循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封帶液現(xiàn)象分析及應(yīng)對(duì)措施

程欣浩

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

在石化煉制及化工系統(tǒng)的加氫裝置中，循環(huán)氫的作用是保持反應(yīng)系統(tǒng)氫分壓及時(shí)帶走反應(yīng)熱以及控制床層溫度，從而保證加氫反應(yīng)的順利進(jìn)行[1]。循環(huán)氫系統(tǒng)的整體動(dòng)力來源是來自循環(huán)氫壓縮機(jī)，是維持整個(gè)加氫反應(yīng)系統(tǒng)的氣路流程是加氫裝置中的核心設(shè)備，發(fā)生故障停車意味著整套裝置會(huì)因故障停車，因此循環(huán)氫壓縮機(jī)的運(yùn)行效果直接決定了加氫裝置的實(shí)際運(yùn)行情況。

1 相關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)況

某煉廠蠟油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)采用離心式壓縮機(jī)，機(jī)體型號(hào)為BCL406/A，使用串聯(lián)式干氣密封作為軸端密封，這是石油化工行業(yè)內(nèi)常見的配置。該機(jī)組于2016 年一次開車成功，至今已運(yùn)行超過兩個(gè)周期。經(jīng)分析，在運(yùn)行周期內(nèi)該設(shè)備出現(xiàn)的故障停車大多與干氣密封系統(tǒng)有關(guān)，其中出現(xiàn)頻率最高、影響最深遠(yuǎn)的便是密封帶液現(xiàn)象，因此解決干氣密封的帶液?jiǎn)栴}具有實(shí)際意義。該機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

表1 操作參數(shù)

2 干氣密封系統(tǒng)的原理及流程

2.1 干氣密封的工作原理

干氣密封的主要結(jié)構(gòu)可以大致分為固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分：轉(zhuǎn)動(dòng)部分的主要工作部件是動(dòng)環(huán)，動(dòng)環(huán)通過鎖緊螺母固定在轉(zhuǎn)軸上，隨著轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)；固定部分的主要工作部件為靜環(huán)、推環(huán)、彈簧座等，固定在壓縮機(jī)殼體，不進(jìn)行任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)環(huán)上開有5～10 μm 的很淺U 形槽，當(dāng)兩個(gè)密封端面在做高速的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封氣經(jīng)密封環(huán)淺槽處產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，在兩個(gè)摩擦副之間形成一層3～5 μm 的超薄氣膜，隔離開兩個(gè)密封端面，使其在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)始終處于非接觸狀態(tài)[2]，摩擦副間產(chǎn)生的熱量隨著氣膜氣流被帶出密封腔體，以此保證摩擦副不會(huì)產(chǎn)生因受到大量摩擦熱產(chǎn)生的應(yīng)力斷裂，因此對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)械密封，干氣密封能夠在更高的轉(zhuǎn)速下使用，其具有泄漏量小、使用場(chǎng)景廣、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

干氣密封的動(dòng)環(huán)槽型可以分為單向旋轉(zhuǎn)和雙向旋轉(zhuǎn)兩大類，單向旋轉(zhuǎn)槽型主要有螺旋槽、雙尖槽等，具有更好的氣膜穩(wěn)定性和氣膜強(qiáng)度，但反向轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氣膜失效，摩擦副硬摩擦損壞，常見于對(duì)氣膜強(qiáng)度和穩(wěn)定性需求較高的高壓加氫裝置。雙向旋轉(zhuǎn)槽型主要有T 形、圣誕樹形等，無論正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)都能夠正常工作，適應(yīng)性較強(qiáng)。隨著設(shè)計(jì)、材料和制造工藝的進(jìn)步，這種雙向旋轉(zhuǎn)槽型已得到了越來越多的應(yīng)用。

某煉廠蠟油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封摩擦副采用無壓燒結(jié)碳化硅(SSiC)材質(zhì)動(dòng)環(huán)配合石墨材質(zhì)靜環(huán)，屬于“硬對(duì)軟”配合設(shè)計(jì)，動(dòng)環(huán)使用螺旋槽型以保證氣膜的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2.2 干氣密封系統(tǒng)流程概述

某煉廠蠟油加氫裝置干氣密封采用循環(huán)氫壓縮機(jī)出口工藝氣、新氫或氮?dú)庾鳛橐患?jí)密封氣，一級(jí)密封氣經(jīng)聚結(jié)器除液，隨后進(jìn)入過濾器進(jìn)行過濾，過濾后的干凈氣體經(jīng)過氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力，保持密封氣壓力穩(wěn)定高于機(jī)組平衡管壓力0.3 MPa 以上，隨后分為兩路經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入低、高壓端一級(jí)密封腔中。一級(jí)密封氣的絕大部分會(huì)經(jīng)過機(jī)組密封返回到機(jī)內(nèi)，以此來阻止機(jī)體內(nèi)氣體向外泄漏，少量氣體向另一側(cè)密封端面泄漏至一級(jí)密封排氣管路中。二級(jí)密封氣一般使用氮?dú)?，?jīng)過濾器過濾、自力式調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓后進(jìn)入二級(jí)密封腔，二級(jí)密封氣的絕大部分經(jīng)二級(jí)密封氣排氣管道排至大氣。

3 干氣密封帶液現(xiàn)象分析

3.1 干氣密封失效機(jī)理

當(dāng)密封氣中有液體進(jìn)入密封腔后，會(huì)在高速離心力的作用下被打散成小液滴，小液滴隨氣流進(jìn)入動(dòng)靜環(huán)摩擦副之間，由于氣膜厚度非常薄，液體會(huì)瞬間填滿動(dòng)靜環(huán)之間的間隙，造成氣膜失穩(wěn)破壞，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)直接接觸碰擦同時(shí)產(chǎn)生大量的熱，此時(shí)熱量聚集在動(dòng)環(huán)表面形成裂紋，進(jìn)而造成動(dòng)環(huán)斷裂事故。發(fā)生干氣密封帶液現(xiàn)象的干氣密封動(dòng)環(huán)拆解后形貌如圖1所示。

圖1 發(fā)生帶液的干氣密封動(dòng)環(huán)

根據(jù)干氣密封流程，一級(jí)密封腔中液體可能的來源主要有四個(gè)方向：

(1)一級(jí)密封氣帶液。即循環(huán)氫或新氫夾帶的部分液體經(jīng)過一級(jí)密封氣流程后未能被完全處理，進(jìn)入密封腔后累積，直至突破密封齒進(jìn)入摩擦副破壞氣膜。

(2)二級(jí)密封氣帶液。由二級(jí)密封氣氮?dú)鈳淼囊后w進(jìn)入一級(jí)密封腔。由于一級(jí)密封氣的高壓力和密封齒的阻隔，除非一級(jí)密封氣停氣，理論上該現(xiàn)象不會(huì)出現(xiàn)。

(3)軸承箱中的潤(rùn)滑油進(jìn)入一級(jí)密封腔。該情況可能在啟機(jī)前未正確投用隔離氮?dú)馑?，?rùn)滑油穿過油封環(huán)進(jìn)入密封，此類現(xiàn)象也幾乎不會(huì)出現(xiàn)。

(4)機(jī)組內(nèi)的存油進(jìn)入一級(jí)密封腔。由于停工檢修等機(jī)組處于靜態(tài)狀態(tài)，在安裝干氣密封前未排凈機(jī)體內(nèi)殘油，啟機(jī)后跟隨工藝氣進(jìn)入密封腔中，該類問題在部分煉廠的實(shí)際運(yùn)行中有過實(shí)際案例。

綜合以上分析，該機(jī)組干氣密封液體的主要來源是一級(jí)密封氣。根據(jù)具體情況可以分為循環(huán)氫工況和新氫工況展開分析。

3.2 循環(huán)氫工況分析

循環(huán)氫是加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)密封氣的最主要來源，也就是使用自身的工藝氣進(jìn)行密封，這樣的好處是最大化節(jié)省了氣源，同時(shí)因?yàn)榻M分一致而不影響機(jī)組性能。根據(jù)該機(jī)組的操作條件，壓縮機(jī)出口工藝氣壓力約為18 MPa，溫度69 ℃，實(shí)測(cè)氣體組分如表2 所示。

表2 循環(huán)氫組分

在加氫裝置中，循環(huán)氫中帶有一定量的輕烴類物質(zhì)是不可避免的，根據(jù)實(shí)際化驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，循環(huán)氫中也的確存在部分輕烴類物質(zhì)。結(jié)合壓縮機(jī)出口工藝氣壓力約為18 MPa，溫度69 ℃的條件，輕烴類物質(zhì)極有可能以液態(tài)形式存在，并隨著干氣密封流程進(jìn)入密封腔中。由于干氣密封流程較長(zhǎng)，且管徑較細(xì)，在密封氣從壓縮機(jī)出口到進(jìn)入密封腔的過程中一定會(huì)受環(huán)境影響和管道阻力產(chǎn)生溫度降，使得本已處于氣液臨界狀態(tài)的輕烴組分液化，加劇了干氣密封帶液情況。

3.3 新氫工況分析

該裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)密封氣氣源也可以選擇使用新氫，新氫是來自新氫壓縮機(jī)三級(jí)出口的補(bǔ)充氫氣，壓力18.5 MPa，溫度124 ℃，實(shí)測(cè)氣體組分如表3 所示。

表3 新氫組分

根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)可以看出，新氫的氫氣純度很高，幾乎不含其他組分，整體而言更加純凈，也不存在輕烴類組分液化的問題。但該裝置在使用新氫工況運(yùn)行時(shí)依然出現(xiàn)了干氣密封帶液損壞的問題，因此新氫工況的帶液?jiǎn)栴}不是工藝介質(zhì)產(chǎn)生的。該裝置的新氫壓縮機(jī)采用往復(fù)式壓縮機(jī)，三級(jí)壓縮方式，將氫氣管網(wǎng)中的壓力升壓補(bǔ)充至循環(huán)氫中，由于新氫壓縮機(jī)的氣缸活塞面潤(rùn)滑方式采用的是少油潤(rùn)滑，因此出口氣中會(huì)含有一定量的潤(rùn)滑油，這些潤(rùn)滑油便是造成干氣密封帶液的直接因素。此外，由于新氫壓縮機(jī)出口氣存在脈動(dòng)，即使有緩沖罐和干氣密封流程緩沖，在進(jìn)入密封室時(shí)依然會(huì)有少量波動(dòng)，對(duì)于干氣密封較薄的氣膜來說，即使是少量的波動(dòng)也會(huì)對(duì)氣膜的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。而一旦有雜質(zhì)或液體進(jìn)入密封腔，就更有可能對(duì)氣膜造成破壞，因此新氫工況是不適合長(zhǎng)期作為一級(jí)密封氣氣源使用的。

4 帶液現(xiàn)象的應(yīng)對(duì)措施

4.1 溫度因素的影響

循環(huán)氫工況時(shí)最主要的帶液物質(zhì)為輕烴類組分，為了解決干氣密封的帶液現(xiàn)象，最根源的處理思路就是解決輕烴類物質(zhì)的液化問題。由于加氫裝置中輕烴類物質(zhì)難以避免地會(huì)存在，因此最直接的方式就是提高進(jìn)入密封腔的氣體溫度。由于密封氣氣源是壓縮機(jī)出口的工藝氣，大幅提升壓縮機(jī)出口氣的溫度顯然是行不通的，因?yàn)檠h(huán)氫同時(shí)作為冷氫控制反應(yīng)器床層溫度，循環(huán)氫的溫度過高會(huì)極大影響工藝操作；此外壓縮機(jī)出口溫度過高也意味著壓縮機(jī)葉輪、軸、流道、密封齒等結(jié)構(gòu)會(huì)受高溫影響產(chǎn)生機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞。所以在保持合理的壓縮機(jī)出口氣溫度的前提下，可以通過改善壓縮機(jī)出口到密封腔這個(gè)過程來達(dá)到提高溫度的目的。有效的處理手段如下：

(1)改造密封氣沿線保溫，減少氣流過程中的熱量損失；

(2)設(shè)置合理的伴熱措施，進(jìn)一步提高密封氣溫度；

(3)設(shè)置電加熱裝置，直接對(duì)密封氣進(jìn)行加熱，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制。

目前該裝置已采用(1)、(2)兩種方案進(jìn)行了改造，沿一級(jí)密封氣流程設(shè)置蒸汽伴熱，實(shí)測(cè)一級(jí)密封氣進(jìn)氣溫度能夠保持在75～85 ℃，有效地提升了密封氣溫度，降低了輕烴類組分液化的可能，密封氣伴熱改造完成至今尚未再次發(fā)生干氣密封帶液情況伴熱改造后的一級(jí)密封氣進(jìn)氣溫度如圖2 所示。

圖2 改造后的密封氣進(jìn)氣溫度(表顯85.6 ℃)

蒸汽伴熱的缺點(diǎn)在于無法穩(wěn)定地控制密封氣溫度，其加熱效果受氣溫、蒸汽的影響較大。而需要注意的是，目前干氣密封普遍采用無壓燒結(jié)碳化硅(SSiC)材質(zhì)動(dòng)環(huán)配合石墨材質(zhì)靜環(huán)，過高的進(jìn)氣溫度不利于氣膜散熱，容易積蓄熱量造成動(dòng)環(huán)裂紋，因此對(duì)氣體的加熱應(yīng)該控制在合理的范圍內(nèi)。因此可以考慮增設(shè)電加熱裝置，并通過與測(cè)溫元件配合實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣溫度的精確控制，這樣就可以最有效地達(dá)到提高進(jìn)氣溫度、避免輕烴類組分液化的目的。

4.2 設(shè)置除液設(shè)施

該機(jī)組配套的干氣密封系統(tǒng)中已設(shè)置K.O 除液罐，但仍然會(huì)產(chǎn)生干氣密封帶液的情況，該除液罐本質(zhì)是聚結(jié)器，當(dāng)氣體進(jìn)入濾芯后，將極小的液滴聚結(jié)成較大的液滴，依靠自重從氣體中分離出來。由于該聚結(jié)器并不能完全使液體脫離，故可以考慮對(duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，增設(shè)旋風(fēng)分離器，氣相與液相的混合物在旋風(fēng)分離器中產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之產(chǎn)生不同大小的離心力，以此將液體從氣體中分離出來，理論上能更有效地去除氣體中的液體。同時(shí)適當(dāng)增加排液頻次，盡可能地保證進(jìn)氣的干度。

此外過濾器也是時(shí)常被忽略的一個(gè)因素，其濾芯狀態(tài)可以直接反映出密封氣帶液情況，因此在開工后可以在適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)拆卸檢查濾芯情況，更有利于判斷密封氣的實(shí)際情況；另外過濾器也是一個(gè)容易聚集液體的位置，定期清理濾芯有利于防止?jié)裾羝M(jìn)入密封腔導(dǎo)致事故發(fā)生。

4.3 新氫壓縮機(jī)無油改造

針對(duì)新氫工況，解決了潤(rùn)滑油問題就同時(shí)解決了密封氣帶液的問題。隨著材料和技術(shù)的進(jìn)步，目前已經(jīng)可以在較高壓力的往復(fù)式壓縮機(jī)中采用無油潤(rùn)滑形式，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。無油潤(rùn)滑形式的往復(fù)式壓縮機(jī)通常采用高PV 值、有良好自潤(rùn)滑性能的支撐環(huán)和填料環(huán)，因?yàn)闈?rùn)滑膜的形成直接與材料的選擇有關(guān)，摩擦副間如果形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，就會(huì)不容易被破壞[3]。因此在工作狀態(tài)下，出口氣體不會(huì)帶有任何液態(tài)物質(zhì)。由于新氫介質(zhì)本身較為純凈，無油潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的活塞環(huán)和支撐環(huán)也能夠適應(yīng)，因此在新氫壓縮機(jī)上采用無油潤(rùn)滑氣缸在理論上是可行的，這樣就從根源上解決了新氫工況下干氣密封帶液的問題。

目前，尚缺乏加氫裝置中應(yīng)用無油潤(rùn)滑往復(fù)式壓縮機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高壓比下摩擦副潤(rùn)滑膜的穩(wěn)定性仍待研究。但這不失于一個(gè)有價(jià)值的研究方向，如果能夠?qū)崿F(xiàn)新氫壓縮機(jī)的無油潤(rùn)滑應(yīng)用，便能夠徹底地解決在新氫工況下的循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封帶液的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

綜上所述，針對(duì)干氣密封帶液?jiǎn)栴}，可以采取不同的解決方案，包括針對(duì)循環(huán)氫和新氫的不同情況進(jìn)行改造和優(yōu)化。這些措施將有助于提高密封系統(tǒng)的可靠性，降低維護(hù)成本，并確保加氫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)本文的分析得到以下主要結(jié)論：

(1)導(dǎo)致干氣密封帶液現(xiàn)象的主要原因是循環(huán)氫中帶有輕烴類物質(zhì)和新氫中帶有潤(rùn)滑油。這些液態(tài)物質(zhì)進(jìn)入干氣密封的動(dòng)靜環(huán)之間，破壞氣膜并導(dǎo)致接觸性摩擦損壞干氣密封。

(2) 針對(duì)循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封的帶液情況，可以采取一系列措施進(jìn)行處理。例如，進(jìn)行保溫改造、伴熱改造、增加電加熱裝置以及改造除液器等。這些措施可以有效地減少或阻止液態(tài)物質(zhì)進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)。

(3) 對(duì)新氫工況，實(shí)現(xiàn)新氫壓縮機(jī)的無油潤(rùn)滑是一種解決干氣密封帶液?jiǎn)栴}的新思路。通過采用無油潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，可以從根本上解決干氣密封的帶液?jiǎn)栴}。