成應(yīng)杰，苗建，李洋安，郭振中，孟廣行

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518054)

0 引言

天然氣制冷單元的核心設(shè)備是膨脹壓縮機(jī)，該機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)制冷和分餾單元有較大的影響，同時(shí)也直接關(guān)系到液態(tài)產(chǎn)品回收率。膨脹壓縮機(jī)主要由膨脹端、壓縮端、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)儀表組成，其中密封氣系統(tǒng)運(yùn)行工況直接影響了膨脹壓縮機(jī)機(jī)組以及制冷單元的運(yùn)行狀態(tài)。某天然氣處理廠的膨脹壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中密封氣的流量和壓力不穩(wěn)定，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定和制冷系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)不良影響，需要通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析并查閱相關(guān)資料，找出影響該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因并提出合理的措施，從而使密封系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。

1 密封氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介以及異常工況概述

膨脹壓縮機(jī)主要由膨脹端、壓縮端、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)控制盤等組成[1]。其中密封氣的作用是通過(guò)引入高壓天然氣進(jìn)入膨脹壓縮機(jī)的迷宮密封腔中，防止膨脹端的低溫天然氣泄漏至軸承造成機(jī)組損壞，同時(shí)阻止循環(huán)的潤(rùn)滑油進(jìn)入天然氣管線。膨脹壓縮機(jī)密封氣用于密封潤(rùn)滑油和工藝流程介質(zhì)，其氣源主要有兩個(gè)：(1)低溫分離器氣相出口來(lái)氣；(2)外輸氣壓縮機(jī)出口來(lái)氣。低溫分離器或外輸氣壓縮機(jī)出口來(lái)氣經(jīng)過(guò)密封氣差壓調(diào)節(jié)閥(DPCV-14175)調(diào)壓后進(jìn)入密封氣加熱器加熱到設(shè)定溫度，再經(jīng)密封氣過(guò)濾器過(guò)濾分兩路分別進(jìn)入膨脹壓縮機(jī)膨脹端、壓縮端[2]。膨脹壓縮機(jī)密封氣流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 膨脹壓縮機(jī)密封氣流程簡(jiǎn)圖

正常狀況下，密封氣系統(tǒng)經(jīng)過(guò)密封氣差壓調(diào)節(jié)閥(DPCV-14175)調(diào)節(jié)，使密封氣差壓(密封氣過(guò)濾器出口壓力與膨脹壓縮機(jī)膨脹端葉輪背壓之差)維持在420 kPaG左右，確保密封氣流動(dòng)順暢，一方面可防止?jié)櫥蛽p失，另一方面可防止低溫天然氣進(jìn)入膨脹壓縮機(jī)軸承導(dǎo)致?lián)p壞機(jī)組[3]。

自投產(chǎn)以來(lái)，A/B套制冷單元投用膨脹壓縮機(jī)時(shí)，密封氣源一直由干氣壓縮機(jī)出口來(lái)氣提供，某段時(shí)間以來(lái)，B套膨脹壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)密封氣差壓持續(xù)減小，密封氣流量也隨之下降。

當(dāng)密封氣差壓由420 kPaG減小到300 kPaG左右時(shí)，操作人員手動(dòng)增加DPCV-14175旁通截止閥開(kāi)度，將密封氣差壓重新調(diào)整到420 kPaG左右。此后一段時(shí)間，密封氣差壓仍然持續(xù)下降，密封氣流量也減小。

當(dāng)切換至制冷A套運(yùn)行時(shí)，隨即出現(xiàn)以上相同的情況，如圖2所示。

圖2 膨脹壓縮機(jī)密封氣異常情況示意圖

2 密封氣系統(tǒng)異常原因分析

2.1 密封氣迷宮密封間隙增加

膨脹壓縮機(jī)的迷宮密封間隙增加，致使通過(guò)膨脹壓縮機(jī)迷宮密封的密封氣氣量增加，膨脹機(jī)密封氣過(guò)濾器下游壓力與膨脹端葉輪背壓之間差值越來(lái)越小，從而密封氣差壓逐漸降低[4]。但是根據(jù)拆機(jī)情況檢查，膨脹壓縮機(jī)的迷宮密封間隙未出現(xiàn)異常，因此可以排除迷宮密封間隙增加致使密封氣差壓降低。

2.2 密封氣加熱器盤管泄漏

通過(guò)采取了以下兩個(gè)措施進(jìn)行排查：

(1)關(guān)閉密封氣加熱器導(dǎo)熱油進(jìn)出口閥門，隔離導(dǎo)熱油流程，觀察導(dǎo)熱油壓力變化；(2)熱媒系統(tǒng)膨脹罐取樣化驗(yàn)。

經(jīng)觀察，密封氣加熱器導(dǎo)熱油路的壓力并沒(méi)有升高，取樣化驗(yàn)的結(jié)果也沒(méi)有可燃?xì)怙@示。由此，排除密封氣加熱器盤管泄漏原因。

2.3 DPCV-14175旁通截止閥故障

經(jīng)分析，可能是DPCV-14175旁通截止閥故障引起上述異常工況。為此，將B套膨脹壓縮機(jī)切換至J-T閥，通過(guò)拆檢DPCV-14175旁通截止閥進(jìn)行檢查。經(jīng)過(guò)拆檢發(fā)現(xiàn)閥門并沒(méi)有任何故障，將流程切換至A套制冷，投用A套膨脹壓縮機(jī)之后也同樣出現(xiàn)類似情況。兩個(gè)閥門同時(shí)故障的可能性極低，則可以推斷出上文提到的異常狀況并不是DPCV-14175故障引起的。

2.4 密封氣流程管線堵塞

迷宮密封間隙增加、密封氣加熱器盤管泄漏、DPCV-14175旁通截止閥故障的原因均已排除，可導(dǎo)致上文異常情況的原因只能是密封氣流程堵塞，且堵塞情況隨著時(shí)間推移越來(lái)越嚴(yán)重。B套膨脹機(jī)運(yùn)行時(shí)，拆檢DPCV-14175旁通截止閥排除閥門故障的過(guò)程中，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)閥門中存在贓堵物，可以將此處進(jìn)行排除。

在投用了A套制冷單元后，A套膨脹壓縮機(jī)密封氣也出現(xiàn)同樣的異常情況，采用同樣的措施，也排除了膨脹機(jī)迷宮密封間隙增加、密封氣加熱器盤管泄漏、DPCV-14175旁通截止閥故障、DPCV-14175旁通截止閥管段堵塞等原因。

將密封氣氣源切換至低溫分離器氣相后上述異常情況立即消除。由此，可以判斷低溫分離器供氣管線上球閥至DPCV-14175旁通截止閥管段未出現(xiàn)堵塞。

基于A、B套膨脹壓縮機(jī)均出現(xiàn)同樣的異常情況，經(jīng)分析，認(rèn)為堵塞地方在干氣壓縮機(jī)出口至A、B套膨脹壓縮機(jī)密封氣氣源管線的匯管處，并且堵塞情況隨著密封氣流動(dòng)越來(lái)越嚴(yán)重。

通過(guò)分析，當(dāng)下游用戶不需要進(jìn)行調(diào)峰時(shí)，PV-2101-2處于全關(guān)狀態(tài)，如果此時(shí)臟物(如：抹布、防火布等)沿著干氣壓縮機(jī)出口管線進(jìn)入到密封氣氣源管線位置，而膨脹機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，密封氣流動(dòng)可能將臟物攜帶進(jìn)入?yún)R管位置，造成臟堵[5]，如圖3所示。

圖3 膨脹壓縮機(jī)密封氣管線臟堵示意圖

3 密封氣系統(tǒng)供氣異常解決方案

經(jīng)過(guò)分析，膨脹壓縮機(jī)密封氣出現(xiàn)異常情況的主要原因可能是干氣壓縮機(jī)出口來(lái)密封氣匯管處臟堵。在不影響正常生產(chǎn)的情況下，擬采用正、反兩種方式進(jìn)行吹掃解決臟堵問(wèn)題[6]。

3.1 正向吹掃

假設(shè)以A套膨脹機(jī)密封氣管線上PSV旁通管線作為吹掃氣排放口。將A套制冷單元處理量由膨脹機(jī)IGV轉(zhuǎn)移給J-T閥，停運(yùn)膨脹機(jī)。通過(guò)調(diào)整PICA-1111的設(shè)定值將制冷系統(tǒng)入口壓力增加到與外輸氣壓縮機(jī)出口壓力值接近。隔離包含A套膨脹機(jī)密封氣加熱器在內(nèi)的密封氣下游流程，打開(kāi)PSV-A14171旁通1”球閥作為放空點(diǎn)，利用外輸氣壓縮機(jī)來(lái)貧氣和B套制冷單元低溫分離器來(lái)富氣作為吹掃氣，吹掃可能臟堵的管線，具體流程如圖4所示。

圖4 密封氣供氣管線臟堵段正向吹掃流程

3.2 反向吹掃

將膨脹壓縮機(jī)的處理量切換至J-T閥，并停運(yùn)膨脹壓縮機(jī)。在終端工藝流程、機(jī)組設(shè)備、下游管網(wǎng)壓力允許情況下，提升PICA-1111設(shè)定值，盡可能提高制冷單元低溫分離器氣相出口的壓力，同時(shí)降低外輸氣壓縮機(jī)出口壓力，使得低溫分離器處的壓力高于外輸氣壓縮機(jī)出口壓力值[7]。隔離A、B套膨脹機(jī)DPCV-14175下游的密封氣流程，利用A、B套制冷單元低溫分離器的富氣，經(jīng)過(guò)膨脹壓縮機(jī)密封氣兩路供氣流程，反向吹掃堵塞的密封氣管段。使得臟堵物進(jìn)入站回流管線。當(dāng)臟堵物進(jìn)入站回流主管線后，停止反向吹掃，調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，使得系統(tǒng)恢復(fù)至正常工況(外輸氣壓縮機(jī)出口壓力大于制冷單元低溫分離器壓力)，再利用站內(nèi)回流將臟堵物吹掃至制冷單元冷箱A流道進(jìn)口濾器處清理掉[8]。反向吹掃的具體流程如圖5所示。

圖5 密封氣供氣管線臟堵段反向吹掃流程

4 解決方案可行性分析

4.1 正向吹掃可行性

將制冷單元低溫分離器氣相出口壓力調(diào)整到跟外輸氣壓縮機(jī)出口壓力接近是可以實(shí)現(xiàn)的。在停用膨脹壓縮機(jī)情況下，利用密封氣流程PSV-14171旁通1”球閥作為放空口，對(duì)密封器管線堵塞段進(jìn)行吹掃，臟堵物質(zhì)前后的壓差可以保證在5 MPaG，甚至是更高，形成的推力足以推動(dòng)一般堵塞物質(zhì)，因此，正向吹掃具有一定的可行性[9]。當(dāng)吹掃氣體推動(dòng)臟堵物質(zhì)前進(jìn)，進(jìn)入到DPCV-14175旁通截止閥處時(shí)，由于閥門通道較小，臟堵物質(zhì)完全可能卡在閥芯處，此時(shí)只需要拆除閥門短接即可清除臟堵物。

4.2 反向吹掃可行性

將制冷單元低溫分離器壓力提升到高于干氣壓縮機(jī)出口壓力，此操作需要咨詢外輸氣壓縮機(jī)廠家，當(dāng)外輸氣壓縮機(jī)入口壓力在2.9 MPaG時(shí)，外輸氣壓縮機(jī)出口最低壓力可以維持在何水平，這決定了反向吹掃的壓力差，也決定了能否將臟堵物質(zhì)吹掃進(jìn)入站回流匯管。另外，在保障外輸氣壓縮機(jī)出口最低壓力值可行的情況下，還要與下游管網(wǎng)溝通，確保此壓力情況下可以滿足下游用戶用氣要求。

就投產(chǎn)以來(lái)可記錄的運(yùn)行參數(shù)顯示，外輸氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力最低2.9 MPaG，出口壓力最低6.5 MPaG，下游管網(wǎng)最低壓力6.0 MPaG。若能保證外輸氣壓縮機(jī)出口最低壓力能維持在6.0 MPaG，再將制冷單元低溫分離器氣相出口壓力調(diào)整到7.0 MPaG，則可以保證反向吹掃的壓力差約0.8 MPaG。因?yàn)槊芊鈿夤芫€堵塞管段為垂直向上的立管，且管段不長(zhǎng)(約50 cm)，若能保證反向吹掃的壓力差維持在0.8 MPaG左右，解決密封氣臟堵問(wèn)題也具有一定的可行性。

當(dāng)臟堵物質(zhì)進(jìn)入站回流匯管之后，關(guān)閉低溫分離器為A、B套膨脹壓縮機(jī)提供密封氣管線上的球閥。將工藝流程調(diào)整到正常生產(chǎn)工況(制冷單元入口壓力低于外輸氣壓縮機(jī)出口壓力)，投用站回流將臟堵物質(zhì)吹掃進(jìn)入冷箱A流道進(jìn)口過(guò)濾器處，再拆檢過(guò)濾器，這樣即可解決密封氣管段臟堵問(wèn)題。

5 方案實(shí)施后效果

通過(guò)正向吹掃和反向吹掃后，對(duì)制冷單元膨脹壓縮機(jī)的密封氣系統(tǒng)進(jìn)行投用，密封氣系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中有明顯改善，膨脹壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中密封氣差壓有明顯提升，密封氣流量能夠順利達(dá)到設(shè)計(jì)值。將吹掃前和吹掃后的密封氣系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 密封氣參數(shù)前后對(duì)比

由于異常工況得到順利解決，密封氣流量和壓力等系統(tǒng)參數(shù)逐漸恢復(fù)正常，膨脹壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有了明顯好轉(zhuǎn)，避免了密封氣流量低造成停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，該問(wèn)題的解決使制冷單元的溫度逐漸下降，制冷效果有明顯改善，液態(tài)產(chǎn)品回收率得到了大幅度提高，天然氣處理廠的液態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)處理能力明顯提高。

6 結(jié)語(yǔ)

分析表明造成膨脹壓縮機(jī)密封氣系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因是由于密封氣流程管線堵塞，造成密封氣流程不通暢。通過(guò)方案實(shí)施前后的數(shù)據(jù)對(duì)比表明對(duì)密封氣流程管線正向吹掃和反向吹掃可以有效解決密封氣管線臟堵的問(wèn)題。通過(guò)問(wèn)題分析、制定方案、可行性分析以及方案實(shí)施，成功解決了膨脹壓縮機(jī)密封氣工藝故障問(wèn)題，有效提高了制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和液態(tài)產(chǎn)品回收率。通過(guò)對(duì)膨脹壓縮機(jī)密封氣工藝故障問(wèn)題的解決，為天然氣深冷工藝領(lǐng)域提供了相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)參考。