天然氣增壓機(jī)干氣密封故障分析與處理

楊祥龍

(中國能源建設(shè)集團(tuán)科技發(fā)展有限公司，天津 300120)

1 引言

在眾多天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠中，天然氣調(diào)壓站多采用增壓機(jī)來滿足燃機(jī)前置模塊的壓力、溫度和流量要求。離心式增壓機(jī)有處理氣量大、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性強(qiáng)、運(yùn)行效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，使其成為諸多燃?xì)獍l(fā)電的優(yōu)先選擇。某電廠使用3臺(tái)德國曼透平公司生產(chǎn)的四級(jí)離心式天然氣增壓機(jī)，在實(shí)際使用過程中全部3臺(tái)增壓機(jī)均發(fā)現(xiàn)多個(gè)干氣密封損壞問題。通過對(duì)故障干氣密封的分析及處理，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，有效避免再次出現(xiàn)類似故障，降低維護(hù)成本，提高設(shè)備可靠性。

2 干氣密封系統(tǒng)介紹

2.1 干氣密封結(jié)構(gòu)

離心式壓縮機(jī)的干氣密封是一種采取非接觸方式實(shí)現(xiàn)氣體密封的處理技術(shù)。德國曼透平公司生產(chǎn)的四級(jí)離心式增壓機(jī)的干氣密封件位于軸承和壓縮機(jī)級(jí)之間，是一種串聯(lián)式干氣密封。干氣密封的旋轉(zhuǎn)部分牢牢地安裝在軸上，靜止部分連接到增壓機(jī)外殼，防止增壓機(jī)在高壓高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行狀態(tài)下天然氣泄漏到大氣中。

其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

2.2 干氣密封工作原理

干氣密封的彈簧組將可做軸向移動(dòng)的靜止滑環(huán)壓在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)上，當(dāng)密封動(dòng)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，靜止滑環(huán)克服彈簧力向后移動(dòng)，這樣在兩個(gè)密封面上形成并維持一定的密封間隙，在這個(gè)間隙里形成一個(gè)穩(wěn)定的氣膜，密封動(dòng)環(huán)在這個(gè)間隙里的氣膜上無接觸地滑動(dòng)[1]。

氣膜厚度一般為幾微米，穩(wěn)定的氣膜可以使密封端面的間距保持一定的密封間隙，間隙太大，密封效果變差；而間隙太小會(huì)使密封面發(fā)生接觸。因干氣密封的摩擦熱不能散失，端面間無潤滑接觸將很快引起密封端面變形，從而使密封失效。氮?dú)馔ㄟ^密封間隙時(shí)靠節(jié)流和阻塞的作用而被減壓，從而實(shí)現(xiàn)氣體介質(zhì)的密封[2]。

增壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，從其天然氣出口管道的抽氣經(jīng)過一組過濾器的過濾，由流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力、流量后進(jìn)入首級(jí)密封進(jìn)氣室，通過動(dòng)靜滑環(huán)之間的密封間隙后排入大氣。

次級(jí)密封和分離氣的氣源為濃度大于98%的氮?dú)?。進(jìn)入干氣密封前的氮?dú)馔瑯有枰^濾器的過濾處理。次級(jí)密封氣體進(jìn)入進(jìn)氣室后排入大氣，并且部分次級(jí)密封氣體進(jìn)入首級(jí)密封的排氣通道與首級(jí)密封氣體混合，目的是在首級(jí)密封出現(xiàn)故障或損壞時(shí)防止工藝氣體逸出。

分離氣將密封腔與軸承區(qū)域完全隔離，防止軸承中的油滲入到干氣密封。

3 干氣密封故障現(xiàn)象及原因分析

結(jié)合某電廠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，干氣密封出現(xiàn)故障運(yùn)行不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)增壓機(jī)某一壓縮級(jí)的首級(jí)密封排氣壓力升高報(bào)警，甚至達(dá)到保護(hù)設(shè)定值導(dǎo)致增壓機(jī)跳機(jī)。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)其排氣壓力遠(yuǎn)低于正常值的現(xiàn)象，或者出現(xiàn)滑油箱的負(fù)壓消失，甚至變?yōu)檎龎旱默F(xiàn)象。具體原因分析如下：

(1)檢查壓力變送器及設(shè)定值正常后，出現(xiàn)排氣壓力異常的原因往往是干氣密封的彈簧組出現(xiàn)卡澀，靜止滑環(huán)無法移動(dòng)到正常位置導(dǎo)致。在現(xiàn)場(chǎng)可以分別關(guān)閉首級(jí)與次級(jí)密封進(jìn)氣手動(dòng)閥，檢查首級(jí)密封排氣壓力的值，判斷是首級(jí)密封還是次級(jí)密封的彈簧組出現(xiàn)問題。潤滑油進(jìn)入干氣密封形成油漬，天然氣中烴類物質(zhì)及水分進(jìn)入干氣密封，或者密封供氣中有雜質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)致彈簧組出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

(2)出現(xiàn)油箱負(fù)壓異常這種現(xiàn)象，首先檢查油系統(tǒng)。排除油系統(tǒng)發(fā)生故障后，油箱負(fù)壓變小的原因就是分離氣進(jìn)氣壓力過高，導(dǎo)致大量氮?dú)怆S著潤滑油回油管道進(jìn)入油箱。也有可能是干氣密封的碳環(huán)損壞，次級(jí)密封的氮?dú)膺M(jìn)入到分離氣當(dāng)中，在此電廠，增壓機(jī)次級(jí)密封進(jìn)氣壓力設(shè)定為2.01 bar，而分離氣壓力設(shè)定為0.2 bar，因此也會(huì)導(dǎo)致分離氣壓力過高，從而使氮?dú)膺M(jìn)入油箱使其負(fù)壓變小甚至變?yōu)檎龎骸?/p>

4 干氣密封故障處理及預(yù)防措施

4.1 干氣密封故障處理

當(dāng)某電廠增壓機(jī)出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象后，停止機(jī)組運(yùn)行，打開增壓機(jī)本體排污閥，有大量液體流出，停止排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行后打開油箱端蓋，有大量氮?dú)庖绯?。因此判斷干氣密封彈簧組有卡澀現(xiàn)象，其分離氣壓力可能過高。在現(xiàn)場(chǎng)采用了以下方法進(jìn)行處理：

(1)在增壓機(jī)停止運(yùn)行時(shí)向轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的反方向手動(dòng)盤車，帶動(dòng)干氣密封反方向旋轉(zhuǎn)，可能會(huì)使彈簧組暫時(shí)恢復(fù)正常。重復(fù)數(shù)次操作后觀察密封排氣壓力。

(2)若仍舊無法恢復(fù)正常，則關(guān)閉所有的密封排氣手動(dòng)閥，對(duì)增壓機(jī)系統(tǒng)充入氮?dú)?，壓力達(dá)7 bar以上，然后打開增壓機(jī)放散閥，放散的同時(shí)進(jìn)行手動(dòng)盤車，重復(fù)數(shù)次后觀察密封排氣壓力。

(3)檢查油系統(tǒng)正常后，再檢查分離氣進(jìn)氣壓力是否變大，調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥開度使其恢復(fù)到正常范圍，然后觀察油箱負(fù)壓的變化。

(4)為了確定次級(jí)密封是否也存在問題，停運(yùn)機(jī)組潤滑油泵，關(guān)閉分離氣后，拆卸次級(jí)排氣管線法蘭。如果驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端的次級(jí)排氣管線都沒有氣體逸出，則說明次級(jí)密封完好。

采取以上方法后，增壓機(jī)密封排氣壓力高的故障短時(shí)恢復(fù)正常，機(jī)組正常運(yùn)行一段時(shí)間后密封排氣壓力又再次升高，增壓機(jī)跳機(jī)，油箱負(fù)壓有變大的趨勢(shì)，但沒有完全恢復(fù)正常。在這種情況下，判斷干氣密封部件有損壞現(xiàn)象。拆解檢查后發(fā)現(xiàn)彈簧組有大量銹跡，碳環(huán)斷裂，而且干氣密封里有大量的液體。最后經(jīng)過清理、更換備件，重新安裝后運(yùn)行正常。

4.2 預(yù)防措施

通過對(duì)故障現(xiàn)象的分析處理，總結(jié)事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為避免再次出現(xiàn)類似問題，造成設(shè)備損壞和維修成本的增加，在日常運(yùn)行維護(hù)中可以采取以下措施：

(1)在增壓機(jī)停機(jī)期間，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充氮保養(yǎng)，維持壓力在0.2bar以上，防止外界潮濕空氣進(jìn)入管道內(nèi)部造成金屬銹蝕。

(2)在增壓機(jī)長期停機(jī)期間，每周手動(dòng)盤車一次，每次旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子180°，即可以防止大軸彎曲變形，也可以防止干氣密封發(fā)生卡澀。

(3)按時(shí)記錄密封天然氣及氮?dú)膺^濾器差壓，定期檢查過濾器的濾芯，當(dāng)差壓升高或者濾芯有破損現(xiàn)象時(shí)及時(shí)更換。

(4)在增壓機(jī)停機(jī)后對(duì)增壓機(jī)腔室及管道進(jìn)行排污，排盡系統(tǒng)內(nèi)部的液體。

(5)啟動(dòng)輔助潤滑油泵前必須打開氮?dú)膺M(jìn)氣閥對(duì)分離氣供氣。停止輔助潤滑油泵運(yùn)行后，不要立即關(guān)閉氮?dú)猓^察回油視窗，待回油完畢后再關(guān)閉氮?dú)鈁3]。

(6)此電廠制氮機(jī)沒有除油裝置，進(jìn)入干氣密封的氮?dú)鉄o法保證潔凈度的要求，后期建議增加合理的高效除油裝置。

(7)此電廠增壓機(jī)前的天然氣處理單元僅有一組凝聚式過濾器，無法完全保證天然氣的潔凈度要求，而且沒有天然氣溫度調(diào)整控制裝置。在天然氣供氣溫度低于正常范圍時(shí)，無法對(duì)其進(jìn)行調(diào)整應(yīng)對(duì)，機(jī)組只能在天然氣溫度低報(bào)警的狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)天然氣溫度降至烴露點(diǎn)及水露點(diǎn)以下時(shí)，便會(huì)有液體凝結(jié)析出[4]，進(jìn)入到增壓機(jī)內(nèi)部，影響機(jī)組運(yùn)行安全。后期建議增加合理的天然氣加熱裝置。

通過采取以上技術(shù)措施，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了長周期穩(wěn)定運(yùn)行，未再發(fā)生異常，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問題，廠家技術(shù)人員正在分析，進(jìn)一步修改設(shè)備說明書中相關(guān)部分。

5 結(jié)論

(1)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，要充分了解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，嚴(yán)格按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

(2)在日常運(yùn)行維護(hù)中采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，可以避免干氣密封出現(xiàn)故障，增加設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)成本。

(3)當(dāng)干氣密封出現(xiàn)故障時(shí)，認(rèn)真分析故障現(xiàn)象，可以參考本文提出的措施進(jìn)行處理。