離心式壓縮機干氣密封系統常見故障分析

楊 燁 渠建儒

1.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG 項目部， 湖北 黃岡 438011;

2.內蒙古西部天然氣股份有限公司， 內蒙古 鄂爾多斯 017000

0 前言

離心式壓縮機廣泛應用于石油、化工、冶金、動力、制冷等行業。由于工況的特殊性，尤其在壓縮易燃、有毒、有害氣體時，為了防止這些氣體沿壓縮機軸端泄漏或互竄，要求機體必須具備極高的密封性［1］。由于非接觸式干氣密封基本上不受PV 值的限制，因此特別適合在高速、高壓條件下工作的大型離心壓縮機上使用［2］。干氣密封的特點是泄漏量少、操作維修簡單、密封驅動功率小，目前在壓縮機中已普遍使用。本文對干氣密封系統現場操作與維護特點進行歸納分析，進一步優化提升干氣密封系統工況。

1 干氣密封系統結構及原理

1.1 干氣密封系統結構

3 MCL 1407 離心壓縮機采用約翰克蘭公司TM 02 D型串聯式干氣密封，其干氣密封系統結構流程見圖1。一級密封氣進入干氣密封系統分兩路:一路在壓力高于放空總管80 kPa 情況下進入機組二次平衡管，使二次平衡管壓力升高，防止一級密封端面出現反壓;另一路經過濾器后由控壓閥控壓大于0.3 MPa，再由一級密封氣低壓、高壓端流量計前針型閥調整流量為28 m3/h，進入低壓、高壓端一級密封腔形成氣膜保證壓力平衡。二級密封氣與隔離氣均采用0.6 MPa 低壓N2，N2自空壓制氮單元來經過濾器后由控壓閥控壓為0.5 MPa后分兩路:一路作為二級密封氣，由二級密封氣低壓、高壓端流量計前針型閥調整流量為19 m3/h 進入低壓、高壓端二級密封腔，二級密封氣主要是阻止從一級密封泄漏的工藝氣進入二級密封腔，其絕大部分氣體經中間迷宮與一級密封泄漏氣混合后高點放空，少量經二級密封端面泄漏后高點放空;另一路做為隔離氣進入低壓、高壓端隔離氣密封腔，進入隔離氣密封腔內的氣體一部分經后置迷宮前端與二級密封端面泄漏的氣體混合引至安全高點放空，另一部分經后置迷宮后端，通過軸承呼吸帽放空孔就地放空，此部分氣體能阻止潤滑油污染密封端面。值得注意的是一級密封氣與二級密封氣之間有一根平衡管，用來平衡和穩定兩級間的壓力，抵消密封面氣膜給主軸的推力，并與主軸兩端的止動軸承配合使用以防止主軸產生軸向位移［3］。

圖1 TM 02 D 型串聯式干氣密封系統結構流程

1.2 密封用工藝氣體

1.2.1 隔離氣

隔離氣一般采用N2，作用是防止軸承潤滑油進入干氣密封腔污染密封面，隔離氣壓力大于機油壓力、小于密封氣壓力。在操作上隔離氣必須先于潤滑油系統投用前啟用，后于潤滑油系統停用后關閉。

1.2.2 緩沖氣

為了防止壓縮機軸部未凈化工藝氣擴散污染密封面，擾亂干氣密封系統正常運轉，在密封氣進入干氣密封腔之前分離出一股氣體作為緩沖氣，通過限流孔板升壓進入緩沖器腔，然后過迷宮密封后進入機體內。

1.2.3 密封氣

密封氣分一級密封氣和二級密封氣，一級密封氣壓力大于二級密封氣。一般情況下，對于壓縮機內工藝氣為CO、N2、H2、空氣等時采用壓縮機出口工藝氣作密封氣，壓縮機內工藝氣為富氣或氣體內含烴類物質較多時采用N2作密封氣，通常情況下干氣密封多采用N2或空氣［4］。在壓縮機正常運行時，采用機組出口氣(1.68 MPa，75.1℃)作為一級密封氣源和平衡管補充氣，開停車狀態時用0.6 MPa 低壓N2作為備用一級密封氣源。

1.2.4 動力氣

密封氣在壓力不夠時，必須經過增壓泵加壓到一定值才能進入系統正常工作。氣泵一般為一用一備，由N2或空氣經過穩壓閥持續提供動力驅動氣泵運行。驅動氣氣源為N2(0.6 MPa)，由減壓閥控制到0.55 MPa 后進入增壓泵驅動腔體。

1.3 干氣密封原理

離心式壓縮機各缸體主軸兩端都有密封，分為高壓端和低壓端，目的都是防止氣體泄漏［5］。每端的密封結構都是由串聯的機械氣封和迷宮式密封組成。其中串聯的機械氣封是離心式壓縮機干氣密封結構的主要組成部分，它由動環、靜環等部件組成。

圖2 密封件結構

干氣密封原理是利用流體靜力和流體動力的平衡來實現的［6］。干氣密封由動環、靜環等部分組成，密封件結構見圖2。干氣密封的動環面上加工有一系列的螺旋形流體動壓槽并經過特殊的拋光處理，平面度和光潔度很高。運轉時，氣體隨環旋轉由外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節流作用，進入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高［7］。在該壓力作用下，動環與靜環之間的密封面被推開，流動的氣體在密封面間形成一層很薄的氣膜，阻塞泄漏間隙達到非接觸式密封目的［8］。

2 現場故障實例

因為壓縮介質為易燃、易爆物質，所以要求壓縮介質不能泄漏到大氣，也不允許密封氣泄漏進壓縮機內。干氣密封系統工作條件見表1，每一密封單元的泄漏量見表2。

表1 干氣密封工作條件

表2 每一密封單元的泄漏量

密封是否失效可通過監控密封氣進出流量來判斷。主密封氣入口端流量大約為壓縮機高壓、低壓端泄漏量之和，其值由現場浮子流量計測量并傳至中控室，該值應基本維持穩定且較小。當壓力和流量突然升高或降低時說明有密封故障，若達到警報值會觸發邏輯關系引起聯鎖，需進行應急處理［9］。

2.1 聯鎖停機

試車初期DCS 系統多次顯示一級密封泄漏量過小導致聯鎖。起初判斷為氣壓不穩形成脈沖氣流導致表針卡盤觸發邏輯關系引起聯鎖。故在試車前確認氣源的穩定性并確保各過濾器、管線未發生堵塞，在試車期間派專人進行現場巡檢并用木槌敲擊管線防止流量計因自身問題出現卡盤，但仍多次出現報警。最后整合故障參數、校驗流量計后發現通常干氣密封泄漏量很小，有時僅為設計量的1 /5，流量計選型過大造成在低流量情況下計量不準而聯鎖。更換流量計后故障消除。

2.2 密封失效

試車完成后離心式壓縮機開始引入工藝氣轉為正常工作，一級密封氣隨即轉為工藝氣。但隨后又發生密封失效引起報警。拆開機組內部密封后發現密封面有不同程度損壞并有液體出現。結合生產工藝和設備自身情況綜合分析得出:由于介質氣含輕烴，冷卻后出現凝液污染密封面導致密封失效。改變相應工藝參數，適當升高工藝氣溫度后問題解決。

2.3 操作失誤

試運一段時間后各參數基本趨于平穩，可仍發生了DCS 系統報警。因為前幾次故障中已仔細排查了設備、線路等自身問題，因此初步判斷故障與操作有關。報警時一級密封泄漏量發生波動，判斷為當一級密封發生波動出現突然泄漏增加的情況下，由于放空前的針型閥開度較小，干氣密封放空火炬排放不暢，密封腔的壓力突然上升，觸發邏輯關系而引起聯鎖［10］。查閱現場巡檢記錄后發現此期間由于各參數基本穩定，所以現場操作員只進行日常巡檢并未對突發情況產生預警，導致故障發生。

3 故障匯總與防治

LNG 工廠整體經過長達1 年的試車準備階段后正常生產。干氣密封故障統計數據見表3。

表3 干氣密封故障統計數據

4 結論

干氣密封系統是離心式壓縮機組正常工作的先決條件，正確的操作和有效的維護直接影響到干氣密封系統各項工況。保證進氣質量，控制好密封氣的壓差，防止泄漏、干磨，嚴格按照操作規程依次開關閘門是干氣密封系統穩定運行的基本保證。運行過程中要密切注意干氣密封系統有關參數的變化，找出干氣密封運行規律，及時發現隱患，妥善處理突發問題。深入分析優化干氣密封操作及時調整工況指標，可大大減少離心式壓縮機及其相關設備維護費用和企業生產成本，提高工作效率。

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