放空管線，臨時(shí)放空管線連接于設(shè)備放空口，并加設(shè)截止閥，放空口保持垂直，將臨時(shí)放空管線與設(shè)備放空口連接后，將放空管線固定，準(zhǔn)備泄壓前，將空冷器打開，放空過程中，保證放空出的氮?dú)馍⒂诟呖眨?2)干氣密封在使用過程中，非常忌諱帶液、機(jī)械雜質(zhì)和氣體倒流，因干氣密封的密封端面間隙一般只有3～5μm，任何帶液和機(jī)械雜質(zhì)都直接可能損害密封端面，因此，在氮?dú)膺M(jìn)入壓縮機(jī)系統(tǒng)之前，必須將撬裝液氮設(shè)備所有管路用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃一次，確保無任何機(jī)械雜質(zhì)后再介入壓縮機(jī)預(yù)留注氮口。并且在氮?dú)獬隹谠O(shè)置溫度計(jì)，充入氮?dú)鉁囟炔坏玫陀?5℃，安排專人檢查注氮入口溫度，若溫度下降較快，減小氮?dú)饬髁浚员ＷC管道入口處氮?dú)鉁囟炔坏陀?5℃為準(zhǔn)。

6 干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)資源及設(shè)備選型要求

6.1 液氮汽化設(shè)備選型

液氮汽化設(shè)備要將加熱裝置氮?dú)獬隹跍囟确秶O(shè)置在25～30℃。根據(jù)注氮速度及溫度要求，液氮槽車配備與液氮汽化設(shè)備匹配的加熱設(shè)施及其它附屬設(shè)施，一般壓縮機(jī)干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，要求通過干氣密封系統(tǒng)注入壓縮機(jī)氣量為150～500Nm3/h 左右，所以氮?dú)鈿庠聪到y(tǒng)中液氮汽化設(shè)備宜選擇額定最大排量1000～2000Nm3/h 的設(shè)備，同時(shí)要求可滿足最小排量要求，防止供氣量過大，同時(shí)也可以在壓差過低時(shí)快速提高排量穩(wěn)定壓差；在升壓時(shí)通過液氮汽化設(shè)備自帶壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證注氮口壓力始終高于壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力0.8～1.2MPa 之間。

6.2 氮?dú)饩彌_裝置選型要求

為了降低干氣密封系統(tǒng)供氣壓力波動(dòng)影響壓差控制，應(yīng)在氮?dú)夤庀到y(tǒng)中設(shè)置氣體緩沖罐，緩沖罐容積過小會因?yàn)榈獨(dú)鈿庠磁帕孔兓瘜?dǎo)致系統(tǒng)壓差波動(dòng)大，緩沖罐容積過大會造成氣源的浪費(fèi)且不利于泄壓排放；根據(jù)干氣密封系統(tǒng)管道容積，宜選擇氣體緩沖罐容積為2～5m3；根據(jù)一般天然氣壓縮機(jī)額定最大工作壓力，選擇氮?dú)饩彌_裝置額定工作壓力不低于天然氣壓縮機(jī)額定最大工作壓力，一般選擇氮?dú)饩彌_裝置工作壓力為10MPa。

6.3 液氮資源配置要求

氮?dú)夤庀到y(tǒng)中氮?dú)鈦碓床捎靡旱?，現(xiàn)場經(jīng)氣化后成為氮?dú)?，氮?dú)獍?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、5℃狀態(tài)計(jì)算，1噸液氮轉(zhuǎn)化為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、5℃狀態(tài)下的氣體體積為800m3；根據(jù)壓縮機(jī)干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間及干氣密封系統(tǒng)對氣源供氣排量的要求，同時(shí)留出富裕量，在測試前進(jìn)行液氮資源需求量的計(jì)算，現(xiàn)場準(zhǔn)備足夠的液氮資源，防止因液氮資源不夠?qū)е碌南到y(tǒng)停車。

7 結(jié)語

利用氮?dú)膺M(jìn)行天然氣壓縮機(jī)干氣密封氮?dú)夤r機(jī)械測試運(yùn)轉(zhuǎn)，是檢測天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行情況的一種常見方式，為天然氣壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)保障。