乙烯裝置壓縮機(jī)組干氣密封系統(tǒng)應(yīng)用淺析

張江平 沈順弟

（上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海201507）

上海賽科石油化工有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱上海賽科）烯烴裝置，2005年原設(shè)計(jì)乙烯生產(chǎn)能力為 950 kt／a，2009年改擴(kuò)建后提升為1 190 kt／a，改擴(kuò)建項(xiàng)目中包括了裂解氣壓縮機(jī)11C2000M及蒸汽透平11CST2101M的增量改造，新增二元制冷壓縮機(jī)組11C3401N。2014年又在裂解氣壓縮機(jī)前增加了11C1901N裂解氣增壓機(jī)系統(tǒng)。

目前乙烯裝置共有7臺(tái)壓縮機(jī)組（共10缸）裝備了John Crane干氣密封系統(tǒng)（計(jì)20套），其中11C2000M和11C1901N的密封氣目前為甲烷冷媒壓縮機(jī)提供的甲烷氣（原設(shè)計(jì)為乙烯），其余壓縮機(jī)組采用自身循環(huán)密封氣。

1 干氣密封應(yīng)用原理

干氣密封系統(tǒng)由集裝式干氣密封（包括隔離氣密封）和現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)系統(tǒng)組成［1］。

利用流體動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)在密封端面上開(kāi)設(shè)動(dòng)壓螺旋槽而實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)行。由于具備使用壽命長(zhǎng)、功率消耗低、不會(huì)產(chǎn)生油氣污染、工藝氣體泄漏少等特點(diǎn)，干氣密封技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類高速運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。

壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封氣由外徑朝中心被吸入動(dòng)壓槽內(nèi)，徑向分量朝密封壩流動(dòng)。密封壩產(chǎn)生流動(dòng)阻力，節(jié)流作用使得進(jìn)入密封面的氣體被壓縮。氣體的壓力升高，使密封面被脫離接觸，流動(dòng)的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜。槽型有雙向和單向兩種，單向槽型密封在遭遇機(jī)器反轉(zhuǎn)時(shí)極易損壞。典型干氣密封的原理和結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 典型干氣密封的原理和結(jié)構(gòu)示意

如圖1所示，一次密封氣壓力高于機(jī)體內(nèi)工藝氣體取樣點(diǎn)的壓力，以保證工藝氣體不會(huì)向外泄露。緩沖氣（或二次密封氣）和隔離氣為N2，一次密封泄漏的密封氣和緩沖氣通過(guò)一次密封排氣口排到干火炬系統(tǒng)。隔離氣和隔離氣密封，用于防止?jié)櫥颓秩敫蓺饷芊狻?/p>

干氣密封控制系統(tǒng)以壓差控制方式供給密封氣，也有其他壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用密封氣供給流量控制的方式。

2 干氣密封系統(tǒng)故障

長(zhǎng)期以來(lái)，上海賽科乙烯裝置干氣密封系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)多種故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車(chē)。在此通過(guò)多個(gè)典型案例進(jìn)行說(shuō)明和剖析。

2.1 低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)一次密封排氣流量高高，裂解氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖停車(chē)

2005年3月18日，上海賽科乙烯裝置正式開(kāi)始試運(yùn)行，裂解氣壓縮機(jī)組首次實(shí)氣開(kāi)車(chē)。3月19日，低壓缸（以下簡(jiǎn)稱LP）驅(qū)動(dòng)端氣密封一次密封排氣流量11FIT22076高高，壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車(chē)。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，LP密封的一次和二次密封排氣口有大量石墨粉，確認(rèn)石墨密封面嚴(yán)重磨損，見(jiàn)圖2。運(yùn)行參數(shù)表明，11FIT22076流量先異常波動(dòng)，然后流量為零，最后突然高流量，觸發(fā)高高報(bào)警（HH）聯(lián)鎖（18.2 m3／h）。

圖2 密封排氣口石墨粉

為此進(jìn)行專題討論和分析，認(rèn)為L(zhǎng)P驅(qū)動(dòng)端干氣密封的第二級(jí)密封已經(jīng)損壞失效，但是第一級(jí)密封基本正常。密封損壞的原因可能有：密封氣中的顆粒垃圾會(huì)損壞密封面；由于管線伴熱不良后密封氣供給管線溫度偏低，外表面結(jié)露），密封氣中夾帶液相，破壞氣膜造成密封面摩擦；壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，密封氣壓力偏低，可能形成反壓。

串聯(lián)式干氣密封可看作兩套干氣密封，按照相同的方向首尾相連而構(gòu)成。當(dāng)?shù)谝患?jí)密封失效時(shí)，第二級(jí)密封可以起到輔助安全密封的作用，工藝介質(zhì)向大氣泄漏的量不大。而在第二級(jí)密封失效的情況下，如果第一級(jí)密封再失效，正常泄漏的裂解氣和密封氣（乙烯）會(huì)排放到二次密封排氣口（現(xiàn)場(chǎng)高空排放），可能引起嚴(yán)重安全事故。

如果要更換新的干氣密封，至少需要2～3周，對(duì)上海賽科的整體影響巨大。經(jīng)過(guò)對(duì)壓縮機(jī)干氣密封原理進(jìn)行研究與分析，認(rèn)為第二級(jí)失效后，如果對(duì)干氣密封運(yùn)行情況進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，使第一級(jí)密封的泄漏量仍在監(jiān)視之中，保證第一級(jí)密封失效時(shí)能馬上監(jiān)視到，該干氣密封仍可以維持運(yùn)行。3月20日，壓縮機(jī)重新開(kāi)車(chē)，恢復(fù)乙烯裝置試運(yùn)行。

為了確保機(jī)組安全運(yùn)行，鑒于LP驅(qū)動(dòng)端的干氣密封存在故障狀態(tài)，制定下述特別措施：

（1）每12 h測(cè)量LP驅(qū)動(dòng)端的第2次密封放空管線外表溫度，并與中壓缸（MP）的溫度數(shù)據(jù)及該管線歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（正常情況下溫度值相差不大）。

（2）每12 h對(duì)低壓缸的干氣密封2次密封放空氣體進(jìn)行測(cè)爆，監(jiān)測(cè)放空氣體內(nèi)可燃性氣體含量；對(duì)裂解氣壓縮機(jī)周?chē)h(huán)境進(jìn)行一次測(cè)爆。

（3）1次密封排氣每班現(xiàn)場(chǎng)采樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行乙烯含量分析。

（4）在隔離氣流量不變的情況下將LP驅(qū)動(dòng)端的緩沖氣流量從10 m3／h增加到15 m3／h。

在一系列特別監(jiān)護(hù)措施下，伴隨著LP干氣密封這種缺陷狀態(tài)，裂解氣壓縮機(jī)一直維持運(yùn)轉(zhuǎn)，直到2009年的計(jì)劃大檢修。

2.2 MP驅(qū)動(dòng)側(cè)一次密封排氣流量高高，裂解氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖停車(chē)

2009年9月29日上午9∶34裂解氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖跳車(chē)，ITCC記錄為MP次密封排氣流量HH高高報(bào)。分析討論情況如下。

（1）LP、MP壓缸的多個(gè)密封氣流量在聯(lián)鎖停車(chē)前已出現(xiàn)高報(bào)警，其中MP的流量出現(xiàn)高高聯(lián)鎖。

（2）壓縮機(jī)密封氣系統(tǒng)的乙烯密封氣及火炬管線壓力沒(méi)有明顯的波動(dòng)。

（3）2009年裂解氣壓縮機(jī)組改擴(kuò)建中，二次密封緩沖氣N2的壓力自調(diào)閥進(jìn)行了更新。

（4）緩沖氣自調(diào)閥閥后壓力值為488 kPa，高于正常設(shè)定值340 kPa。

現(xiàn)場(chǎng)檢查：在聯(lián)鎖解除的情況下，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)整緩沖氣N2自調(diào)閥的開(kāi)度來(lái)確認(rèn)密封氣排放流量的波動(dòng)情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)順針向轉(zhuǎn)動(dòng)自調(diào)閥兩圈半，N2壓力和緩沖氣流量無(wú)明顯變化。

最后分析認(rèn)為，造成壓縮機(jī)停車(chē)的主要原因是緩沖氣N2自調(diào)閥的失效。隨后，采取了更換該自調(diào)閥的措施。

3 干氣密封控制系統(tǒng)

3.1 MP密封緩沖氣N2轉(zhuǎn)子流量計(jì)故障，導(dǎo)致次密封排氣量異常

2017年5月25日4∶30起，MP驅(qū)動(dòng)端一次密封排氣流量異常11FIT22080A／B／C，從正常的10 m3／h逐漸下降到最低 4.3 m3／h。

MP的緩沖氣由LP的隔離氣過(guò)濾器后供給，通過(guò)自調(diào)閥控制壓力340 kPa，然后由針型閥控制緩沖氣給流量，設(shè)計(jì)流量為10 m3／h。轉(zhuǎn)子流量計(jì)11FG22232只有現(xiàn)場(chǎng)指示功能，流量計(jì)沒(méi)有旁路（見(jiàn)圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)子流量計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，緩沖氣N2進(jìn)氣的轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。反復(fù)調(diào)整針型閥開(kāi)度，緩沖氣流量11FG22232指示與1次密封排氣流量11FIT22080A／B／C指示同步發(fā)生變化。在幾次針型閥調(diào)整穩(wěn)定后，這兩個(gè)流量值在2～3 h后又快速下跌到異常低值。初步判斷為緩沖氣進(jìn)氣管路堵塞所致。

在進(jìn)一步檢查時(shí)，輕輕敲擊轉(zhuǎn)子流量計(jì)，發(fā)現(xiàn)緩沖氣流量恢復(fù)正常值。配合其他檢查，判斷為轉(zhuǎn)子流量計(jì)故障，通過(guò)流量計(jì)時(shí)的節(jié)流導(dǎo)致進(jìn)氣流量減少。緩沖氣流量減少，會(huì)降低二次密封面中N2的流速，影響二次密封的正常工作。

（1）由于11FG22232流量計(jì)沒(méi)有旁路管線，在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間無(wú)法進(jìn)行檢驗(yàn)或更換，計(jì)劃到2018年大修時(shí)安排更換，并對(duì)同類儀表安排檢查。

（2）臨時(shí)措施：外操對(duì)MP非驅(qū)端的N2轉(zhuǎn)子流量計(jì)（11FG22233）每6 h現(xiàn)場(chǎng)抄表，報(bào)內(nèi)操記錄；內(nèi)操關(guān)注一次密封排氣流量11FI22079趨勢(shì)變化。

3.2 丙烯壓縮機(jī)密封緩沖氣壓力自調(diào)閥故障，導(dǎo)致一次密封排氣量異常

2008年11月30日13：48，在裝置重新開(kāi)車(chē)時(shí)，發(fā)現(xiàn)丙烯壓縮機(jī)兩端干氣密封的一次排氣量異常上升，其中最大排氣量11FI37073指示達(dá)到24.8 m3／h。設(shè)計(jì)高報(bào) H為 23.6 m3／h，高高聯(lián)鎖HH為 27.4 m3／h。

此時(shí)的1次密封排氣量已經(jīng)超過(guò)高報(bào)值，如果達(dá)到高高值，壓縮機(jī)將聯(lián)鎖停車(chē)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，緩沖氣壓力自調(diào)閥鎖緊螺母松動(dòng)，引起緩沖氣N2流量遠(yuǎn)超過(guò)正常的20 m3／h，干氣密封現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)自調(diào)閥見(jiàn)圖4。

圖4 緩沖氣自調(diào)閥

4 干氣密封管線系統(tǒng)

4.1 裂解氣壓縮機(jī)首次空氣開(kāi)車(chē)，干氣密封損壞

上海賽科乙烯裝置安裝完成后，于2004年10月6日首次空氣開(kāi)車(chē)［2］，此后壓縮機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)，為裝置系統(tǒng)吹掃服務(wù)。22∶48發(fā)現(xiàn)MP驅(qū)動(dòng)端的一次密封排氣無(wú)流量，后來(lái)LP非驅(qū)動(dòng)端也指示為零。

壓縮機(jī)吹掃結(jié)束停車(chē)后，馬上進(jìn)行簡(jiǎn)單檢查，打開(kāi)壓縮機(jī)本體MP驅(qū)動(dòng)端和LP非驅(qū)動(dòng)端的一次和二次密封排氣口，發(fā)現(xiàn)大量石墨粉。由此判斷干氣密封已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞。干氣密封拆卸和拆解表明，MP驅(qū)動(dòng)端和LP非驅(qū)動(dòng)端的干氣密封已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，其他密封也受到一定程度的污染損壞（見(jiàn)圖5）。所有干氣密封返回日本工廠修復(fù)后重新安裝。

圖5 干氣密封嚴(yán)重?fù)p壞

干氣密封損壞后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查。發(fā)現(xiàn)主要原因是密封氣、隔離氣管線大量垃圾，過(guò)濾器濾芯破裂后固體垃圾進(jìn)入干氣密封，導(dǎo)致密封嚴(yán)重磨損所致［3］。圖6為密封氣過(guò)濾器檢查情況。

圖6 干氣密封過(guò)濾器濾芯

4.2 二元制冷壓縮機(jī)安裝時(shí)，干氣密封管線有殘液

2009年 6月，新增二元制冷壓縮機(jī)組11C3401N安裝結(jié)束，對(duì)干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)異常。

拆開(kāi)密封氣、緩沖氣、過(guò)濾器管線、干氣密封接口后發(fā)現(xiàn)水和鐵銹（見(jiàn)圖7）。為了確保壓縮機(jī)開(kāi)車(chē)安全，重新更換了全部4個(gè)干氣密封。經(jīng)分析，其可能原因?yàn)椋?］：

（1）密封安裝前，密封腔內(nèi)沒(méi)有清理干凈；

（2）干氣密封與控制盤(pán)之間的不銹鋼預(yù)制管線，在酸洗后沒(méi)有處理干凈，殘留液體進(jìn)入密封。

圖7 干氣密封過(guò)濾器

5 干氣密封應(yīng)用中其他重要注意事項(xiàng)

5.1 新建裝置和新機(jī)組

（1）壓縮機(jī)周?chē)芫€和密封控制盤(pán)內(nèi)的管線，由供應(yīng)商提供。這些管線一般是經(jīng)過(guò)良好處理并密封防護(hù)的，安裝時(shí)要注意外界的污染，包括墊片質(zhì)量和安裝狀態(tài)，防止垃圾進(jìn)入密封。

（2）干氣密封與控制盤(pán)之間的管線，一般為施工單位現(xiàn)場(chǎng)配管。密封氣供給管線配管時(shí)要有低點(diǎn)排放導(dǎo)淋，以便檢查密封氣的狀態(tài)。不銹鋼管線酸洗后必須排干凈積液達(dá)到干燥狀態(tài)。密封氣管線應(yīng)該配備有效的伴熱方式以免液相積聚。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液體會(huì)使密封面接觸并發(fā)熱，而且液體的突然侵入，容易使密封座受熱沖擊而開(kāi)裂。

（3）干氣密封控制盤(pán)上游管線，包括裝置內(nèi)和界區(qū)外公用工程N(yùn)2管線。因此投用前，在控制盤(pán)接入法蘭處脫開(kāi)，充分吹掃，避免外界垃圾進(jìn)入系統(tǒng)。

5.2 機(jī)組大修

（1）大修前，備用密封需要經(jīng)過(guò)檢查保養(yǎng)。

（2）干氣密封進(jìn)氣管線，必須經(jīng)過(guò)清洗吹掃。

（3）大修中，干氣密封控制盤(pán)內(nèi)的流量計(jì)、壓力控制閥等儀表需要校驗(yàn)或更換。

（4）試車(chē)前，通過(guò)密封監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)密封進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。

（5）大修后開(kāi)車(chē)階段，N2、密封氣壓力可能不穩(wěn)定，要密切關(guān)注，保證供給。壓差控制方式下，密封氣壓力要高于工藝氣體0.03 MPa；流量控制方式下，在迷宮最大間隙處，密封氣流速不低于3m／s。

5.3 機(jī)組停開(kāi)車(chē)

（1）壓縮機(jī)組投入氣體前，必須首先投入一級(jí)密封氣，以防機(jī)內(nèi)氣體污染一級(jí)密封端面；當(dāng)壓縮機(jī)停運(yùn)時(shí)，機(jī)內(nèi)氣體排凈之后才允許關(guān)閉一級(jí)密封進(jìn)氣。

（2）壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低速不利于干氣密封的運(yùn)行，因此要注意盤(pán)車(chē)時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。裝置實(shí)際運(yùn)行中，可能會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間待命啟動(dòng)。要充分注意密封和氣體的干凈度，在盤(pán)車(chē)階段任何顆粒垃圾將會(huì)加速損壞密封面。

（3）壓縮機(jī)開(kāi)車(chē)成功穩(wěn)定后，要檢查密封氣等旁路閥門(mén)是否及時(shí)關(guān)閉。

（4）由于系統(tǒng)波動(dòng)，管線內(nèi)積存垃圾可能會(huì)進(jìn)入控制盤(pán)，開(kāi)車(chē)過(guò)程中要嚴(yán)密監(jiān)視過(guò)濾器壓差，及時(shí)更換（可能很頻繁），防止濾芯破碎。

5.4 運(yùn)行中的檢查

（1）裂解氣中含水及各種液相（洗油等），雜質(zhì)多，如果侵入則極易污染干氣密封，因此要嚴(yán)防裂解氣壓縮機(jī)的密封氣形成反壓，特別是在開(kāi)車(chē)階段。

（2）定期檢查密封排氣管線導(dǎo)淋，是否有潤(rùn)滑油侵入。

（3）認(rèn)真對(duì)待每個(gè)參數(shù)的報(bào)警和異常趨勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行細(xì)致檢查。

6 結(jié)語(yǔ)

干氣密封系統(tǒng)作為壓縮機(jī)組的重要部件，價(jià)格昂貴，檢修周期很長(zhǎng)（需要裝置停車(chē)，整個(gè)系統(tǒng)處理合格）。干氣密封的運(yùn)行狀態(tài)，直接影響壓縮機(jī)組和乙烯裝置的安全、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。乙烯裝置中，裂解氣壓縮機(jī)由于工藝側(cè)組分復(fù)雜、雜質(zhì)多，而且外供密封氣管線長(zhǎng)，又先于其他機(jī)組開(kāi)車(chē)，干氣密封系統(tǒng)故障較易發(fā)生。

文章簡(jiǎn)要說(shuō)明了干氣密封系統(tǒng)的原理和控制，并通過(guò)歷年來(lái)賽科乙烯裝置壓縮機(jī)組干氣密封應(yīng)用中的多個(gè)典型案例，總結(jié)了部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用建議，并覆蓋了從密封、管線、過(guò)濾器到控制系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)，從新建裝置、新機(jī)組投用、大修、開(kāi)車(chē)到日常運(yùn)行的各個(gè)階段，對(duì)今后的壓縮機(jī)組干氣密封的運(yùn)行和維護(hù)具有較強(qiáng)的借鑒意義。