川氣東送壓縮機(jī)干氣密封增壓加熱橇設(shè)計(jì)

范振業(yè)，紀(jì)志軍

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營257026

川氣東送壓縮機(jī)干氣密封增壓加熱橇設(shè)計(jì)

范振業(yè)，紀(jì)志軍

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營257026

離心式壓縮機(jī)在調(diào)試、投產(chǎn)初期或放空后重新啟動時(shí)，必須依托外部氣源建立干氣密封所需要的工作壓差。通過在壓縮機(jī)進(jìn)出口之間設(shè)置增壓加熱橇，將壓縮機(jī)出口的天然氣進(jìn)行增壓加熱后，引入干氣密封進(jìn)口，可滿足干氣密封的工作條件。為確保增壓加熱橇安全高效運(yùn)行，設(shè)計(jì)一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測過濾器壓差、增壓泵排氣壓力、電加熱器入口流量和出口溫度，對其進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)是非常必要的。文章以川氣東送管道利川壓氣站為例，介紹了增壓加熱橇的組成、工藝流程和監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況。

川氣東送管道；壓縮機(jī)；干氣密封；增壓加熱橇；監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國能源工業(yè)的發(fā)展以及全社會安全環(huán)保意識的提升，人們對石油化工建設(shè)項(xiàng)目中各類轉(zhuǎn)動設(shè)備軸封的要求也越來越高。目前轉(zhuǎn)動設(shè)備軸封型式主要分為單端面機(jī)械密封和雙端面機(jī)械密封。單端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡單，制造和安裝較為容易，但存在工藝介質(zhì)易泄漏的問題；雙端面機(jī)械密封用外引密封液作為潤滑冷卻介質(zhì)，密封結(jié)構(gòu)及輔助系統(tǒng)較為復(fù)雜，體積較大。由于兩者均屬于接觸式密封，磨損、功耗、發(fā)熱量大，使用壽命短，已不能滿足設(shè)備長周期運(yùn)行的要求。干氣密封是一種先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)軸用動密封，干氣密封的出現(xiàn)是密封技術(shù)的一次革命，它具有使用壽命長、無介質(zhì)泄漏、軸功率消耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用[1]。川氣東送管道工程壓縮機(jī)的軸承密封即采用干氣密封技術(shù)。

1 增壓加熱橇的用途

1.1 離心式壓縮機(jī)的干氣密封

干氣密封是一種氣膜潤滑的流體動、靜壓結(jié)合型非接觸式機(jī)械密封[2]，它是在機(jī)械密封的動環(huán)或靜環(huán)（一般在動環(huán)上）的密封面上開有密封槽（T形），當(dāng)動、靜環(huán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體進(jìn)入密封槽，在泵送效應(yīng)產(chǎn)生的推力作用下被引向中心，在被壓縮的同時(shí)，遇到密封堰的阻擋，壓力增大，把動、靜環(huán)推開，使動、靜環(huán)密封端面不接觸，流動的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜，從而達(dá)到密封的效果[3]。干氣密封技術(shù)在離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)上有著廣泛應(yīng)用。

1.2 壓縮機(jī)的增壓加熱橇

壓縮機(jī)的干氣密封氣一般引自壓縮機(jī)出口端的工藝管道，正常生產(chǎn)過程中，壓縮機(jī)出口工藝氣壓力高于機(jī)組的入口壓力（在壓縮機(jī)平衡鼓的作用下機(jī)組的入口壓力一般視為機(jī)殼內(nèi)工藝氣壓力），干氣密封正常工作。但在開車和停車階段會遇到壓縮機(jī)進(jìn)出口沒有壓差或壓差很小的情況，此時(shí)密封氣壓力不夠，無法注入密封槽，會造成機(jī)殼內(nèi)工藝氣反串至密封腔。為解決這一問題，通常的做法是外引一路滿足使用條件的氣源（一般為由氮?dú)廛囂峁┑牡獨(dú)猓┳鳛榕R時(shí)密封氣。但外部氣源存在使用壽命短、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，而且外部氣源氣體的特性和工藝氣完全不同，由于密封氣會進(jìn)入機(jī)殼，這些氣體會混入工藝氣中，一旦混入量過大就會影響整個(gè)工藝系統(tǒng)。針對這種情況，采取不使用外部氣源而直接在密封氣回路中設(shè)計(jì)增壓單元的方法，即在密封氣壓力不夠的情況下，通過對密封氣強(qiáng)制增壓將氣體注入機(jī)殼內(nèi)，盡可能地阻擋工藝氣，延長干氣密封的使用壽命[4]。

為此，川氣東送管道壓縮機(jī)站在壓縮機(jī)進(jìn)出口管道之間增設(shè)了增壓加熱橇。以利川壓氣站為例，其壓縮機(jī)干氣密封供氣流程如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)干氣密封供氣流程示意

2 增壓加熱橇的組成和配置

增壓加熱橇對引自壓縮機(jī)出口的天然氣增壓、加熱后，接入干氣密封橇進(jìn)口，使進(jìn)入密封面的氣體有足夠的壓力推開密封面，避免動、靜環(huán)的摩擦。

增壓加熱橇主要由過濾器、氣動增壓泵、電加熱器、儲氣罐等組成，其工藝流程如圖2所示。

圖2 增壓加熱橇工藝流程示意

2.1 過濾器

引自壓縮機(jī)出口的密封氣中可能會有固體雜質(zhì)、顆粒，為避免密封氣損壞增壓泵的活塞頭，密封氣進(jìn)入增壓泵前設(shè)置過濾器，對氣體進(jìn)行粗過濾，在過濾器進(jìn)出口設(shè)置壓差檢測儀表，高壓差報(bào)警，以監(jiān)測過濾器是否滿足運(yùn)行需求[5-6]。

2.2 氣動增壓單元

氣驅(qū)氣體增壓泵（氣動增壓泵）是增壓加熱橇的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣動增壓泵結(jié)構(gòu)示意

氣動增壓泵運(yùn)用帕斯卡原理，通過大面積活塞推動小面積活塞完成增壓。對大面積空氣驅(qū)動活塞（氣體活塞3）施加一個(gè)很低的壓力，當(dāng)此壓力作用于一個(gè)小面積的活塞（高壓活塞2）上時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高壓。通過一個(gè)二位四通氣控閥（滑閥4），增壓泵能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)運(yùn)行?；y使驅(qū)動氣體交替作用于活塞的底部表面和頂部表面。通過二位二通閥（先導(dǎo)閥7）來控制滑閥。先導(dǎo)閥由空氣驅(qū)動活塞來控制。先導(dǎo)閥不斷地填充和排空滑閥室。由單向閥1（入口單向閥和出口單向閥）控制的高壓活塞不斷地將氣體排出，從而使增壓泵能夠連續(xù)往復(fù)地將低壓氣體吸入，經(jīng)增壓后又將高壓氣體排出。

增壓泵的出口壓力大小與驅(qū)動氣體壓力有關(guān)。當(dāng)驅(qū)動部分和高壓氣體部分之間的壓力達(dá)到平衡時(shí)，增壓泵會停止運(yùn)行，不再消耗驅(qū)動氣體；當(dāng)增壓氣體輸出壓力下降或驅(qū)動氣體壓力增加時(shí)，增壓泵會自動啟動并運(yùn)行，直至再次達(dá)到壓力平衡后自動停止。

在儀表風(fēng)供氣管道上設(shè)電磁閥，通過控制電磁閥的開、關(guān)實(shí)現(xiàn)氣動增壓泵的啟動和停止。電磁閥的控制信號由壓氣站站控系統(tǒng)發(fā)出，電磁閥開啟，增壓泵開始工作；電磁閥關(guān)閉，增壓泵停止工作。

氣動增壓單元設(shè)有儲氣罐，儲氣罐的主要作用是對過程氣體進(jìn)行緩沖，以保證氣動增壓單元輸出壓力的穩(wěn)定。儲氣罐上設(shè)有安全閥，當(dāng)儲氣罐壓力高于安全閥設(shè)定值時(shí)，安全閥起跳，避免儲氣罐超壓。

2.3 電加熱單元

密封氣產(chǎn)生的凝液會導(dǎo)致壓縮機(jī)密封環(huán)損壞，需要確保經(jīng)過干氣密封調(diào)壓后的氣體溫度仍高于水露點(diǎn)，為此需要對氣體進(jìn)行加熱。開車時(shí)天然氣溫度較低，為保證一級密封氣進(jìn)入干氣密封的溫度高于露點(diǎn)溫度20℃，因此增壓后的氣體還需通過電加熱器將其溫度加熱到50℃，并在電加熱器至機(jī)組之間的一級密封氣管路上進(jìn)行保溫。

電加熱器采用可控硅整流電加熱方式來實(shí)現(xiàn)對加熱介質(zhì)的恒溫控制。電熱元件通過對有機(jī)載體（導(dǎo)熱油）的加熱來加熱天然氣。電加熱器出口管道上設(shè)有溫度傳感器，該溫度傳感器將檢測到的信號傳送給電加熱器的溫控儀，與設(shè)定溫度值（50℃）比較，由溫控儀對出口溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

當(dāng)因故障或非正常操作條件下檢測到出口管道上的溫度超過高報(bào)警值時(shí)，電加熱器超溫報(bào)警關(guān)斷并自鎖，需現(xiàn)場手動復(fù)位，報(bào)警消除后，電加熱器方可重新處于可啟動狀態(tài)。

為防止電加熱器的過度加熱，在其內(nèi)部設(shè)兩個(gè)溫度開關(guān)，將它們直接連接到電加熱器的供電回路，當(dāng)兩個(gè)溫度開關(guān)中任意一個(gè)達(dá)到溫度設(shè)定值時(shí)，輸出觸點(diǎn)切斷電加熱器的供電電源，對電加熱器進(jìn)行二級過熱保護(hù)，防止因電加熱器溫度傳感器的一級過熱保護(hù)功能失效導(dǎo)致電加熱器過度加熱而引發(fā)安全事故。

另外，為防止電加熱器空載加熱，電加熱器入口設(shè)有流量開關(guān)，當(dāng)入口天然氣的流量值高于流量開關(guān)設(shè)定值時(shí)，電加熱器才能啟動并持續(xù)工作；如果入口天然氣的流量值低于流量開關(guān)的設(shè)定值，則尚未啟動的電加熱器將無法啟動，而已處于工作狀態(tài)的電加熱器將自動停止工作。

3 增壓加熱橇的監(jiān)控設(shè)計(jì)

增壓加熱橇大部分控制功能由橇本身實(shí)現(xiàn)，如氣動增壓泵的增壓工藝、電加熱單元的聯(lián)鎖保護(hù)等。為了使增壓加熱橇既能夠滿足運(yùn)行要求，同時(shí)又能保障系統(tǒng)的安全，在壓氣站站控系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了對增壓加熱橇的監(jiān)測控制系統(tǒng)，具體監(jiān)測內(nèi)容如下。

3.1 密封氣過濾器壓差監(jiān)測

在密封氣過濾器進(jìn)、出口設(shè)壓差檢測儀表，隨時(shí)掌握過濾器的阻力變化情況，壓差達(dá)到高限時(shí)由站控系統(tǒng)報(bào)警，提示操作人員對過濾器進(jìn)行檢修，以嚴(yán)格控制密封氣的清潔度。

3.2 氣動增壓泵密封氣泄漏監(jiān)測

增壓泵在長期運(yùn)行過程中，其活塞密封圈有發(fā)生泄漏的可能，因此在增壓泵放空管道上設(shè)壓力檢測儀表，檢測放空管道中放空氣體的壓力，當(dāng)壓力高報(bào)警時(shí)（說明密封圈泄漏）可及時(shí)切換至備用增壓泵。泄漏氣體放空通過設(shè)置于壓縮機(jī)房上方的就地放空管進(jìn)行放空。

3.3 增壓橇出口流量監(jiān)測

在增壓橇出口管道上設(shè)金屬管浮子流量計(jì)，對被增壓密封氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以觀察流量是否滿足干氣密封流量要求，當(dāng)流量低于正常流量時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警提示出現(xiàn)異常，操作人員可及時(shí)采取措施。

3.4 電加熱器出口溫度監(jiān)測

在電加熱器出口管道設(shè)溫度變送器，檢測增壓后的密封氣溫度，氣體溫度低（不滿足露點(diǎn)要求，出現(xiàn)液體損壞密封）報(bào)警，氣體溫度高也報(bào)警，防止不合格氣體進(jìn)入干氣密封。

3.5 增壓加熱橇的啟?？刂?/p>

氣動增壓泵的啟動和停止通過控制供氣儀表風(fēng)管路中的電磁閥來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)站控系統(tǒng)監(jiān)測到壓縮機(jī)出口匯管與進(jìn)口匯管的壓力差小于設(shè)定值時(shí)（根據(jù)干氣密封系統(tǒng)的要求設(shè)定），站控系統(tǒng)發(fā)出命令開啟儀表風(fēng)供氣電磁閥，增壓加熱橇開始工作；當(dāng)壓縮機(jī)出口匯管與進(jìn)口匯管的壓力差符合要求時(shí)，站控系統(tǒng)發(fā)出命令關(guān)閉儀表風(fēng)供氣電磁閥，增壓加熱橇停止工作。站控系統(tǒng)還可遠(yuǎn)程手動啟、停增壓加熱橇。

4 結(jié)束語

干氣密封技術(shù)發(fā)展至今已有50多年的歷史，在離心式壓縮機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。而為了解決壓縮機(jī)調(diào)試階段和投產(chǎn)初期壓縮機(jī)進(jìn)、出口壓差不足，干氣密封無法工作的狀況，川氣東送管道工程在普光首站、利川壓氣站和潛江壓氣站分別設(shè)置了增壓加熱橇，通過增壓加熱橇對來自壓縮機(jī)出口的天然氣進(jìn)行增壓、加熱，安全、可靠、便捷地為壓縮機(jī)干氣密封提供了密封氣，完全滿足了壓縮機(jī)干氣密封的需求。迄今為止，川氣東送管道工程三座壓氣站的增壓加熱橇運(yùn)行平穩(wěn)。

隨著增壓加熱橇在國內(nèi)外項(xiàng)目中應(yīng)用得越來越多，其在實(shí)際工作中也暴露出了一些問題。增壓加熱橇及其控制系統(tǒng)仍需不斷改進(jìn)和完善，應(yīng)以可靠、實(shí)用為目標(biāo)，給干氣密封創(chuàng)造更好的工作環(huán)境，延長其壽命，以帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王樹術(shù).干氣密封技術(shù)在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008，（5）:78-81.

[2]楊富來.干氣密封技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25（3）：63-66.

[3]安東俊，李鴻剛，常廣東，等.干氣密封在120萬t/a加氫裂化循環(huán)氫壓縮機(jī)上的應(yīng)用[J].化工科技市場，2006，29（9）:19-22.

[4]楊扉，王方.干氣密封控制系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].化工設(shè)備與管道，2012，49（6）：43-46.

[5]阮春紅.壓縮機(jī)用干氣密封及控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2009，（S1）：45-48.

[6]尹廣增，趙國輝，黃顯中.澀北首站工藝系統(tǒng)存在的問題及對策[J].石油工程建設(shè)，2009，35（2）：25-26.

亞馬爾L NG儲罐進(jìn)行第一次混凝土澆筑

近日，中國石油入股的亞馬爾項(xiàng)目，在俄羅斯薩貝塔港的工程現(xiàn)場1號LNG儲罐進(jìn)行了第一次混凝土澆筑，本次施工作業(yè)是澆筑儲罐鋼筋混凝土底板。截至目前，1號儲罐的948根基礎(chǔ)管樁已經(jīng)全部安裝完畢，2號儲罐的基礎(chǔ)管樁施工也接近尾聲。這標(biāo)志著LNG儲罐第一階段工程施工開始由地下轉(zhuǎn)為地上，相關(guān)罐體土建安裝作業(yè)將陸續(xù)展開。

亞馬爾項(xiàng)目計(jì)劃建造4座16萬m3的LNG低溫儲罐，儲罐工程根據(jù)LNG工廠三條生產(chǎn)線的投產(chǎn)時(shí)間表分為三個(gè)階段建設(shè)。第一階段將于2016年建造完成1號、2號儲罐，第二、三階段分別將于2017年和2018年建造完成3號、4號儲罐。

亞馬爾LNG項(xiàng)目是世界特大型天然氣勘探開發(fā)、液化、運(yùn)輸、銷售一體化項(xiàng)目。根據(jù)俄國家儲委2013年的審批結(jié)果，已探明的凝析氣田天然氣、凝析油地質(zhì)儲量分別為1.3萬億m3和6 018.4萬t，計(jì)劃年生產(chǎn)液化天然氣1 650萬t。公司股東是諾瓦泰克公司（60%）、道達(dá)爾公司（20%）和中國石油（20%）。

（本刊摘錄）

Design ofBoosting and Heating Skid for Compressor SealGas System of Sichuan-East Gas Pipeline

Fan Zhenye，JiZhijun
Sinopec Petroleum Engineering Corporation，Dongying 257026，China

In debugging，commissioning and rebooting after gas blowoff of a centrifugal compressor，the external gas source must be needed to set up the operation pressure difference for dry gas seal.It can satisfy the operation condition of dry gas seal to set up a boosting and heating skid between the inlet and outlet of the compressor for boosting and heating natural gas from the outlet then gas flowing into the dry seal inlet.To ensure safe and high efficient operation of the skid，designing a set of consummate monitoring system is necessary，which is able to perform interlock protection by monitoring and control the pressure difference of the inlet filter，the vent pressure of the boosting pump，the inlet flux and the outlet temperature of the electricalheater.The composition，the design of process flow and monitoring and control system of the boosting and heating skid are illustrated in this paper by taking Lichuan Compressor Station of Sichuan-East Gas Pipeline for example.

Sichuan-East Gas Pipeline；compressor；dry gas seal；boosting and heating skid；monitoring and control system；design

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.009

范振業(yè)（1981-），男，山東臨朐人，工程師，2003年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油天然氣自動化設(shè)計(jì)工作。

2013-12-07；

2014-02-15