加氫改質(zhì)裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)組干氣密封系統(tǒng)改造與應(yīng)用研究

楊亮 楚學(xué)永 寇蕊娜 唐海光 唐?。ㄇ嗪Ｓ吞锕靖駹柲緹捰蛷S）

在加氫裝置中，循環(huán)氫的作用是保持反應(yīng)系統(tǒng)氫分壓、帶走反應(yīng)熱以及控制反應(yīng)床層溫度，從而保證加氫反應(yīng)的順利進(jìn)行。加氫裝置的循環(huán)動(dòng)力由壓縮機(jī)提供，因此循環(huán)氫壓縮機(jī)是加氫裝置中關(guān)鍵的動(dòng)力設(shè)備，它的運(yùn)行可靠與否直接關(guān)系到加氫裝置能否保持正常運(yùn)行[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某煉油廠加氫改質(zhì)裝置在2018年之前，因干氣密封系統(tǒng)帶液失效造成循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車和裝置非計(jì)劃停工總計(jì)3次，通過(guò)對(duì)干氣密封系統(tǒng)的帶液原因進(jìn)行分析，對(duì)一級(jí)密封氣氣源的選用進(jìn)行探討，并通過(guò)系統(tǒng)流程改造徹底解決了主密封氣帶液的問(wèn)題，保證了壓縮機(jī)組和裝置的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 工作原理

某煉油廠加氫改質(zhì)裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的軸端密封采用串級(jí)干氣密封，因?yàn)榇?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(dòng)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(jiǎn)單，泄漏量小、壽命長(zhǎng)、運(yùn)維費(fèi)用低，更適應(yīng)裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的需要[2]。

循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中：A為一級(jí)密封的進(jìn)氣口，氣體的主要成分為介質(zhì)氣，進(jìn)氣流量≥87.3m3/h(標(biāo)況)，進(jìn)氣溫度≥64.6℃；B為二級(jí)密封的進(jìn)氣口，氣體的主要成分為氮?dú)?，進(jìn)氣流量≥2m3/h(標(biāo)況)，進(jìn)氣溫度≥20℃；C為隔離氣進(jìn)氣口，氣體主要成分為氮?dú)?，進(jìn)氣流量≥39.42m3/h(標(biāo)況)，進(jìn)氣溫度≥20℃；D為一級(jí)密封的泄漏口，泄漏壓力≥0.1MPa；E為隔離氣和二級(jí)密封放空口。

圖1 循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)

串級(jí)密封的工作原理：一級(jí)和二級(jí)密封的原理相同，動(dòng)環(huán)固定在旋轉(zhuǎn)軸上，靜環(huán)與殼體一起固定，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)環(huán)隨著轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，密封氣沿著動(dòng)壓槽由外向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因動(dòng)壓槽密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入動(dòng)壓槽內(nèi)的氣體被壓縮[3]，氣體壓力升高，在該壓力的作用下，靜環(huán)密封端面被推開(kāi)，流動(dòng)的氣體使動(dòng)靜環(huán)之間形成一層很薄的氣膜，在離心力的作用下，隨著動(dòng)環(huán)與靜環(huán)斷面的間隙增大，端面間氣壓降低，間隙低至原來(lái)狀況時(shí)，密封氣體經(jīng)動(dòng)壓槽密封堰節(jié)流后，密封端面壓力再次升高，從而形成新的氣膜，進(jìn)而對(duì)機(jī)體外泄的工藝介質(zhì)起到良好的密封作用[4-5]。動(dòng)環(huán)密封面動(dòng)壓槽簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)環(huán)密封面動(dòng)壓槽簡(jiǎn)圖

因此，為了保證循環(huán)氫壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且在轉(zhuǎn)子與定子之間存在間隙的情況下，干氣密封的作用就顯得尤為重要，穩(wěn)定的干氣密封系統(tǒng)就是循環(huán)氫壓縮機(jī)正常運(yùn)行的良好保障。

2 干氣密封系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 存在的問(wèn)題

該廠加氫改質(zhì)裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)因干氣密封失效造成機(jī)組聯(lián)鎖停車和裝置非計(jì)劃停工后，在拆除干氣密封的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，干氣密封外側(cè)的金屬表面存在黑色的油性物質(zhì)，一級(jí)密封進(jìn)氣過(guò)濾器濾筒內(nèi)可以看見(jiàn)明顯的液滴，高、低壓缸密封泄漏排火炬流量計(jì)后單向閥內(nèi)有蠟油與碳石墨凝結(jié)物，拆除高、低壓缸一級(jí)密封進(jìn)氣管線法蘭，均有固液混合物流出，拆檢干氣密封組件發(fā)現(xiàn)一級(jí)密封動(dòng)環(huán)碎裂成多塊，動(dòng)環(huán)外側(cè)有明顯發(fā)藍(lán)高溫?zé)片F(xiàn)象?？梢钥闯?，干氣密封系統(tǒng)一級(jí)密封氣（壓縮機(jī)出口的工藝氣）帶液較多，一級(jí)密封氣帶液進(jìn)入到一級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)面，使兩個(gè)面之間微小的氣膜間隙受到破壞[6]，液體黏附到動(dòng)、靜環(huán)面上，摩擦產(chǎn)生熱量，由于動(dòng)、靜環(huán)材料不同，最終導(dǎo)致動(dòng)環(huán)面炸裂，干氣密封失效，干氣密封低壓端一級(jí)動(dòng)環(huán)碎裂圖見(jiàn)圖3、一級(jí)靜環(huán)磨損圖見(jiàn)圖4。

圖3 干氣密封低壓端一級(jí)動(dòng)環(huán)碎裂圖

圖4 一級(jí)靜環(huán)磨損圖

2.2 原因分析

循環(huán)氫壓縮機(jī)的工藝流程如圖5所示。從圖5可以看出，循環(huán)氫壓縮機(jī)的壓縮介質(zhì)來(lái)自D102和D104，在加氫裝置中，D102是高壓分離罐，用于氣液分離，D104是循環(huán)氫壓縮機(jī)的入口分液罐，用于脫去介質(zhì)氣中所帶的液體，而造成干氣密封失效的主要原因就是工藝氣中帶液，因此可以得出，壓縮機(jī)入口分離罐和分液罐的氣液分離效果不徹底。通過(guò)觀察循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐D(zhuǎn)104發(fā)現(xiàn)，其液位在一周時(shí)間內(nèi)上升10%左右，可以斷定，高壓分離器D102頂部復(fù)合層脫液器分液效果不佳，在頂部將反應(yīng)產(chǎn)物中液相組分混著循環(huán)氫帶入壓縮機(jī)入口分液罐D(zhuǎn)104和循環(huán)氫壓縮機(jī)K102，并隨著壓縮機(jī)出口的工藝氣帶到干氣密封系統(tǒng)內(nèi)。

圖5 循環(huán)氫壓縮機(jī)工藝流程

此外，一級(jí)密封氣氣體溫度未滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)要求一級(jí)密封氣進(jìn)入干氣密封控制盤前的溫度應(yīng)在69.6℃以上，干氣密封過(guò)濾器處的溫度應(yīng)在66.6℃以上，進(jìn)入密封腔的溫度在64.6℃以上，雖然一級(jí)密封氣管線加有保溫和電伴熱，但從干氣密封過(guò)濾器處的溫度歷史趨勢(shì)來(lái)看，溫度基本上在55℃左右，明顯低于設(shè)計(jì)要求，從而使密封氣中的凝液低于露點(diǎn)溫度析出。

一級(jí)密封過(guò)濾器的濾芯只起到了除3μm以上的固體雜質(zhì)的作用，濾芯及過(guò)濾器容積只考慮少量液滴，未考慮到工藝氣會(huì)存在較多液體的現(xiàn)象，過(guò)濾效果不佳。工藝氣中未過(guò)濾掉的油液組分，帶到干氣密封系統(tǒng)內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成干氣密封系統(tǒng)失效[7-8]。

3 采取的應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)工藝氣帶液嚴(yán)重的問(wèn)題，該廠先后采取了以下一系列措施：

1）增加循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐和一級(jí)密封過(guò)濾器的脫液次數(shù)。

2）每?jī)芍軝z查1次一級(jí)密封過(guò)濾器的濾芯，若使用情況良好，則可以延長(zhǎng)使用周期，若濾芯帶液污染嚴(yán)重，則及時(shí)更換濾芯。

3）改中壓蒸汽作為一級(jí)密封氣的伴熱并對(duì)一級(jí)密封過(guò)濾器后的管線增加保溫，以提高一級(jí)密封氣的進(jìn)氣溫度，確保密封氣的溫度在其露點(diǎn)以上，避免凝液析出。

4）大檢修期間，更換高壓分離器D102破沫網(wǎng)以達(dá)到更好的氣液分離的目的。

5）優(yōu)化操作，生產(chǎn)過(guò)程中盡量保證壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，避免系統(tǒng)壓力和溫度大幅波動(dòng)，以保證干氣密封氣膜的穩(wěn)定。

以上措施施行后干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行有所改善，但沒(méi)有完全解決一級(jí)密封氣帶液的問(wèn)題，之后在檢查更換一級(jí)密封過(guò)濾器濾芯時(shí)仍發(fā)現(xiàn)濾芯上有蠟油、柴油、水等液體。

4 干氣密封系統(tǒng)的改造

4.1 一級(jí)密封氣氣源的選用

循環(huán)氫壓縮機(jī)采取以上措施后仍未能解決一級(jí)密封氣帶液的問(wèn)題，那么尋找一個(gè)新的密封氣氣源可成為解決該問(wèn)題的有效辦法，選用新的一級(jí)密封氣氣源需滿足以下要求：

1）干氣密封元件加工精度高，要求密封氣體是清潔干燥的，最大顆粒尺寸不超過(guò)3μm，也要防止密封面上液體來(lái)破壞動(dòng)靜環(huán)之間的氣膜剛度，造成動(dòng)靜環(huán)損壞[9]。

2）氣體的溫度必須滿足要求，因?yàn)闅怏w的溫度會(huì)影響干氣密封的氣膜剛度，在不同溫度下，氣體的黏度是不一樣的，溫度越高、黏度越大、氣膜剛度越大[10]。

3）氣源的壓力流量必須滿足要求，這樣才能阻塞住密封腔內(nèi)的介質(zhì)氣，達(dá)到密封的目的。

4）密封氣源進(jìn)入壓縮機(jī)腔體后對(duì)機(jī)內(nèi)介質(zhì)沒(méi)有污染。

綜上所述，在加氫裝置內(nèi)能滿足以上條件只有新氫壓縮機(jī)出口的氫氣，新氫壓縮機(jī)的氫氣來(lái)自于PSA提氫裝置，PSA原料氣經(jīng)吸附塔吸附劑提純后，除去了所帶液體和雜質(zhì)，最終從吸附塔頂?shù)玫郊兌葹?9.9%以上的干燥氫氣，經(jīng)新氫壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮后再與循環(huán)氫混合。新氫壓縮機(jī)的出口壓力11.0MPa，而循環(huán)氫出口壓力也在11.0MPa，新氫壓縮機(jī)的出口溫度在95℃左右，滿足干氣密封一級(jí)密封氣的溫度設(shè)計(jì)要求（進(jìn)入干氣密封控制盤前的溫度應(yīng)在69.6℃以上），因此新氫壓縮機(jī)出口氫氣完全可以作為新的一級(jí)密封氣氣源。

4.2 干氣密封系統(tǒng)的改造

在2018年大檢修期間該廠對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封氣源進(jìn)行了改造，干氣密封氣源改造流程見(jiàn)圖6，通過(guò)新增一條新氫管線作為干氣密封系統(tǒng)一級(jí)密封氣氣源，原干氣密封氣源（壓縮機(jī)出口工藝氣）作為備用氣源，并通過(guò)氣動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)氣源的相互切換，改造后可徹底解決主密封氣帶液的問(wèn)題。

圖6 干氣密封氣源改造流程

5 干氣密封系統(tǒng)改造后的應(yīng)用

5.1 改造后的運(yùn)行情況

2019年12月該廠將循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)一級(jí)密封氣氣源由工藝氣改為氫氣運(yùn)行，從投運(yùn)后近2年來(lái)的運(yùn)行情況來(lái)看，干氣密封一級(jí)密封氣流量控制在95～120m3/h(標(biāo)況)，一級(jí)密封氣與平衡管壓差控制在0.15～0.3MPa，一級(jí)密封氣溫度控制在80～100℃，各運(yùn)行參數(shù)正常；檢查干氣密封過(guò)濾器濾芯未見(jiàn)帶液，可繼續(xù)使用，濾芯的更換周期由原來(lái)的每?jī)芍苤饾u延長(zhǎng)至目前的12個(gè)月，干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行良好，循環(huán)氫壓縮機(jī)在本周期內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)，改造投用后效果明顯。

5.2 改造后的成果

1）經(jīng)濟(jì)效益：干氣密封過(guò)濾器濾芯的更換周期由每?jī)芍苎娱L(zhǎng)至12個(gè)月，減少了職工勞動(dòng)強(qiáng)度和材料成本，每年可節(jié)約材料費(fèi)16.1萬(wàn)元；通過(guò)停用原一級(jí)密封氣中壓蒸汽伴熱，每年可節(jié)約39.42萬(wàn)元。

2）社會(huì)效益：解決了設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行存在的安全隱患，減少了因機(jī)組聯(lián)鎖停車和裝置非計(jì)劃停工排放對(duì)環(huán)境造成的污染。