解密干氣密封裝置及控制系統

解密干氣密封裝置及控制系統

特約撰稿人：中石化重慶天然氣管道有限公司 王磊

中石化天然氣分公司 黃志

天然氣長輸管道需要在沿途建立增壓站，通過壓縮機多級壓縮，實現天然氣長距離輸送。壓縮機是天然氣管道輸送的“心臟”，壓縮機軸端的干氣密封(如圖1)及控制系統是其最重要的部件之一，其運行的安全性和可靠性將關系到機組能否長周期穩定工作。一旦機組因密封故障停機，將直接影響下游供氣。

某增壓站是全國第一個采用國產壓縮機輸送頁巖氣的站場，是全國第一個在國產壓縮機使用國產干氣密封及控制系統的站場，是國內使用國產壓縮機壓比最大的站場。現以該項目為例，探討國產干氣密封裝置及控制系統在天然氣管線壓縮機的應用。

該密封由串聯式干氣密封和后置的梳齒密封組合而成。串聯式干氣密封相當于前后串聯布置的兩組單端面干氣密封。第一級干氣密封為主密封，基本上承受全部的壓差，以從機組出口端引出的工藝氣體經過濾、調壓后作為其工作氣體。第二級干氣密封為輔助安全密封，通常情況在很低的壓差下工作。通過一級密封端面泄漏出少量的工藝氣體，大部分通過火炬進行安全排放，只有極少部分通過二級密封泄漏出并引至室外高點安全排放。一級密封如失效，二級密封即可迅速做出反應發揮密封作用，可避免一級密封失效時工藝氣的大量外泄。該密封為整體集裝式結構，出廠前已精密地裝配成一體，通過定位塊板將動、靜部分連接在一起，防止在運輸過程中，零件之間因相互碰撞造成的損壞。同時，安裝時不需要分解，整體直接裝入機組殼體內后取下定位板即可，便捷且軸向定位準確，從而避免因現場重新拆卸組裝引起的裝配精度下降以及環境中的粉塵等雜質對密封的影響，使用效果能夠得到充分保證。

圖1 干氣密封結構

在已建成投用西氣東輸等多個項目的管線壓縮機中，干氣密封及控制系統均采用進口產品。某國產干氣密封公司承擔了中石化某輸氣管道項目的壓縮機干氣密封及控制系統配套工作。

干氣密封解決方案

針對該項目機組流量大、功率高、工況變化范圍大、密封工作氣體組分復雜多變、二級密封的工作環境較差、機組頻繁啟停、現場無氮氣源、工藝介質氣體易燃易爆等技術難題，逐一采取有針對性的解決方案。

●采用一體式過濾器

一級密封供氣來自于壓縮機出口端的天然氣，天然氣含有顆粒及液滴，成分較復雜，需作嚴格地凈化處理。氣源引入干氣密封控制系統后，通過凝聚式過濾器對氣體進行過濾。過濾器為一開一備，配置一體式恒流切換閥，能在更換濾芯時快速、方便地切換至備用過濾器，可避免因切換對一級密封氣流量和壓力帶來的波動，使干氣密封處于穩定的工作環境。該過濾器能處理1μm以上固體懸浮顆粒及微小液滴，高于API614標準4μm要求，過濾效率達到99.5%以上。

●優化設計干氣密封動壓槽

在機組運行周期內，針對出現試車、開停車、循環及正常工作等多種壓力條件的情況，要求密封適用壓力范圍寬，能在各種壓力的波動變化下穩定工作。

選擇了氣膜剛度好且流體靜壓效應強的單向螺旋槽，考慮到一級、二級密封端面工作狀態的差異，對端面槽形參數進行優化設計，經過試驗驗證，達到一級密封端面泄漏量控制在8m3/h以下，使二級密封在保證正常工作的前提下做到最小的泄漏。

●優化氣膜厚度

針對管線壓縮機存在啟停次數多的特點，設計的關鍵應在最低的開啟轉速上。在滿足正常泄漏量和可靠性的前提下，密封應具有盡量低的開啟速度。即在全壓啟停時，干氣密封的動靜環已處于基本脫離的狀態，通過對氣膜厚度的變化判定密封端面是否處于脫離的狀態，使密封具有足夠的流體靜壓效應而不依賴于動環的轉速。

根據氣膜厚度測量數據和運行結果分析，在運轉狀態下，3μm氣膜厚度可以視作端面為脫離狀態。密封在1.5MPa以上，即在全壓下啟停應為端面脫離狀態，通過對該密封連續300次工廠啟停試驗，獲得良好的效果。

●設置電加熱器

隨著氣源和季節的變化，天然氣可能存在大量帶液的情況。而一級密封氣通過調節閥減壓后的氣體會產生焦耳/湯姆遜效應，溫度會明顯降低，一級密封氣經過調節閥減壓后降溫約在20℃以上。天然氣中含有少量的重組分烴類介質，這類介質在降溫過程中，由于露點較高，容易析出液態烴被帶進密封端面，造成干氣密封的損壞。根據該項目天然氣組分，計算露點曲線，減壓后的壓力為4.1MPa，露點-44℃左右，為最大可能地保證工藝氣不出現帶液的情況，在減壓后系統配置了電加熱器，對降溫后的氣體加熱至60℃左右，使其遠離露點，增加了干氣密封運行的可靠性。

●配置干氣密封增壓裝置

在壓縮機停車和場站最初的開車階段，壓縮機的進出口壓差小，導致一級密封氣的兩路氣源壓力不足，不能有效地阻擋住臟的工藝氣，需要配置增壓裝置，來提供滿足干氣密封開停車階段需要的一級密封氣流量。由于增壓裝置僅在開停車階段短時間使用，從經濟性考慮，整個項目采用一套增壓裝置能夠滿足四臺壓縮機同時需要。

在同時滿足一級密封氣流量≤70m3/h、壓縮機進出口壓差≤2.0MPa、壓縮機進口壓力≥0.5MPa三個條件時，該增壓裝置啟動，壓縮機投用增壓后的氣源作為一級密封氣氣源；一級密封氣流量≥140m3/h、壓縮機進出口壓差≥4.0MPa、壓縮機進口壓力≤0.3MPa中任一條件滿足時，該增壓裝置停用，壓縮機投用出口端工藝氣作為一級密封氣氣源。

●控制一級密封泄漏氣壓力

干氣密封工作壓差過低將會影響其長周期運行的可靠性。該密封由于沒有二級密封氣，故二級密封可能存在工作壓力偏低的情況。

通過一級泄漏氣管線上設置的背壓閥PCV3穩定泄漏氣壓力至0.15MPa，即二級密封的工作壓力，可保證二級密封在適合的壓力下可靠工作。這既能通過對干氣密封的一級泄漏氣去監控一級密封的運行情況，還可為二級密封的運行建立足夠的壓力。

●避開二級密封泄漏氣爆炸極限

二級泄漏氣含有微量的工藝氣和空氣，工藝氣來自于二級密封端面泄漏，空氣來自于隔離氣介質方向的泄漏，混合氣體存在著爆炸的安全隱患。對二級密封泄漏氣爆炸極限（5%～15%）進行分析，計算隔離氣注入量為57m3/h，考慮安全裕量，確定隔離氣需要的流量為80m3/h。一部分隔離氣通過介質側迷宮泄漏與二級密封泄漏氣混合后，進入二級密封泄漏氣通道引至室外安全排放，另一部分通過大氣側迷宮泄漏至機組軸承箱內，防止潤滑油污染密封。

現場運行效果

該增壓站4臺壓縮機國產干氣密封裝置及控制系統已平穩運行了2年，干氣密封工作壓力、一級端面泄漏量均控制在設計范圍和生產運行規程內，也未出現干氣密封非正常泄漏、損壞等失效問題，總體運行良好。標志著天然氣長輸行業中，管線壓縮機干氣密封本體和控制系統國產化的首次應用獲得了成功，解決了國外產品價格高、服務不及時等難題。