循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封泄漏壓力上升的原因分析

董 飚 高 俊 徐 磊

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

在中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)3.9 Mt/a渣油加氫裝置中，循環(huán)氫的作用是使反應(yīng)系統(tǒng)保持高的氫分壓，在催化劑床層之間加入足夠的急冷氫限制催化劑床層的溫升，把加氫反應(yīng)釋放出的熱量及時帶走，以控制催化劑床層的溫升，維持正常的氫油比。循環(huán)氫壓縮機(jī)K-1802是促使循環(huán)氫在系統(tǒng)中循環(huán)的最關(guān)鍵的動力設(shè)備，其運(yùn)行的可靠與否關(guān)系到裝置的正常運(yùn)行,而干氣密封又是循環(huán)氫壓縮機(jī)最重要的零部件之一。干氣密封的原理是在其中的一個密封環(huán)上設(shè)置均勻分布的淺槽，運(yùn)轉(zhuǎn)時進(jìn)入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環(huán)之間形成局部的高壓區(qū)，使密封面開啟，從而能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行。干氣密封并不是徹底密封，一點(diǎn)不漏，而是穩(wěn)定地控制其泄漏量，并將泄漏氣體進(jìn)行安全排放。泄漏的存在對干氣密封的可靠運(yùn)行也是有好處的，可以帶走摩擦副所產(chǎn)生的熱量。

1 干氣密封控制系統(tǒng)組成

根據(jù)沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的循環(huán)氫壓縮機(jī)(K-1802)的工況特點(diǎn)，選用了單向螺旋槽、帶中間迷宮的串聯(lián)干氣密封+軸承油隔離迷宮密封，該壓縮機(jī)設(shè)計參數(shù)見表1所示。同時，為了便于干氣密封本體的安裝，壓縮機(jī)和干氣密封設(shè)計時要求隔離密封部分的密封腔體直徑必須大于密封本體部分的密封腔體直徑,其結(jié)構(gòu)見圖1所示。

干氣密封控制系統(tǒng)是為保證干氣密封的正常良好運(yùn)行而設(shè)計的，其功能包括：(1)控制，為干氣密封提供干凈、干燥、壓力和流量穩(wěn)定的密封氣體和隔離氣；(2)監(jiān)測，監(jiān)測干氣密封是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，還要監(jiān)測控制系統(tǒng)本身的器件是否工作正常，當(dāng)系統(tǒng)的監(jiān)測儀表監(jiān)測出干氣密封和控制系統(tǒng)的器件有異常情況時，要進(jìn)行報警或聯(lián)鎖停機(jī)；(3)安全，主密封一旦突然失效，大量泄漏的工藝氣要及時、安全地予以排放。

表1 壓縮機(jī)K-1802設(shè)計參數(shù)

干氣密封控制系統(tǒng)的組成包括可分為以下3個部分。

(1)主密封氣系統(tǒng)。主密封氣有3個氣源：管網(wǎng)氮?dú)?壓力為1.6 MPa,用于壓縮機(jī)的氮?dú)夤r的運(yùn)行階段)、管網(wǎng)氫氣(壓力為2.4 MPa,用于壓縮機(jī)的氫氣工況的開機(jī)階段)、壓縮機(jī)出口氫氣(用于壓縮機(jī)的氫氣工況的開機(jī)或運(yùn)行階段)。壓縮機(jī)啟動后，隨著系統(tǒng)升壓，管網(wǎng)氫氣或氮?dú)鈱o法滿足壓縮機(jī)干氣密封的要求，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速上升后出口將達(dá)到一定的壓力，主密封氣將由管網(wǎng)氣體切換到壓縮機(jī)出口氣體。主密封氣系統(tǒng)的主要部件包括：除濕器、過濾器、增壓器、密封氣調(diào)節(jié)閥。

(2)隔離氣和二級密封氣系統(tǒng)。氣源都是管網(wǎng)氮?dú)?壓力為1.6 MPa)，氮?dú)膺M(jìn)入系統(tǒng)后首先進(jìn)行過濾(過濾精度為3 μm)，然后分別經(jīng)過調(diào)壓、孔板限流，進(jìn)入二級密封腔和隔離氣腔體，其中設(shè)有流量和壓力監(jiān)測。隔離密封供氣系統(tǒng)在主密封與軸承腔間形成一氣體屏障，防止軸承油進(jìn)入密封體隔離氣壓力是啟動潤滑油泵條件之一。

(3)泄漏氣系統(tǒng)。正常運(yùn)行時，從一級密封泄漏出的少量氫氣和大部分的二級密封氣被排入火炬。排入火炬之前，對泄漏氣體的壓力、流量進(jìn)行監(jiān)控，最后泄漏氣體經(jīng)單向閥排入火炬。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

2 驅(qū)動端干氣密封泄漏壓力上升分析

K-1802干氣密封于2014年4月更換，到2017年5月，雖然已經(jīng)使用了3年，但干氣密封依然工作良好，因此在2017年5月的停機(jī)中未更換。但是自2017年5月重新開機(jī)后，僅運(yùn)行3個月，就發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端干氣密封的泄漏壓力逐漸攀升，從50 kPa上升到115 kPa左右，但泄漏流量變化不大，具體見圖2～3所示。

K-1802干氣密封的泄漏流程如下：機(jī)身泄漏→取壓點(diǎn)→板流量計→單向閥→火炬。流量計變送器的閥體組件為5閥組件，包括上游的隔離閥、放火炬閥、下游的隔離閥、放火炬閥、上下游聯(lián)通閥，干氣密封泄漏監(jiān)測儀表流程見圖4所示。

圖2 驅(qū)動端干氣密封的泄漏壓力變化趨勢

圖3 驅(qū)動端干氣密封的泄漏流量變化趨勢

圖4 干氣密封泄漏監(jiān)測儀表流程

2.1 現(xiàn)場調(diào)整

驅(qū)動端干氣密封泄漏流量不大，但泄漏壓力高。為了判斷造成這一現(xiàn)象的原因，現(xiàn)場進(jìn)行了以下調(diào)整。

(1)逐步打開變送器上游的放火炬閥(圖4中閥門1)，泄漏流量壓差很快降到0，泄漏壓力最低降到52.9 kPa。也就是說，此時大多數(shù)泄漏氣直接放火炬了，沒有通過流量孔板，泄漏壓力應(yīng)該只比火炬管網(wǎng)壓力略高。

(2)逐步打開變送器下游的放火炬閥(圖4中閥門2)，泄漏壓力、泄漏流量的變化見表2所示。

表2 打開放火炬閥后泄漏壓力、泄漏流量變化情況

2.2 數(shù)據(jù)分析

在表2中，流量變送器顯示的流量包括干氣密封泄漏的氫氣和二級密封氣的氮?dú)饬髁浚S著閥門2的逐步開大，泄漏壓力逐步下降，總泄漏流量、二級密封氣流量都有上升，二者的差即氫氣的泄漏流量也在上升。但是閥門2全開后，泄漏壓力降至65.3 kPa后，總泄漏流量和氫氣的泄漏流量都低于泄漏流量的報警值(22 m3/h)。

2.3 壓降推算

在運(yùn)行狀態(tài)下，驅(qū)動端泄漏壓力為109.3 kPa，驅(qū)動端泄漏流量為10.47 m3/h(孔板流量變送器量程：差壓0～96.5 kPa,流量0～48.5 m3/h)。以孔板流量變送器的雙量程推算，驅(qū)動端泄漏孔板上下游的差壓值約為6.6 kPa，即：孔板上游壓力為109.3 kPa，孔板壓差為6.6 kPa，得出孔板下游壓力為102.7 kPa?；鹁婀芫W(wǎng)背壓正常在30 kPa左右，由此推算，單向閥的壓降達(dá)到72.7 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其35 kPa的設(shè)計開啟壓力。

通過以上的調(diào)整和分析可以看出：K-1802驅(qū)動端干氣密封干氣密封工作良好，沒有發(fā)生大的泄漏，是泄漏管線單向閥的壓降偏大，存在不暢通的問題，從而導(dǎo)致泄漏壓力上升。

3 處理措施與實施效果

3.1 處理方案

根據(jù)以上判斷，由于機(jī)組正在正常運(yùn)行中，關(guān)于是否對單向閥進(jìn)行拆卸、清洗，有以下兩個方案可供備選，而每個方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

方案1：拆卸單向閥，予以清洗，打開變送器上游的放火炬閥(圖4中的閥門1)，自壓縮機(jī)泄漏的循環(huán)氫氣可以直接放火炬。其優(yōu)點(diǎn)是能夠確認(rèn)單向閥是否真的有問題，如有問題則予以徹底解決，也就能確認(rèn)壓縮機(jī)干氣密封的工作狀況，使壓縮機(jī)處在正常的監(jiān)控下。其缺點(diǎn)是會有一部分循環(huán)氫氣會通過孔板從斷開的單向閥處泄漏到大氣中，同時火炬管網(wǎng)的可燃?xì)怏w也會在此處倒流，并泄漏到大氣中，如果風(fēng)向選擇不合適的話，會引起作業(yè)人員中毒，如果在作業(yè)過程中，工具與管線之間有磕碰，產(chǎn)生火星的，會引起著火事故。

方案2：維持運(yùn)行，不對單向閥進(jìn)行處理，打開變送器下游的放火炬閥(圖4中的閥門2)，使泄漏壓力降下來。其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場不做任何動作，雖然不再對泄漏壓力進(jìn)行監(jiān)控，但不影響泄漏流量的監(jiān)控，包括顯示、報警、聯(lián)鎖，也能夠監(jiān)測干氣密封的工作狀態(tài)。其缺點(diǎn)是泄漏壓力的顯示是不真實的，改變了壓縮機(jī)干氣密封泄漏的監(jiān)控手段；單向閥是否有問題也無法確認(rèn)，也就不能確認(rèn)壓縮機(jī)干氣密封的工作狀況。

3.2 采取的措施與效果

該機(jī)組為裝置的關(guān)鍵機(jī)組，干氣密封泄漏壓力、泄漏流量為二取二聯(lián)鎖。在方案2中，閥門2長期處于開啟狀態(tài)，隨著機(jī)組的運(yùn)行，泄漏壓力可能還會逐步上升。同時無法百分之百地保證問題肯定出在單向閥身上，無法保證干氣密封肯定工作良好。為了驗證分析判斷的準(zhǔn)確性，徹底消除壓縮機(jī)運(yùn)行中的隱患，保證壓縮機(jī)的良好運(yùn)行，因此決定選擇方案1。在風(fēng)向合適的時間，做好防止發(fā)生人員中毒的保護(hù)措施后，對單向閥進(jìn)行拆卸。單向閥的結(jié)構(gòu)見圖5所示，其工作方式是：左端插入管道中，夾在兩個法蘭之間，自由狀態(tài)下，閥芯在彈簧作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，左端壓力上升時，克服彈簧力，頂開閥芯，單向閥打開。

從拆下來的單向閥看，彈簧、閥座、閥芯有結(jié)焦，但不嚴(yán)重，法蘭面還有少量的液滴。據(jù)此推斷，造成單向閥壓降逐步上升的原因是：液滴和結(jié)焦的存在使閥芯、彈簧活動不靈活；單向閥發(fā)生偏移，閥芯與管壁有接觸，使閥芯有卡澀現(xiàn)象。

圖5 單向閥結(jié)構(gòu)示意

對單向閥進(jìn)行了清洗、檢查后，重新安裝，重要的是保證單向閥的安裝方向要準(zhǔn)確；還要保證單向閥與管子的同心度，否則會使閥芯與管壁接觸，發(fā)生卡澀。單向閥安裝完成后，投用泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，泄漏壓力穩(wěn)定在40～50 kPa，泄漏流量為16～18 m3/h(如圖2～3所示)。泄漏流量比清洗單向閥前有所上升，原因是泄漏壓力下降后，使得一級泄漏氣量和二級密封氣流量都會有所上升。

4 結(jié)論

(1)帶中間迷宮的串聯(lián)干氣密封是循環(huán)氫壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。干氣密封一級泄漏氣包括一級密封泄漏出的少量氫氣和大部分的二級密封氣。驅(qū)動端干氣密封的泄漏壓力逐漸上升，但泄漏流量變化不大。

(2)通過調(diào)整與流量計有關(guān)閥門的開度，分析流量、壓力的變化情況，推算單向閥的壓降，可以判斷是單向閥卡澀引起驅(qū)動端干氣密封泄漏壓力上升。

(3)由于機(jī)組正在正常運(yùn)行中，因此提出了是否對單向閥進(jìn)行拆卸、清洗的兩個方案，分析了優(yōu)缺點(diǎn)，最后決定對單向閥進(jìn)行拆卸、清洗，單向閥卡澀問題得到解決，干氣密封泄漏壓力也隨之恢復(fù)了正常。

(4)單向閥發(fā)生卡澀的原因是彈簧、閥座、閥芯有結(jié)焦和凝液，使閥芯、彈簧活動不靈活。