GB-701離心式壓縮機(jī)干氣密封改造

蔣小東

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

項(xiàng)目評價

GB-701離心式壓縮機(jī)干氣密封改造

蔣小東

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540)

介紹了芳烴裝置GB-701離心式壓縮機(jī)軸封采用的機(jī)械密封加浮環(huán)密封的組合式密封方式，針對該密封方式在裝置生產(chǎn)運(yùn)行工況發(fā)生變化時適應(yīng)能力較差的問題，為確保機(jī)組長周期運(yùn)行，減少運(yùn)行成本，在裝置大修期間將GB-701軸封改為干氣密封，取得了良好的運(yùn)行效果。

離心式壓縮機(jī) 軸封 節(jié)能 干氣密封

石油化工行業(yè)機(jī)械設(shè)備的密封都存在泄漏問題，造成能源浪費(fèi)，產(chǎn)品質(zhì)量下降，環(huán)境污染，甚至?xí)劤苫馂?zāi)，引起爆炸，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。離心式壓縮機(jī)作為化工裝置的重要設(shè)備，其運(yùn)行情況直接影響整個企業(yè)。因此，逐步采用先進(jìn)密封技術(shù)，提升密封性能，確保機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行是勢在必行的。

1 改造背景

中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部4#芳烴裝置1#異構(gòu)化GB-701循環(huán)氫壓縮機(jī)為透平驅(qū)動的多級離心式壓縮機(jī)，由DEMAG公司制造，型號為08MV2A。原軸封為機(jī)械密封和浮環(huán)密封的組合并帶有密封油的系統(tǒng)，生產(chǎn)商是德國太平洋公司。1995年4月密封系統(tǒng)以國產(chǎn)替代進(jìn)口，采用四川日機(jī)密封件有限公司的同類型產(chǎn)品。機(jī)組正常工作時轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min，而且工藝介質(zhì)氫氣易燃易爆，危險性大，這就要求壓縮機(jī)組軸封可靠性高，使用壽命長，密封泄漏量少，才能保證裝置安全生產(chǎn)和穩(wěn)定長周期運(yùn)行。

1.1 原密封缺陷

GB-701循環(huán)氫壓縮機(jī)原軸封型式為機(jī)械密封加浮環(huán)密封的組合式密封，靠工藝氣側(cè)為機(jī)械密封，大氣側(cè)為浮環(huán)密封。在兩道密封之間引入高于被密封的工藝氣壓力0.2～0.3 MPa的密封油，通過“液封氣”來實(shí)現(xiàn)密封目的。機(jī)組軸封系統(tǒng)自1995年以國產(chǎn)代進(jìn)口后，平均使用壽命僅為1～2年，而現(xiàn)在裝置檢修的周期已延長至5年以上，這勢必會嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定長周期運(yùn)行。而且該軸封系統(tǒng)適應(yīng)裝置生產(chǎn)運(yùn)行變工況能力較差，特別是在大修后開車初期，工藝波動較大。由于機(jī)械密封動環(huán)的追隨性較差，常常會發(fā)生密封面打開后不能自動閉合的情況，使密封油泄漏量大增，影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。如2003年大修后開車期間，由于工藝參數(shù)波動大，使機(jī)械密封的密封面打開后沒能自動閉合，密封油泄漏嚴(yán)重，酸油量大增，最大時酸油量多達(dá)5 000 L/d，而設(shè)計(jì)值是小于7.2 L/d。后經(jīng)反復(fù)變動壓力和轉(zhuǎn)速，歷時一個多月才使密封面閉合。

另外，原有機(jī)械密封加浮環(huán)密封的組合式密封系統(tǒng)相對較復(fù)雜，輔助設(shè)備和電、儀等自控元件多，造成使用可靠性下降，維護(hù)、維修任務(wù)較重,運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較高。

1.2 干氣密封的優(yōu)勢

干氣密封是20世紀(jì)60年代末期以氣體潤滑軸承概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，其中以螺旋槽密封最為典型。經(jīng)過數(shù)年的研究，美國約翰·克蘭公司率先推出干氣密封產(chǎn)品并投入工業(yè)使用，它是一種新型的非接觸式軸封，適應(yīng)開停車等變化工況能力強(qiáng)，密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性非常好，具有5年以上的使用壽命，因此能保證裝置安全生產(chǎn)和穩(wěn)定長周期運(yùn)行。

針對裝置現(xiàn)場條件和生產(chǎn)工藝要求，再結(jié)合當(dāng)今的密封技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，采用串聯(lián)式干氣密封是性價比較高的選擇。串聯(lián)式干氣密封“以氣封氣”，不需要密封油和冷卻水，省去了封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷，控制系統(tǒng)也比封油系統(tǒng)簡單，泄漏量小，壽命長，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低，更適應(yīng)裝置長周期運(yùn)行的需要。從實(shí)施“低成本戰(zhàn)略”角度出發(fā)， GB-701機(jī)組原軸封系統(tǒng)改為干氣密封是可行的,也是十分必要的。

1.3 干氣密封原理

與普通機(jī)械密封相比，干氣密封在結(jié)構(gòu)上基本相同，主要區(qū)別在于干氣密封中的一個密封面上有均勻分布的淺槽，深度在8～15 μm。密封旋轉(zhuǎn)時，由動環(huán)產(chǎn)生的黏性剪切力帶動被密封氣體進(jìn)入螺旋槽內(nèi)，由外徑朝中心，氣體被壓縮，壓力升高，密封面分開，形成一定厚度的氣膜。由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧力和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡，密封面分開3～5 μm[1]，實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。

采用帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封，第一級干氣密封為主密封，從機(jī)組出口端引出工藝氣體(氫氣)經(jīng)氣液分離、過濾后(精度為1 μm)成為潔凈的氣體作為一級緩沖氣,通過調(diào)節(jié)閥維持與參考?xì)?.05 MPa的壓差。大部分一級緩沖氣回流到壓縮機(jī)機(jī)體內(nèi)，少量通過第一級干氣密封的端面漏出。第二級干氣密封為輔助安全密封，氮?dú)饨?jīng)過濾調(diào)壓后作為二級緩沖氣,大部分經(jīng)迷宮密封與由一級密封泄漏過來的工藝氣混合，引入火炬燃燒。剩余少量氮?dú)庥啥壝芊舛嗣媛┏?。另引一路氮?dú)鉃楦綦x氣，經(jīng)過濾調(diào)壓后引入后置的梳齒密封，控制其壓力稍高于軸承箱油壓30 kPa，保證干氣密封在潔凈、干燥的環(huán)境中運(yùn)行。該氣體一部分進(jìn)入軸承箱，另一部分與從第二級密封泄漏的少量氮?dú)饣旌?，引入安全場所排放?/p>

1.4 改造內(nèi)容

2012年3月4#芳烴裝置大檢修期間，對GB-701密封系統(tǒng)進(jìn)行改造，具體實(shí)施內(nèi)容有： 拆除機(jī)組原有的軸封系統(tǒng)和相關(guān)的油、氣管線； 對機(jī)體上所有油、氣通道作清洗、脫脂、吹掃、干燥處理； 重新配制密封氣體管線，不銹鋼管酸洗； 安裝干氣密封組件； 安裝干氣密封系統(tǒng)儀表控制柜，控制系統(tǒng)改造。

2 干氣密封系統(tǒng)的安裝

2.1 現(xiàn)場配管

由于干氣密封采用氣封氣原理，因此連接管路的清潔工作極其重要，尤其是一、二級緩沖氣進(jìn)氣管道。先用蒸汽吹掃，每根管道的吹掃時間不低于4 h，隨后用沾有丙酮的綢布反復(fù)拖拉管道內(nèi)壁，再用蒸汽吹掃，最后用氮?dú)獯祾吒蓛?，保證每一根與干氣密封有關(guān)的管路清潔，不含有任何顆粒雜質(zhì)、銹斑、油污。清潔檢驗(yàn)方法是將白布放在管線出口1 min，觀察白布表面有無黑色的雜質(zhì)。

此次改造中，所有氣路管線都采用不銹鋼，焊接時采用氬弧焊，所有管線都按照酸洗、蒸汽吹掃、風(fēng)吹干的順序進(jìn)行處理，由于一級緩沖氣管路介質(zhì)為氫氣，還對新配管線進(jìn)行打壓以及探傷處理。

2.2 本體安裝

機(jī)組停機(jī)拆解，在推力盤未拆卸時，配合密封廠家技術(shù)人員測量機(jī)組轉(zhuǎn)子的工作位置，從而確定干氣密封的工作位置。仔細(xì)檢查安裝密封位置的轉(zhuǎn)子表面以及腔體，確保表面沒有毛刺、劃痕等缺陷。

拆除原密封油系統(tǒng)管路，配合密封廠家技術(shù)人員確定改造后各個管路的作用，并用記號筆標(biāo)出相對應(yīng)干氣密封控制系統(tǒng)的法蘭編號以及中文名稱，方便配管工作的進(jìn)行。針對該機(jī)組密封位置的腔體的結(jié)構(gòu)，將原密封的內(nèi)漏油出口作為干氣密封的一級緩沖氣入口，原密封油入口作為一級泄漏氣出口，原密封油出口作為二級緩沖氣入口，原密封的外漏油出口作為二級泄漏氣出口，原密封的氮?dú)馊肟诓蛔?，作為干氣密封的后置隔離氣入口。

為保證密封的可靠性，安裝工作放在控制系統(tǒng)配管結(jié)束后進(jìn)行，并且管線已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)處理，與機(jī)組連接，控制系統(tǒng)吹掃后進(jìn)行。該干氣密封為集裝式結(jié)構(gòu)，出廠前已精密地裝配成一體，安裝時整體從軸端裝入機(jī)組殼體內(nèi)，便捷且軸向定位準(zhǔn)確，避免了現(xiàn)場重新拆卸組裝時引起的裝配精度下降以及環(huán)境中的粉塵等雜質(zhì)對密封的影響。安裝時在密封系統(tǒng)廠家技術(shù)人員的指導(dǎo)下對各檔尺寸進(jìn)行測量，通過調(diào)整墊確定密封的工作位置。

該密封安裝尺寸完全根據(jù)原密封尺寸設(shè)計(jì)，與密封相關(guān)部分不做任何修改，可保證萬一發(fā)生不正常運(yùn)行情況時能夠立即恢復(fù)原軸封狀態(tài)。

2.3 質(zhì)量保證

在氣源與干氣密封控制系統(tǒng)儀表柜間有一工藝氣預(yù)處理系統(tǒng)，作用是除去因溫度降低而冷凝的烴類凝縮物以及水氣，提高密封可靠性。

干氣密封雖然在工作時端面為非接觸，但在開停車時仍會有短暫的接觸而產(chǎn)生輕微磨損，這就對密封材料提出了很高的要求。此次GB-701干氣密封采用進(jìn)口高致密浸漬金屬石墨作為摩擦副的靜環(huán)材料，國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度硬質(zhì)合金作為動環(huán)材料，該兩種材料具有很高的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、熱導(dǎo)率及硬度，較低的線膨脹因子，可保證機(jī)械變形和熱變形極小，該組對應(yīng)用于高參數(shù)干氣密封已有成熟的經(jīng)驗(yàn)。

密封的動、靜環(huán)經(jīng)嚴(yán)格粗磨、精磨、研磨、拋光、控制端面平面度小于0.6 μm[2]，所有零件的尺寸、形狀、位置公差均要求比普通機(jī)械密封標(biāo)準(zhǔn)高1～2個等級。動環(huán)轉(zhuǎn)子做動平衡試驗(yàn)，達(dá)到平衡品質(zhì)等級G1.0[3]。動、靜環(huán)均作探傷檢測及摩擦磨損試驗(yàn)，靜環(huán)作氣密性試驗(yàn)，另外還進(jìn)行了彈簧的疲勞性以及橡膠的耐蝕性等若干相關(guān)性能檢測試驗(yàn),提高了密封組件的質(zhì)量保證水平。

3 干氣密封運(yùn)行維護(hù)

3.1 控制系統(tǒng)

GB-701改為干氣密封以后，將原軸封的控制系統(tǒng)全部取消。干氣密封系統(tǒng)測量儀表在現(xiàn)場檢測的同時，對重要測量點(diǎn)采集的信號輸出至控制室，并設(shè)置相應(yīng)高低限位報警，使操作人員能及時了解密封的運(yùn)行情況，確保該系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。安裝在現(xiàn)場的儀表全部為本質(zhì)安全型，并帶防浪涌功能，防爆等級iaⅡCT4，接線盒為隔爆型，防爆等級dⅡCT4。壓力、流量、差壓變送器均輸出4～20 mA模擬信號送入集散控制系統(tǒng)(DCS)，信號超限時，DCS輸出報警信號進(jìn)行聲光報警，達(dá)到連鎖停車值時，即時停車。

GB-701干氣密封系統(tǒng)測量、報警及聯(lián)鎖如下。

(1)過濾器壓差

PDT7404測量一級緩沖氣過濾器前后差壓，PDT7406測量氮?dú)膺^濾器前后差壓，高報值為0.08 MPa。

(2)一級緩沖氣與參考?xì)獠顗?/p>

由差壓變送器PDT7402測量，設(shè)計(jì)正常值0.1 MPa，低報值為0.02 MPa。

(3)氮?dú)鈮毫?/p>

由壓力變送器PT7410進(jìn)行測量，正常值為0.6 MPa，低報值為0.3 MPa。

(4)一級泄漏氣壓力

由壓力變送器PT7411、PT7413分別測量進(jìn)口端和出口端一級泄漏氣壓力，設(shè)計(jì)正常值為0.06 MPa，高報值為0.1 MPa,高高報值為0.2 MPa。

(5)一級泄漏氣流量

由金屬管浮子流量計(jì)FT7412、FT7414分別測量進(jìn)口端和出口端一級泄漏氣流量，設(shè)計(jì)正常值6.5 m3/h，高報值為13 m3/h，高高報值為26 m3/h，低報值為3 m3/h。

(6)聯(lián)鎖停車

一級泄漏氣流量FT7412、FT7414的高高報值26 m3/h與一級泄漏氣壓力PT7411、PT7413的高高報值0.2 MPa二取二作為聯(lián)鎖停車信號。

3.2 啟動程序

(1)機(jī)組潤滑油系統(tǒng)投用前，先開啟干氣密封控制系統(tǒng)，并按照先投用一級緩沖氣，再投用二級緩沖氣、最后隔離氣的順序開啟。停機(jī)時先停機(jī)組潤滑油系統(tǒng)，約20 min后停先隔離氣，后停二級緩沖氣，最后停一級緩沖氣。

(2)在壓縮機(jī)出口關(guān)閉的前提下，通入開機(jī)氮?dú)庾鳛橐患壘彌_氣，關(guān)閉二級緩沖氣，對一級密封進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。此時流量計(jì)FT7412、FT7414讀數(shù)應(yīng)為0。如流量超過0.2 m3/h，應(yīng)查找原因。

(3)靜壓試驗(yàn)通過后，按照前述的控制系統(tǒng)操作步驟將控制系統(tǒng)投入使用，檢查各測點(diǎn)參數(shù)情況，應(yīng)在正常工作范圍內(nèi)，此時密封及系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒。

(4)按照機(jī)組操作說明啟動潤滑油系統(tǒng)。

(5)按壓縮機(jī)操作規(guī)程啟動壓縮機(jī)。由于干氣密封是以動壓力迫使密封面脫離接觸，而低速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動壓力卻不能使密封面分離。因此在壓縮機(jī)暖機(jī)時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)速不低于1 000 r/min，并且盡可能縮短暖機(jī)時間，以避免因壓力過低導(dǎo)致動靜環(huán)密封面發(fā)生摩擦損傷。

3.3 日常維護(hù)

每天觀察一級泄漏氣流量，如有增加的趨勢，可能預(yù)示著密封有失效的可能。通常應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)因?yàn)槊芊獾牧黧w動壓槽為單向螺旋槽，密封單向旋轉(zhuǎn)，禁止反向旋轉(zhuǎn)；

(2)確保緩沖氣穩(wěn)定，維持氣源穩(wěn)定是干氣密封正常運(yùn)行的基本條件；

(3)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時關(guān)閉開車氮?dú)獾目傞y門，防止工藝氣滲漏到氮?dú)夤艿乐校?/p>

(4)過濾器壓差達(dá)到報警值時應(yīng)及時切換，并更換濾芯；

(5)當(dāng)聚結(jié)器液位報警時對聚結(jié)器里的液體進(jìn)行排放。

4 改造效果

從2012年4月密封改造開車以來，GB-701干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行情況一直保持平穩(wěn)狀態(tài)：進(jìn)口端一級泄漏氣流量為7 m3/h，壓力為0.057 MPa，出口端一級泄漏氣流量為8 m3/h，壓力為0.056 MPa，各值均在正常范圍內(nèi)，并未出現(xiàn)因機(jī)組軸封系統(tǒng)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的機(jī)組停車情況，干氣密封系統(tǒng)的良好運(yùn)行確保了GB-701機(jī)組的長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

項(xiàng)目實(shí)施后，在節(jié)能方面也取得不小的成績。壓縮機(jī)密封油系統(tǒng)取消后，密封油冷卻器停用，按冷卻器用水量為1 t/h計(jì)算，循環(huán)冷卻水按0.4元/t價格計(jì)算，機(jī)組密封油系統(tǒng)可以每年節(jié)約循環(huán)水費(fèi)用1×24×365×0.4=3 504元。

密封油泵停用，原密封油泵驅(qū)動汽輪機(jī)消耗1.3 MPa蒸汽(按0.75 t/h計(jì)算)，干氣密封改造后，每年節(jié)約蒸汽6 570 t。蒸汽按38元/GJ計(jì)算, 全年共節(jié)約蒸汽成本：0.75×24×365×3.176 8×38=793 120元。

采用干氣密封以后，不再消耗密封油，按GB-701原使用密封油(32#汽輪機(jī)油)每月消耗4.5桶，每桶1 495.75元計(jì)算，全年節(jié)約密封油成本：4.5×12×1 495.75=80 770元。

新增干氣密封系統(tǒng)消耗氮?dú)饧s40 m3/h，按491.84元/t價格計(jì)算，每1 m3氮?dú)鈫蝺r為0.615元，每年消耗氮?dú)赓M(fèi)用40×24×365×0.615=215 496元。

使用干氣密封一年可節(jié)約3 504+793 120+80 770-215 496=600 698元。

5 結(jié)語

GB-701密封形式改為干氣密封以來，不僅保證機(jī)組密封質(zhì)量，確保機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，還在節(jié)能 “低成本戰(zhàn)略”有良好表現(xiàn)，此次 GB-701干氣密封改造比較成功。

[1] 王金剛．石化裝備流體密封技術(shù)[M] ．北京：中國石化出版社，2007．

[2] 王福利．壓縮機(jī)組[M]. 北京：中國石化出版社，2012．

[3] 王書敏．離心式壓縮機(jī)技術(shù)問答[M] ．北京：中國石化出版社，2012．

Dry Gas Seal Transformation for GB-701 Centrifugal Compressor

Jiang Xiaodong

(AromaticsDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd. 200540)

The combined seal manner of mechanical seal plus modular floating ring seal for shaft of GB-701 centrifugal compressor in aromatics plant was introduced. In view of the poor adaptability of this seal manner in changing of plant production operating conditions, in order to ensure the long-term operation of unit and reduce operating cost, the shaft seal manner of GB-701 was transformed to dry gas seal during the overhaul, which achieved good operating results.

centrifugal compressor, shaft seal, energy conservation, dry gas seal

2015-08-24。

蔣小東，男，1986年出生，2009年畢業(yè)于江蘇工業(yè)學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，工程師，長期從事化工機(jī)械設(shè)備管理工作。

1674-1099 (2015)05-0014-04

TH452

A