離心式壓縮機(jī)干氣密封污染原因分析

葉慶凡，王佳，張?jiān)?/p>

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著我國(guó)石油天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，天然氣作為清潔能源已被廣泛應(yīng)用，而輸送天然氣所使用的離心式壓縮機(jī)發(fā)揮著重要作用。離心式壓縮機(jī)作為天然氣輸送、加壓的高速旋轉(zhuǎn)透平設(shè)備，其軸端密封在經(jīng)歷迷宮密封、浮環(huán)密封、油膜機(jī)械密封等三代密封形式后，已進(jìn)入第四代密封——?dú)怏w潤(rùn)滑端面密封，簡(jiǎn)稱干氣密封，其屬于非接觸式氣體潤(rùn)滑機(jī)械密封[1-13]。某天然氣公司輸送管線上3個(gè)壓氣站共有6臺(tái)燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組，于2016年投產(chǎn)運(yùn)行，其壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間集中在冬季供暖期間，為某省民生用氣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。基于此，文中對(duì)天然氣離心式壓縮機(jī)干氣密封污染原因進(jìn)行分析并提出優(yōu)化的方案[14-15]。

1 干氣密封概述及運(yùn)行工況

1.1 干氣密封概述

干氣密封作為離心式壓縮機(jī)的重要組成部分，其主要用來(lái)密封壓縮機(jī)內(nèi)部天然氣，防止壓縮機(jī)腔內(nèi)高壓天然氣泄漏至外界環(huán)境，同時(shí)通過(guò)隔離氣對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行阻隔，避免潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封組件[1，4]。壓縮機(jī)用干氣密封一般分為單端面、雙端面、串聯(lián)式、帶中間迷宮密封的串聯(lián)式4種類型，其中天然氣離心式壓縮機(jī)使用帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封較多，文中以該類型干氣密封研究為主。

帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封一般主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、密封O型圈、彈簧、彈簧座、迷宮、軸套、調(diào)整墊等組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工藝流程為：高壓天然氣從一級(jí)密封氣進(jìn)入介質(zhì)側(cè)，起到密封壓縮機(jī)腔內(nèi)天然氣的作用，同時(shí)進(jìn)入干氣密封側(cè)對(duì)彈簧產(chǎn)生作用力，將動(dòng)靜環(huán)分離，動(dòng)環(huán)隨著壓縮機(jī)主軸高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的少量泄漏氣體進(jìn)入一級(jí)泄漏氣通道至高處放空火炬，實(shí)現(xiàn)了密封天然氣的作用；二級(jí)密封氣口采用密封法蘭盲死；壓縮后的空氣進(jìn)入隔離氣入口，阻止大氣側(cè)空氣及潤(rùn)滑油竄入干氣密封內(nèi)，同時(shí)進(jìn)入二級(jí)泄漏氣與部分高壓端天然混合后進(jìn)入低位放空火炬，又可將二級(jí)泄漏處的動(dòng)靜環(huán)分離。其中動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用雙向旋轉(zhuǎn)式，可正反轉(zhuǎn)，減少了反轉(zhuǎn)導(dǎo)致密封損壞的可能性。該干氣密封具有使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定性高、損耗低、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用成本低等優(yōu)勢(shì)。

圖1 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)

圖2 動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)

對(duì)某壓氣站離心式壓縮機(jī)干氣密封的工作條件進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，壓縮機(jī)工作介質(zhì)主要為天然氣，額定轉(zhuǎn)速為10859 r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為11402 r/min，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為4.0 MPa，出口壓力為8.0 MPa，干氣密封設(shè)計(jì)壓力為8.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為-20～150 ℃，靜態(tài)泄漏量小于5.76 Nm3/h，動(dòng)態(tài)泄漏量小于6 Nm3/h。

1.2 干氣密封運(yùn)行工況

某壓氣站離心式壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行工況如下。

(1)壓縮機(jī)配置專用干氣密封撬體，主要包括密封氣聚結(jié)器、增壓泵、過(guò)濾器、自力式調(diào)壓閥、壓力及流量變送器、加熱器、密封氣及隔離氣管路、放空火炬等。壓縮機(jī)密封氣氣源取自壓縮機(jī)出口匯管聚結(jié)器，經(jīng)過(guò)3次過(guò)濾，精度達(dá)到1 μm，經(jīng)過(guò)1次調(diào)壓后，一級(jí)密封氣壓力較平衡管壓力大0.2 MPa左右，隔離氣氣源來(lái)自空氣壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)2次過(guò)濾后，精度達(dá)到5 μm，壓力為0.4 MPa左右。

(2)壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承前需進(jìn)行調(diào)壓，為確保潤(rùn)滑效果良好，各軸瓦溫度在合理范圍之內(nèi)，潤(rùn)滑油壓力一般要求為0.1～0.12 MPa。

2 干氣密封污染現(xiàn)象及原因分析

2.1 干氣密封污染現(xiàn)象

某壓氣站離心式壓縮機(jī)自投產(chǎn)時(shí)，運(yùn)行約200 h后,一級(jí)泄漏放空火炬出現(xiàn)滴油現(xiàn)象，表面附著大面積油漬，如圖3所示，同時(shí)將泄漏連接管道法蘭斷開，發(fā)現(xiàn)存在潤(rùn)滑油堆積現(xiàn)象，但壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)放空量為0.125 Nm3/h，放空壓力為129 kPa，運(yùn)行數(shù)據(jù)均在正常范圍之內(nèi)。

圖3 一級(jí)泄漏放空火炬附著大面積油漬

2019年壓縮機(jī)干氣密封使用年限達(dá)3 a，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)6000 h后，由廠家人員對(duì)干氣密封進(jìn)行維保，當(dāng)從壓縮機(jī)主軸端移除后，發(fā)現(xiàn)密封外觀存在油漬，拆解后發(fā)現(xiàn)密封氣側(cè)密封動(dòng)、靜環(huán)表面有輕微的運(yùn)轉(zhuǎn)磨痕，副密封有雜質(zhì)聚集，如圖4所示，隔離氣側(cè)密封動(dòng)、靜環(huán)表面有輕微的運(yùn)轉(zhuǎn)磨痕，工作面有油漬，如圖5所示。

圖4 密封氣側(cè)動(dòng)環(huán)及副密封處存在雜質(zhì)

圖5 隔離氣側(cè)動(dòng)、靜環(huán)外觀附著油漬

2.2 原因分析

針對(duì)干氣密封一級(jí)泄漏放空火炬存在滴油現(xiàn)象，介質(zhì)側(cè)及大氣側(cè)存在油漬及雜質(zhì)現(xiàn)象，需對(duì)產(chǎn)生原因進(jìn)行逐項(xiàng)排查，查明污染來(lái)源。

一級(jí)泄漏放空火炬滴油現(xiàn)象原因一般為介質(zhì)密封氣存在油污或隔離氣失效導(dǎo)致潤(rùn)滑油竄入一級(jí)泄漏點(diǎn)。根據(jù)原因逐項(xiàng)進(jìn)行排查，首先對(duì)介質(zhì)密封氣潔凈度進(jìn)行檢查，因干氣密封撬裝上安裝有兩道過(guò)濾器，遂對(duì)粗濾和精濾進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器均未失效，精濾外表面干凈、無(wú)污染，如圖6所示。同時(shí)將密封氣撬至壓縮機(jī)連接法蘭處的管線進(jìn)行拆除，檢查管道及壓縮機(jī)內(nèi)孔是否存在油漬及污物，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有異物。因此，排除介質(zhì)密封氣存在油污導(dǎo)致干氣密封被污染的可能性。其次，對(duì)隔離氣失效進(jìn)行排查，查看歷史運(yùn)行記錄，在每次啟機(jī)前，均先投運(yùn)隔離氣源，停機(jī)待潤(rùn)滑油系統(tǒng)停運(yùn)15 min后關(guān)閉隔離氣源，在機(jī)組運(yùn)氣期間未出現(xiàn)隔離氣低報(bào)現(xiàn)象，同時(shí)檢查隔離氣精濾，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器未失效，表面干凈、無(wú)污染，如圖7所示。

圖6 密封氣過(guò)濾器表面

圖7 隔離氣過(guò)濾器表面

當(dāng)介質(zhì)密封氣無(wú)油污，隔離氣未失效，導(dǎo)致產(chǎn)生滴油現(xiàn)象，則可能是潤(rùn)滑油壓力過(guò)大或干氣密封設(shè)計(jì)不足導(dǎo)致。由于離心式壓縮機(jī)采用可傾瓦軸承，其在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)在葉輪主軸與軸瓦之間形成0.3 mm厚度的油膜以達(dá)到支撐作用，同時(shí)帶走運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，為確保壓縮機(jī)軸瓦溫度及振動(dòng)數(shù)據(jù)正常，按照設(shè)計(jì)要求，潤(rùn)滑油壓應(yīng)在0.1～0.12 MPa，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)油壓進(jìn)行檢查均在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)超壓運(yùn)行現(xiàn)象[6,9,12]。

檢查潤(rùn)滑油運(yùn)行狀態(tài)，由于壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端共有3組軸承，分別為支撐軸承、主推力軸承和副推力軸承，故有3根供油管路，驅(qū)動(dòng)端共有1組軸承，為支撐軸承，有1根供油管路。潤(rùn)滑油供油管路采用下端供油噴射潤(rùn)滑方式，瞬時(shí)油量過(guò)大，初步判斷可能存在潤(rùn)滑油飛濺，回油不暢導(dǎo)致油位超過(guò)干氣密封的迷宮密封，致使部分潤(rùn)滑油竄入干氣密封內(nèi)，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)污染干氣密封動(dòng)靜環(huán)，致使一級(jí)泄漏放空火炬出現(xiàn)滴油現(xiàn)象，如圖8所示[9-10]。

圖8 潤(rùn)滑油液位高于干氣密封迷宮密封示意

3 干氣密封優(yōu)化及測(cè)試

根據(jù)以上原因分析，進(jìn)行干氣密封的優(yōu)化改造。為避免潤(rùn)滑油飛濺或回油液位超過(guò)迷宮密封，通過(guò)給干氣密封外側(cè)增加隔油擋板的方式實(shí)施保護(hù)，如圖9所示[3,5,8]。

圖9 干氣密封隔油擋板安裝

隔油擋板設(shè)計(jì)要求：(1)采用四氟乙烯的材質(zhì)，其穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，易加工，可塑性較好；(2)其與壓縮機(jī)主軸采用間歇配合，其外圓最低點(diǎn)要求低于回油液位，形成良好隔油作用；(3)其表面要有較好的光潔度，確保與干氣密封端面有良好貼合。

現(xiàn)場(chǎng)安裝干氣密封隔油擋板，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行啟停機(jī)測(cè)試、調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，檢查干氣密封放空壓力及流量，并對(duì)壓縮機(jī)一級(jí)放空火炬進(jìn)行持續(xù)觀察，結(jié)果如表1所示。

表1 干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可知：(1)安裝擋板對(duì)干氣密封的一級(jí)放空壓力及流量數(shù)據(jù)并無(wú)明顯影響；(2)壓縮機(jī)一級(jí)放空火炬未存在滴油現(xiàn)象，未造成設(shè)備的環(huán)境污染，同時(shí)降低了油氣混合的可能性。本次改造避免了干氣密封潤(rùn)滑油的竄入導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)的污染，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的實(shí)用價(jià)值，優(yōu)化具有可操作性。

4 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)干氣密封污染原因進(jìn)行了分析，查明了干氣密封一級(jí)放空火炬滴油現(xiàn)象原因，并提出詳細(xì)的解決方案及優(yōu)化對(duì)策。干氣密封系統(tǒng)是離心式壓縮機(jī)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，我們應(yīng)當(dāng)做好如下工作：①定期檢查干氣密封系統(tǒng)中的過(guò)濾設(shè)備，保障密封氣及隔離氣的干潔度；②潤(rùn)滑油的噴射角度及回油能力對(duì)干氣密封的污染有重要影響，合理的設(shè)計(jì)或有效的防護(hù)措施，可以保護(hù)干氣密封不受污染，提升使用壽命，降低維保成本；③在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中要善于總結(jié)，查找問(wèn)題根源，才能對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化及提升運(yùn)行平穩(wěn)性起到幫助作用。