高壓加氫反應(yīng)釜機械密封輔助系統(tǒng)可靠性研究

魏文亮，曹達，王鐵軍，楊慧霞，何向東

高壓加氫反應(yīng)釜機械密封輔助系統(tǒng)可靠性研究

魏文亮，曹達，王鐵軍，楊慧霞，何向東

（大連華陽密封股份有限公司， 遼寧 大連 116036）

針對高壓加氫反應(yīng)釜工況特點，提出了全新的Plan 54密封輔助系統(tǒng)的技術(shù)方案。相較于常規(guī)輔助系統(tǒng)沖洗方案，新沖洗方案的隔離液循環(huán)流量更大、更穩(wěn)定，機械密封的散熱效果更好；同時機械密封輔助系統(tǒng)的安全性和可靠性也得到了極大的提高，可以確保機械密封長周期安全運行，可為類似裝置的密封輔助系統(tǒng)升級改造提供有益的參考。

加氫反應(yīng)釜；機械密封；輔助系統(tǒng)；升級改造

高壓加氫反應(yīng)釜是眾多化工行業(yè)需要配備的最為重要、關(guān)鍵的設(shè)備，其運行是否穩(wěn)定、可靠，嚴重影響整個生產(chǎn)裝置的運轉(zhuǎn)。

以某化工己內(nèi)酰胺裝置為例（工況參數(shù)見表1），高壓加氫反應(yīng)釜具有壓力高、壓力波動大、介質(zhì)溫度高、釜內(nèi)介質(zhì)復(fù)雜等特點，同時加氫反應(yīng)釜是己內(nèi)酰胺裝置的核心設(shè)備，不僅反應(yīng)釜本體及配套機封的運行安全性及其在工藝流程中的重要性都具有十分顯著的位置，因此對于加氫反應(yīng)釜密封的配套系統(tǒng)應(yīng)運行十分可靠，以保證機封及反應(yīng)釜安全、連續(xù)運行。

1 己內(nèi)酰胺裝置加氫反應(yīng)釜工況參數(shù)及當(dāng)?shù)貤l件

1.1 加氫反應(yīng)釜A-1102/1103工況參數(shù)

表1 加氫反應(yīng)釜A-1102/1103工況參數(shù)

1.2 當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、冷卻水條件參數(shù)

表2 當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、冷卻水參數(shù)

1.3 加氫反應(yīng)釜A-1102/1103工況及當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點分析

由表1的操作壓力可以看出,反應(yīng)釜A-1102/1103屬于高壓、變壓力、存在固體懸浮顆粒的介質(zhì)工況，要保證反應(yīng)釜配套的機械密封長周期運轉(zhuǎn)，密封系統(tǒng)需要采用帶壓系統(tǒng)方案并且摩擦副內(nèi)、外壓差應(yīng)基本恒定，使其處于相對穩(wěn)定的壓力場，因此密封配套沖洗系統(tǒng)的封液壓力應(yīng)采用與釜內(nèi)壓力隨變方式，即在封液壓力始終高于釜內(nèi)壓力同時，封液壓力與釜內(nèi)壓力差值應(yīng)保持恒定。

由表2大氣溫度可以看出,當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度溫差較大（最低溫度-18 ℃、最高溫度35 ℃），機械密封要長周期運轉(zhuǎn)，其動、靜密封點處溫度場就不能存在較大的變化，且應(yīng)維持在10～45 ℃范圍之間為宜，因此在封液壓力不斷隨釜內(nèi)壓力變化的同時，封液溫度、封液流量應(yīng)保持恒定。

2 密封沖洗系統(tǒng)方案

通過第1.3項分析可知，加氫反應(yīng)釜A-1102/1103需要帶壓沖洗方案，機封帶壓沖洗方案通常采用PLAN 53A/B/C及PLAN54系統(tǒng),而PLAN53A/B/C方案無法滿足釜內(nèi)介質(zhì)工況的高壓力及壓力周期性、復(fù)雜性、當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境等諸多因素使用要求，需采用Plan54沖洗方案，即通過外圍設(shè)備的變壓力、恒溫、恒流量供給系統(tǒng)來提供機封所需的良好的工作環(huán)境，保證密封長周期、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

2.1 密封沖洗系方案簡介

首先密封沖洗系統(tǒng)要保障機械密封在任何可能的介質(zhì)工藝條件變化下均能運行可靠，為密封提供合理的壓力、溫度、流量等控制參數(shù)，其次密封沖洗系統(tǒng)本體要可靠。

針對反應(yīng)釜A-1102/1103介質(zhì)條件，Plan54系統(tǒng)封液選用適用于機械密封摩擦副潤滑且對介質(zhì)無影響的360#液態(tài)石蠟油。由于該油品粘度適用于容積泵選用范圍，因此Plan54系統(tǒng)動力源選用齒輪泵。齒輪泵適用油品廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、易于更換及維修，齒輪泵運轉(zhuǎn)過程中泵送介質(zhì)流量恒定、相對壓力脈動小，采用齒輪泵作為機封封液系統(tǒng)動力源可以保障機封系統(tǒng)自身的長周期、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

機封封液在使用過程中要保持清潔并防止油品高溫變質(zhì)、低溫結(jié)冰，因此采用過濾精度30μm燒結(jié)濾芯過濾掉油品內(nèi)雜質(zhì)，保障機封潤滑油品清潔；由于機封運轉(zhuǎn)中在摩擦副表面產(chǎn)生大量熱量，360#液態(tài)石蠟油作為封液為機封摩擦副提供潤滑的同時也將帶走摩擦副表面的熱量，因此系統(tǒng)需要采用冷卻器為液態(tài)石蠟油降溫，對于當(dāng)前反應(yīng)釜A-1102/1103密封PLAN54系統(tǒng)需采用1臺（換熱面積8㎡）冷卻器，依據(jù)油品溫度選擇適當(dāng)冷卻水流量。系統(tǒng)停運期間，液態(tài)石蠟油依靠油箱內(nèi)置電加熱器預(yù)熱，以防止石蠟油油在低溫下凝固，確保石蠟油溫度控制在設(shè)計溫度范圍內(nèi)。

2.2 密封沖洗系統(tǒng)方案設(shè)計特點

（1）PLAN54系統(tǒng)采用一拖二方式為加氫反應(yīng)釜A-1102/1103同時提供封液；

（2）PLAN54采用雙泵系統(tǒng)，即采用兩臺齒輪泵泵，一用一備，互為備用；

（3）系統(tǒng)上油路總管壓力采取脈沖吸收及壓力監(jiān)測；

（4）系統(tǒng)上油總管路流量采用氣動流量調(diào)節(jié)閥實時調(diào)節(jié)以保證去往密封的總流量恒定；

（5）系統(tǒng)設(shè)置超壓保護措施；

（6）系統(tǒng)采用雙精密過濾器一用一備冗余措施，提高系統(tǒng)整體運行可靠性；

（7）密封封液各支管路均采用流量變送器監(jiān)測支路流量，同時實現(xiàn)密封泄漏預(yù)測及報警；

（8）封液回油管路采用氣動壓力調(diào)節(jié)閥實時調(diào)節(jié)封液壓力，實現(xiàn)隨釜內(nèi)壓力隨動控制；

（9）系統(tǒng)不停車密封在線維修、更換；

（10）系統(tǒng)不停車在線自身維修、維護；

（11）系統(tǒng)停機保壓（系統(tǒng)停止運行情況下，保障密封封液壓力不變）。

2.3 密封沖洗系統(tǒng)P&ID圖及邏輯聯(lián)鎖圖

依據(jù)用戶現(xiàn)場情況，PLAN54沖洗系統(tǒng)分兩部分布置，動力源本體部分及現(xiàn)場管路部分。本體部分布可置于戶外或空曠、適于維護的地面泵房內(nèi)，現(xiàn)場管路部分位于高壓加氫反應(yīng)釜A-1102/1103設(shè)備附近。由于動力源本體部分布置相對于反應(yīng)釜A-1102/1103機封水平距離、垂直距離較遠，為了有效、及時、準(zhǔn)確檢測并控制反應(yīng)釜A-1102/1103機封封液的壓力及溫度，故將密封封液的測壓、測溫儀表布置于所在位號機封附近下游管路。

PLAN54系統(tǒng)工藝管道流程具體見系統(tǒng)P&ID圖。圖1：PLAN54密封沖洗油站本體部分P&ID圖；圖2：反應(yīng)釜A-1102/1103機封進、出口管路P&ID圖；圖3：PLAN54系統(tǒng)邏輯聯(lián)鎖圖。

圖1 PLAN54密封沖洗油站本體部分P&ID圖

圖2 加氫反應(yīng)釜A-1102/1103機封進、出口管路P&ID圖

2.4 密封系統(tǒng)實施要點

PLAN54系統(tǒng)壓力源采用2臺齒輪泵，互為備用，兩臺齒輪泵下游管路分別配備彈簧微啟安全閥，防止出現(xiàn)系統(tǒng)意外高壓損傷泵體及造成現(xiàn)場設(shè)備損壞。

PLAN54系統(tǒng)油箱配置防爆電加熱器及液位變送器，中控可以通過液位變送器數(shù)據(jù)實時監(jiān)測油箱液位。若液位低，防爆電加熱器無法投用，防止電加熱器干燒而損壞，若液位低至泵吸入口位置，則2臺齒輪泵均無法啟動，可防止齒輪泵無液運轉(zhuǎn)而損壞。

圖3 PLAN54系統(tǒng)邏輯聯(lián)鎖圖

PLAN54系統(tǒng)去機封前封液總管路布置皮囊蓄能器，可以有效吸收齒輪泵運行期間產(chǎn)生的壓力脈動，蓄能器上游配置流量變送器及壓力變送器，流量變送器通過PID控制、調(diào)節(jié)氣動流量調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)無論封液壓力如何變化，去往機封的總管路流量保持恒定；壓力變送器監(jiān)測封液油主管路壓力。

A-1102/1103密封上游封液各分支管路分別配置流量變送器，可以監(jiān)測各臺密封的封液流量，同時也可對密封泄漏情況進行預(yù)測、報警。

A-1102/1103密封下游封液各分支管路分別布置溫度表、壓力表，可就地查看封液支路管線壓力及溫度。

A-1102/1103密封下游封液總管路布置氣動壓力調(diào)節(jié)閥及差壓變送器，差壓變送器分別采集A-1102/1103釜平衡管內(nèi)壓力及機封下游封液主管路壓力，通過封液管路壓力及釜平衡管內(nèi)壓力差值實時、有效控制并調(diào)節(jié)氣動壓力調(diào)節(jié)閥開度，保證A-1102/1103機封封液壓力始終高于釜內(nèi)壓力在設(shè)定值附近，并隨釜內(nèi)壓力的變化而自動調(diào)整。

A-1102/1103密封下游管路布置液控單向閥，單向閥液控線來自泵出口封液總管。若系統(tǒng)斷電或其他原因?qū)е?臺油泵無法工作時，液控單向閥關(guān)閉切斷機封下游的回油主管路，同時密封上游各單向閥關(guān)閉切斷封液上油主管路，皮囊蓄能器此時實現(xiàn)停機保壓功能，確保系統(tǒng)斷電狀態(tài)下密封仍處于正壓狀態(tài)；液控單向閥下游配置氣動開關(guān)閥，若機封封液壓力與釜平衡管壓力差值低于設(shè)定值時氣動開關(guān)閥關(guān)閉，確保密封處于正壓。只要機封處于正壓狀態(tài)，反應(yīng)釜內(nèi)介質(zhì)（主要是氫氣）便無法泄漏至大氣，可保證現(xiàn)場安全。

A-1102/1103密封上游封液各分支管路、反應(yīng)釜機封、氣動調(diào)節(jié)閥分別配置旁路，可以實現(xiàn)單臺封液管路的手動操作，實現(xiàn)單臺密封、智能儀表及氣動調(diào)節(jié)閥從封液管路中切除、維護、更換，而不影響其他密封及系統(tǒng)整體的正常運行。

3 結(jié)束語

高壓加氫反應(yīng)釜是生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)中重要設(shè)備，其介質(zhì)工況復(fù)雜性需要密封有功能完善的系統(tǒng)支撐，通過上述PLAN54系統(tǒng)的配置及合理監(jiān)控不僅可以確保系統(tǒng)本身的可靠，而且可以以較低的成本最大保證密封的可靠、長周期運轉(zhuǎn)，為密封良好運轉(zhuǎn)提供最佳運行環(huán)境，同時也可為同類型工況設(shè)備密封的輔助系統(tǒng)選用提供設(shè)計參考。

［1］劉國輝，杜立建，張晏崧，等. 羰基合成反應(yīng)器攪拌器機械密封失效原因分析[J]. 煉油與化工，2016．

［2］顧永泉.機械密封使用技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001．

［3］顧永泉. 機械端面密封主要參數(shù)的計算（三）：性能參數(shù)（續(xù)）與計算示例[J]. 流體機械，1996（6）：27-32．

［4］美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API Std682：2004．

［5］釜用機械密封輔助裝置HG/T2122-2003．

［6］釜用機械密封技術(shù)條件HG/T2269-2003．

［7］釜用機械密封系列及主要參數(shù)HG/T2098-2001．

Study of the Reliability of Supporting System of Mechanical Seal for High-pressure Hydrogenation Reactor

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（Dalian Huayang Seals Co.,Ltd., Liaoning Dalian 116036，China）

According to the working conditions of high-pressure hydrogenation reactor, a new mechanical seal supporting system Plan 54 hasbeen presented. Compared with the conventional flushing plan system, the new supporting system is of more circulating flow, more stable, better cooling effect of mechanical seal; at the same time, the safety and teliability of mechanical seal supporting system has also been greatly improved, which can ensure the long-period safe operation of the mechanical seal. The paper can provide useful reference for upgrading mechanical seal supporting system of similar chemical plants.

hydrogenation reactor;mechanical seal;supporting system;upgrading

TQ 052

A

1004-0935（2017）04-0369-04

2016-3-22

魏文亮（1979-），男，蒙古族，工程師，碩士研究生，遼寧大連市人，2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械設(shè)計專業(yè)，研究方向：從事流體密封與系統(tǒng)研究、設(shè)計。