干氣密封在液力透平上的改造及應(yīng)用

馬昌岳，宋秉川

（大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧大連 116610）

0 引言

某加氫裂化裝置液力透平設(shè)備位號HT-1101，為能量回收設(shè)備，是將熱高分液相流體中的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)設(shè)備。熱高分的液相物流通過液控閥B 和切斷閥進(jìn)入液力透平，回收能量后進(jìn)入熱低壓分離器；當(dāng)液力透平故障時(shí)，熱高分液相經(jīng)控制閥A 降壓后進(jìn)入熱低分，保障裝置反應(yīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。液力透平回收的能量用于驅(qū)動(dòng)高壓進(jìn)料泵，透平正常運(yùn)行時(shí)可以大幅降低高壓進(jìn)料泵電機(jī)的運(yùn)行功率，是加氫裝置重要的節(jié)能設(shè)備。液力透平各項(xiàng)參數(shù)：入口壓力14.94 MPa；出口壓力2.85 MPa；工作溫度288 ℃；密度648 kg/m3；轉(zhuǎn)速5136 r/min；密封腔壓力2.85 MPa；介質(zhì)為熱高分油氣，如蠟油、柴油、H2、H2S 等。

1 密封初始配置

液力透平輸送介質(zhì)為易燃、易爆、有毒的液相介質(zhì)，根據(jù)API682 的要求，原設(shè)計(jì)選用的密封為約翰-克蘭公司的加壓雙端面機(jī)械密封，沖洗方案選用的PLAN53B（圖1），阻封液正常操作壓力維持在3.0 MPa，阻封液循環(huán)經(jīng)過翅片進(jìn)行散熱冷卻。液力透平運(yùn)行后，由于轉(zhuǎn)速高、密封釋放熱量大，阻封液冷卻效果差，導(dǎo)致密封液膜出現(xiàn)汽化，密封很快出現(xiàn)失效泄漏，致使雙端面密封在液力透平上使用失敗。

圖1 沖洗方案PLAN53B

2 密封改造

2.1 密封方案的選擇

隨著國家對安全環(huán)保要求的提高和煉化行業(yè)競爭形勢的加劇，對加氫裂化液力透平進(jìn)行雙端面密封改造，成為公司一項(xiàng)節(jié)能降耗的技術(shù)攻關(guān)。

近年來，由于干氣密封技術(shù)的進(jìn)步，干氣密封已經(jīng)在液態(tài)烴等介質(zhì)泵上成功使用，并且達(dá)到了很好的使用效果，干氣密封的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高壓、高轉(zhuǎn)速工況可以達(dá)到更好的密封效果，因此非接觸式的干氣密封更適合在加氫裂化液力透平上使用。

經(jīng)過調(diào)研與論證，確定使用帶中間梳齒的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)、由一套雙端面加壓密封及一套單端面密封串聯(lián)組成的干氣密封方案，即主密封為雙端面密封、輔助密封為單端面密封。API 沖洗方案選用PLAN32+74+72+76。熱高分油的溫度為288 ℃，為避免因高溫靜密封出現(xiàn)故障，密封圈選用材料全氟醚橡膠（FFKM5），全氟醚橡膠耐熱溫度為290 ℃；動(dòng)靜環(huán)材料選用SiC/C，SiC 和石墨的耐熱溫度為480 ℃，密封圈及動(dòng)靜環(huán)材料的選擇滿足溫度使用要求。

2.2 沖洗方案的確定

干氣密封沖洗方案選用PLAN32+74+72+76（圖2）。

圖2 干氣密封流程

（1）沖洗方案PLAN32。即為密封提供具有較低蒸汽壓力或能夠在一定程度上提供密封壓力的沖洗液，并且密封沖洗液從密封腔進(jìn)入到介質(zhì)內(nèi)后，必須與被輸送的介質(zhì)相容。根據(jù)加氫裂化裝置的工藝條件，確定選用壓力至少3.0 MPa 的蠟油進(jìn)行洗油，由于沖洗油壓力要求比較高，現(xiàn)場無法直接提供沖洗油，為解決沖洗油來源，初步考慮兩種方案：①增加1 臺低流量、高揚(yáng)程的旋噴泵，單獨(dú)為液力透平密封提供外沖洗油；②利用裝置潔凈的反應(yīng)系統(tǒng)二級進(jìn)料（反應(yīng)器未轉(zhuǎn)化油，壓力20.0 MPa，溫度300 ℃），經(jīng)降溫、減壓之后，直接對密封進(jìn)行外沖洗。為減少投資和施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，決定將反應(yīng)系統(tǒng)二級進(jìn)料作為沖洗油，經(jīng)過核算，增加1 臺冷卻器和15 級孔徑為Φ3 mm 的降壓孔板，將反應(yīng)系統(tǒng)二級進(jìn)料降溫至100 ℃，壓力降至3.2 MPa，來滿足密封PLAN32 沖洗方案的要求。

（2）沖洗方案PLAN74（圖3）。通常用于雙端面加壓密封，密封氣壓力一般高于密封腔壓力，用于可靠性要求非常高的工況，以防止密封承受反壓或其他可能導(dǎo)致密封失效的介質(zhì)進(jìn)入密封端面。液力透平密封腔壓力為2.85 MPa，一二級密封為主密封，密封端面為面對面布置，所需一級主密封氣壓力至少為3.2 MPa，主密封氣通常選用為潔凈的氮?dú)猓捎诂F(xiàn)場工藝條件所限，裝置內(nèi)無法提供如此高壓力的氮?dú)狻＞C合考慮之后，決定選用潔凈的氫氣，經(jīng)新氫壓縮機(jī)一級壓縮后，氫氣壓力為4.4 MPa，再經(jīng)分液和減壓，將氫氣壓力控制在3.5 MPa 作為主密封氣，調(diào)節(jié)主密封氣流量保持在3.0 Nm3/h 進(jìn)入到密封一級和二級密封端面，維持端面氣膜剛度。

圖3 沖洗方案PLAN74

（3）沖洗方案PLAN72+76（圖4）。阻封氣用于把主密封泄漏的介質(zhì)從外部密封帶入到收集系統(tǒng)，以便減少主密封介質(zhì)進(jìn)入到大氣中。輔助密封所用二級密封氣為0.6 MPa 氮?dú)?，通過流量計(jì)前的針型閥，調(diào)節(jié)二級密封氮?dú)庥昧烤S持在5.0 Nm3/h，用于將主密封的二級密封泄漏的氫氣帶入到火炬系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)測二級密封的運(yùn)行情況。

圖4 沖洗方案PLAN72+76

2.3 密封監(jiān)控配置

由于液力透平輸送易燃、易爆介質(zhì)，為保障液力透平密封運(yùn)行的可靠性和安全性，將干氣密封運(yùn)行參數(shù)與液力透平入口切斷閥相關(guān)聯(lián)，設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)。

（1）主密封氣壓力監(jiān)控。主密封氣（經(jīng)過濾的氫氣，過濾精度≤1 μm）在干氣密封運(yùn)行的每個(gè)階段都應(yīng)該保證壓力≥3.2 MPa，一旦壓力低于3.2 MPa，將會出現(xiàn)干氣密封竄入液體的風(fēng)險(xiǎn)，無法滿足干氣密封的安全運(yùn)行，液力透平入口切斷閥聯(lián)鎖關(guān)閉。

（2）泄漏氣流量監(jiān)控。主密封的二級泄漏氣正常運(yùn)行時(shí)與二級密封氮?dú)饬髁恳恢?，調(diào)整二級密封氮?dú)庠?.0 Nm3/h，一旦二級密封出現(xiàn)泄漏，泄漏氣流量將會增大，當(dāng)泄漏氣流量增大至16.0 Nm3/h 時(shí)，液力透平入口切斷閥聯(lián)鎖關(guān)閉，將液力透平快速停下。

（3）泄漏氣壓力監(jiān)控。二級密封出現(xiàn)泄漏時(shí)，泄漏氣流量和壓力都會升高，為避免泄漏的氫氣倒竄入二級密封氮?dú)鈨?nèi)，設(shè)置了泄漏氣壓力高聯(lián)鎖關(guān)閉二級氮?dú)馇袛嚅y，防止氫氣竄入氮?dú)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)。

3 操作注意事項(xiàng)

液力透平干氣密封，被阻封介質(zhì)為熱高分油等液相，所用主密封氣為氫氣，二級密封氣為氮?dú)?，在開停機(jī)過程中及日常維護(hù)中，需注意以下事項(xiàng)。

3.1 開停車時(shí)的注意事項(xiàng)

液力透平開車時(shí)，先投用PLAN74 方案的主密封氣，再用介質(zhì)對透平內(nèi)部進(jìn)行灌注和排氣，打通透平出入口流程后，投PLAN32 方案的外沖洗液，最后投用PLAN72+76 方案的二級密封氮?dú)夂头呕鹁妗?/p>

液力透平停車時(shí)，先關(guān)閉外沖洗液，再將液力透平出入口閥關(guān)閉，將透平內(nèi)部泄壓，關(guān)閉二級密封氣，最后關(guān)閉主密封氣。

3.2 日常維護(hù)注意事項(xiàng)

每天巡檢記錄主密封氣進(jìn)氣流量和壓力、泄漏氣流量和壓力，外沖洗油壓力；對主密封氣過濾器每天巡檢兩次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過濾器前后壓差達(dá)到100 kPa 時(shí)，應(yīng)及時(shí)切換到備用過濾器，將已堵過濾器濾芯進(jìn)行更換，使之處于備用。關(guān)注主密封氣分液罐液位，一旦出現(xiàn)高液位及時(shí)進(jìn)行排液。

4 結(jié)論

加氫裂化裝置液力透平干氣密封的成功使用，在雙端面密封的使用上，克服了密封線速高、溫度高、密封腔壓力高的難題，同時(shí)為裝置運(yùn)行帶來了安全和經(jīng)濟(jì)效益：①為加氫裝置熱高分的液位增加一路控制措施，避免單路液位控制一旦出現(xiàn)故障，熱高分液位滿罐導(dǎo)致加氫裂化停工的風(fēng)險(xiǎn)；②降低反應(yīng)系統(tǒng)高壓進(jìn)料泵的電機(jī)功率，實(shí)際回收功率達(dá)到1000 kW，電費(fèi)按0.5元/kW·h 計(jì)，每年可節(jié)約電費(fèi)400 萬元。