壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)分析及對(duì)策

甘 捷，朱治鵬，蔣安荔，張玉琳

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司， 湖北 武漢 430000)

1 引言

干氣密封系統(tǒng)是壓縮機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，而干氣密封是干氣密封系統(tǒng)的核心，它是防止壓縮機(jī)在高壓力高轉(zhuǎn)速下天然氣外漏的一種非接觸密封[1]。由于干氣密封不需要水、油等液體來潤(rùn)滑和冷卻，因此常被用作以氣體為工作介質(zhì)的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的軸密封裝置。在石油化工行業(yè)的氣體轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備中使用的軸密封包括迷宮密封、浮環(huán)密封、機(jī)械密封等，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、使用壽命和可靠性來看，干氣密封比這些密封都要好得多。

在天然氣長(zhǎng)輸管道上使用的壓縮機(jī)兩端軸承密封一般采用的是串聯(lián)式干氣密封，如在某站場(chǎng)的壓縮機(jī)是離心式壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)方式為電驅(qū)，機(jī)組型號(hào)為PCL503，壓縮機(jī)的軸封采用的是博格曼串聯(lián)式干氣密封，該站曾出現(xiàn)過2臺(tái)機(jī)組在充壓過程中，驅(qū)動(dòng)端的干氣密封一次放空壓力為零的異常問題，使用非檢修更換干氣密封的方法進(jìn)行處理，經(jīng)啟機(jī)測(cè)試后，一次放空壓力顯示正常。

2 干氣密封系統(tǒng)的組成

干氣密封系統(tǒng)往往是由增壓加熱撬、干氣密封過濾器、進(jìn)口差壓調(diào)節(jié)閥、一次放空流量計(jì)、一次放空壓力監(jiān)測(cè)儀表、背壓控制閥和各個(gè)管路組成，如圖1。干氣密封氣源一般從壓縮機(jī)出口匯管進(jìn)行取氣，經(jīng)過干氣密封增壓加熱撬增壓加熱，在自動(dòng)模式下，當(dāng)壓縮機(jī)出口匯管與進(jìn)口匯管壓差低于0.3 MPa，增壓加熱撬的增壓泵自動(dòng)投入運(yùn)行進(jìn)行增壓；當(dāng)壓縮機(jī)出口匯管與進(jìn)口匯管壓差高于0.5 MPa時(shí)，增壓泵停止工作。

圖1 干氣密封系統(tǒng)圖

干氣密封過濾器是對(duì)干氣密封氣源進(jìn)行過濾，氣體的流量對(duì)過濾器的過濾效果造成一定的影響，要求氣體的最大流量小于18 m3/h。當(dāng)流量太大時(shí)，容易造成過濾器密封圈損壞和濾芯的前后壓差過大，影響過濾效果。干氣密封過濾器濾芯精度要求是0.1 μm，保證能去除3 μm以上的顆粒雜質(zhì)，確保干氣密封系統(tǒng)的完好。

由于干氣密封氣源壓力比腔體壓力高很多，為了實(shí)現(xiàn)干氣密封與壓縮機(jī)腔體壓差始終維持在0.1 MPa，在干氣密封系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)安裝一個(gè)進(jìn)口差壓調(diào)節(jié)閥將壓差控制在0.1 MPa。同時(shí)，為了避免在腔體充壓過程中，調(diào)節(jié)閥前后壓差過大，往往還會(huì)在調(diào)節(jié)閥兩端增加一個(gè)帶有3.4 mm孔板的旁路管線，待壓差較小時(shí)，調(diào)節(jié)閥才開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保調(diào)節(jié)閥能穩(wěn)定工作。

在一些干氣密封系統(tǒng)中，也會(huì)使用到一次放空背壓控制閥，用來調(diào)節(jié)一次放空壓力和一次放空流量，維持一次放空壓力穩(wěn)定。當(dāng)一次放空壓力的背壓設(shè)置較高時(shí)，一次放空流量往往就會(huì)減小。如果干氣密封存在問題時(shí)，一次放空壓力就會(huì)出現(xiàn)較高或較低的現(xiàn)象，一次放空壓力和流量值常常會(huì)加入到機(jī)組連鎖停機(jī)的邏輯，當(dāng)干氣密封損壞時(shí)，一次放空壓力會(huì)出現(xiàn)高高報(bào)而連鎖停機(jī)，保護(hù)機(jī)組運(yùn)行安全。

3 干氣密封系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行原因分析

干氣密封系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)往往體現(xiàn)在干氣密封一次放空壓力低或壓力高等現(xiàn)象。對(duì)于這種情況，可以先從儀表工作狀態(tài)、背壓控制閥進(jìn)行排查，確定一次放空壓力的儀表顯示值、背壓控制閥設(shè)定值是否存在問題，之后再考慮干氣密封自身問題。干氣密封主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧座、彈簧和軸套組成，動(dòng)環(huán)端面開有螺旋槽，槽深度為2.5～10 μm[2]，動(dòng)靜環(huán)間必須要有潔凈的氣體，以保證在其端面形成一個(gè)穩(wěn)定的氣膜，氣膜厚度為2～3 μm[3-5]，使其密封端面完全分離[6]。為了排查干氣密封工作情況，可以對(duì)機(jī)組的驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端一次放空管線法蘭進(jìn)行拆卸，對(duì)比檢查干氣密封一級(jí)密封實(shí)際放空情況，如果放空量明顯異常，則可以確定是干氣密封存在問題，產(chǎn)生的原因往往可能是干氣密封的一級(jí)彈簧存在油漬，造成彈簧無法正常工作，使得動(dòng)靜密封環(huán)無法正常打開，導(dǎo)致一級(jí)密封放空壓力異常。同時(shí)，為了確定二級(jí)密封是否也存在問題，對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油泵停運(yùn)，關(guān)閉隔離氣后，拆卸二次放空管線法蘭，如果驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端的二次放空管線都沒有氣體逸出，則說明二級(jí)密封完好，如圖2。

圖2 干氣密封示意圖

在2020年9月，某壓縮機(jī)站場(chǎng)對(duì)備用機(jī)組準(zhǔn)備啟機(jī)操作，投入干氣密封氣源，在對(duì)腔體進(jìn)行充壓后，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空壓力始終顯示為0.01 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常值0.1 MPa，而非驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空壓力顯示正常值0.1 MPa，該臺(tái)機(jī)組停機(jī)時(shí)間已有1個(gè)多月，停機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空壓力顯示正常，之后對(duì)其進(jìn)行正常放空，期間，只是每周對(duì)機(jī)組進(jìn)行盤車操作。此次驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空壓力顯示異常的原因就有可能是干氣密封內(nèi)存在油漬，造成一級(jí)彈簧無法正常工作，從干氣密封進(jìn)油的可能性進(jìn)行分析，有以下可能性：

(1)機(jī)組在運(yùn)行過程中，腔體內(nèi)存在油污，已經(jīng)進(jìn)入到干氣密封內(nèi)，機(jī)組停機(jī)后，隨著腔體溫度變化，油污冷卻后，粘附在一級(jí)密封彈簧處，影響干氣密封動(dòng)靜環(huán)打開。

(2)機(jī)組處于冷備狀態(tài)，每周對(duì)其進(jìn)行盤車，盤車前都需要投入隔離氣，隔離氣的作用是防止機(jī)組的潤(rùn)滑油進(jìn)入到二級(jí)密封內(nèi)，因?yàn)楸P車時(shí)，機(jī)組已停機(jī)放空，一級(jí)密封這邊就沒有天然氣的正向氣壓，如果隔離氣自身存有油漬，隔離氣中的油就會(huì)通過二級(jí)密封慢慢地滲入到一級(jí)密封內(nèi)。

(3)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)入到干氣密封內(nèi)，當(dāng)潤(rùn)滑油泵在運(yùn)行時(shí)或油泵停運(yùn)回油過程中，如果此時(shí)關(guān)閉隔離氣供應(yīng)，潤(rùn)滑油也很容易進(jìn)入到干氣密封內(nèi)。

針對(duì)以上3種可能性，站場(chǎng)對(duì)機(jī)組腔體進(jìn)行排污，未發(fā)現(xiàn)污物；檢查該機(jī)組干氣密封濾芯，濾芯比較干凈，過濾器筒內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)油污的情況；也不存在潤(rùn)滑油泵在運(yùn)行，隔離氣關(guān)閉的情況。但對(duì)隔離氣過濾器檢查中，發(fā)現(xiàn)隔離氣濾芯底部存在較多油污，隔離氣中含油，使油污進(jìn)入干氣密封的可能性要大一些。

4 問題處理及防范措施

當(dāng)干氣密封一次放空壓力顯示異常時(shí)，常規(guī)處理方法是更換新的干氣密封，更換干氣密封完全是可以解決這類問題，但干氣密封價(jià)格較為昂貴，直接更換也會(huì)造成企業(yè)維修成本增加。針對(duì)干氣密封內(nèi)油漬干結(jié)影響一級(jí)彈簧正常工作，導(dǎo)致一次放空壓力異常的情況，可以嘗試采用熱傳導(dǎo)的方式使油漬從一級(jí)彈簧處滴落下來，這樣一級(jí)彈簧就能恢復(fù)正常工作。由于干氣密封安裝在壓縮機(jī)軸承處，只能通過投用干氣密封增壓撬的加熱器，對(duì)干氣密封氣源加熱，用氣體傳導(dǎo)熱量的方式使油漬溫度升高，如果投入干氣密封氣源時(shí)壓縮機(jī)腔體不帶壓，由于進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥前后壓差較大，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)模式下會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)，靠旁路管線的孔板進(jìn)氣，由于孔板節(jié)流效應(yīng)，進(jìn)入干氣密封的氣體溫度會(huì)下降很多，就起不到真正熱傳導(dǎo)作用。

對(duì)此，投入干氣密封氣源后，需要對(duì)腔體進(jìn)行充壓，干氣密封增壓撬加熱器也要一直處于投用狀態(tài)，待腔體充壓完成后，對(duì)差壓調(diào)節(jié)閥的閥門開度在手動(dòng)模式下調(diào)整到30%～40%的開度，保證進(jìn)入到干氣密封內(nèi)的氣源溫度較高，期間，也會(huì)進(jìn)行盤車操作。經(jīng)觀察兩日，該機(jī)組的驅(qū)動(dòng)端干氣密封一次放空壓力緩慢恢復(fù)正常值0.10 MPa，上漲趨勢(shì)較為平緩，如圖3。之后，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行啟機(jī)測(cè)試，機(jī)組在運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)端的干氣密封一次放空壓力一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，維持在0.10 MPa，一次放空流量也顯示正常。

為了避免干氣密封內(nèi)存在油漬，影響干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行，在日常維護(hù)中要做好以下防范措施：

(1)在冬季氣溫較低，投入干氣密封外部氣源前，先啟用干氣密封增壓撬加熱器，腔體充壓完畢后，需要關(guān)注調(diào)節(jié)閥的閥門開度，保證溫度較高的氣源進(jìn)入到干氣密封內(nèi)，避免干氣密封內(nèi)出現(xiàn)冷凝油或水的情況。在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的一些干氣密封系統(tǒng)中，也是把增壓撬的加熱器溫度與干氣密封氣源進(jìn)口閥門邏輯連鎖，當(dāng)增壓撬的加熱器溫度高于某個(gè)設(shè)定值后，才能開啟閥門投入干氣密封氣源。

(2)停用潤(rùn)滑油系統(tǒng)的潤(rùn)滑油泵后，短時(shí)間內(nèi)不能停用該機(jī)組的油霧分離器和隔離氣，要觀察回油視窗，確認(rèn)回油完畢后，再停用油霧分離器和隔離氣。

(3)對(duì)于隔離氣存在油漬的情況，如果隔離氣的除油過濾裝置不達(dá)標(biāo)，會(huì)造成隔離氣帶有油漬，對(duì)隔離氣過濾器除油效果進(jìn)行評(píng)估，選取除油效果更好的過濾裝置。

(4)定期更換干氣密封過濾器濾芯，當(dāng)過濾器濾芯差壓較高時(shí)要及時(shí)進(jìn)行更換，同時(shí)，機(jī)組每次停機(jī)后，都要對(duì)腔體進(jìn)行一次排污操作。

(5)干氣密封要定期進(jìn)行拆檢維護(hù)，對(duì)干氣密封內(nèi)的密封圈、彈簧易損件進(jìn)行更換，對(duì)氣道進(jìn)行清理，維護(hù)周期一般是5年。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)壓縮機(jī)干氣密封一次放空壓力顯示異常的問題，從干氣密封的使用情況和工作介質(zhì)環(huán)境進(jìn)行考慮，對(duì)異常問題進(jìn)行排查，可能是一級(jí)密封彈簧無法正常工作，導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)不能正常打開引起。

(2)建議可以嘗試在腔體保壓的狀態(tài)下，投用增壓撬加熱器，通過盤車、調(diào)整進(jìn)氣控制閥開度的方式進(jìn)行處理，這也是嘗試處理此類問題的一種參考方法。