離心壓縮機干氣密封停氮氣工況問題研究

王 敏

(神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719000)

乙烯和丙烯的傳統制取方式是經過裂解石腦油生產的，它的弊端是過于依賴石油。以甲醇為原料生產乙烯、丙烯和其他低碳烯烴是最有希望取代以石腦油作為原料的生產工藝方法。目前，甲醇制烯烴技術的成熟化為煤或天然氣氣化生產有機化工原料開辟了一條新的技術路線，有利于改變傳統煤化工產品的格局，是實現能源化工延伸的有效途徑[1]。神華榆林能源化工有限公司MTO工藝主要有甲醇制烯烴裝置和烯烴分離裝置組成。產品氣壓縮機和丙烯制冷壓縮機作為烯烴裝置的核心設備，兩臺壓縮機的運行直接決定了裝置的平穩性。本論文主要探討離心式壓縮機停氮氣工況面臨的問題及技改措施。

1 干氣密封正常運行介紹

1.1 榆林化工機組干氣密封簡介

榆林公司烯烴分離裝置產品氣壓縮機目的是通過壓縮從而提高來料烴類氣體的壓力，對應提高烴類溫度，有利于烴類的分離，節約低溫材料使用；丙烯制冷壓縮機主要是以丙烯為循環介質，通過壓縮，冷凝，節流膨脹，蒸發四部組成，來為精餾塔物料的分離提供不同等級冷量。榆林公司兩臺壓縮機組全部由沈鼓設計安裝完成，兩臺壓縮機軸端密封均采用串聯式干氣密封，與傳統機械密封比較，干氣密封是一種無接觸式密封，主要靠動靜環形成的氣膜來潤滑。其主要由動環、靜環、密封圈、擋盤、彈簧、彈簧座與軸襯套組成[2]。榆林公司兩臺機組采用福斯生產的干氣密封，其中動環的材質為碳化硅，靜環材質為碳石墨，動環上開有2.5～10μm的雙向螺旋槽，與單向槽相比，其優點是防止事故狀態下，壓縮機轉子發生反轉使干氣密封失效，在正常機組運轉期間，經過濾的一、二級密封介質旋入螺旋凹槽形成3-5μm厚度的氣膜，使干氣密封動環與靜環實現非接觸運轉，從而達到不讓壓縮機缸體內工藝氣體向外泄漏的目的[3]。

1.2 一級密封氣

一級密封氣開停工過程中使用中壓氮氣作為密封介質，正常運行后切換為三段排出的丙烯作為密封介質(以丙烯制冷壓縮機為例)，其主要作用是為了防止壓縮機缸體內未經過濾和不干凈的氣體進入一級密封端面，從而污染一級密封端面。正常運轉期間，一級密封氣大部分通過梳齒迷宮密封進入壓縮機缸體，少部分氣體通過干氣密封一級端面動環上的螺旋凹槽，進入到一級密封端面放火炬腔體，此過程中會在一級端面之間形成3～5μm左右厚度的氣膜，防止動靜環干磨，同時對一級端面起到冷卻和潤滑的作用，保護干氣密封。

1.3 二級密封氣

二級密封氣采用氮氣作為介質，其主要作用是防止從一級密封端面泄露出來的一級密封介質通過梳齒密封進入到二級密封端面，對二級密封端面造成污染破壞，運行期間，大部分二級密封氣通過梳齒迷宮密封進入到一級密封放火炬腔體，與一級密封泄露介質混合共同進入熱火炬管線，少量的二級密封氣通過二級密封端面進入到二級密封端面放空腔體。

1.4 隔離氣

隔離氣也采用氮氣作為隔離介質，其主要作用是防止壓縮機組軸端軸承箱內的潤滑油進入到干氣密封系統，造成干氣密封失效，隔離氣一部分通過外側的梳齒密封進入到潤滑油側在放空口放空，另一部分經過內側的梳齒密封和二級端面泄露的少量二級密封氣混合進行放空。

圖1 丙烯制冷壓縮機干氣密封流程圖

2 停氮氣工況壓縮機組問題研究

神華榆林能源化工有限公司兩臺壓縮機的干氣密封系統，二級密封氣和隔離氣中的氮氣都來自于氮氣管網，但是在空分單元壓縮機事故狀態下，會造成管網氮氣中斷，缺少氮氣工況下，可能會使壓縮機難以運行。首先，氮氣的中斷會使二級密封氣失去作用，沒有介質作為動環的吸入介質，動環螺旋槽也就無法形成泵入效應，動靜環之間將無法形成氣膜，并且會緊密的貼合在一起，在壓縮機從正常運行轉速到零的過程中，將造成動靜環的干磨，使干氣密封失效，其次，隔離氣因氮氣中斷也就失去了作用，會造成軸承箱內的潤滑油進入干氣密封，污染干氣密封二級端面，同樣會造成干氣密封的失效，此時為了保護干氣密封防止其進一步破壞，必須做機組緊急停工處理，但是在壓縮機停機之后還將面臨一個選擇，停機之后兩臺機壓縮機的轉子還處于高溫狀態，為了防止轉子發生彎曲，造成更大的損失，必須立即對機組進行盤車處理，使轉子降至常溫，但由于缺少氮氣作為干氣密封開啟動靜環的泵入介質，又會遇到上述問題，在連續盤車過程中動靜環同樣將貼合在一起進行摩擦，并且摩擦過程中產生的熱量無法及時取走，當靜環碳石墨、動環的凹槽被磨損到一定的程度時，機組的干氣密封也就失去了作用，到時候必須對機組干氣密封進行檢修更換，不僅增加了設備維修成本，同時機組停工迫使裝置停工造成了大量烴類物料的浪費。

3 有效技改措施

為了解決上述問題，在停氮氣工況下保護干氣密封不失效，保證機組正常運行，避免不必要的停車，現提出以下技改措施(以丙烯制冷壓縮機為例)，技改管線方案如圖2，在原有的二級密封氣、隔離氣進料線基礎上新增加一根事故氮氣線，這樣就能夠實現在空分壓縮機事故狀態停止氮氣供應的情況下，直接將空分液氮罐的液氮經過換熱器加熱汽化后送至烯烴分離機組新配事故氮氣線上，操作時，只要將原先的來自氮氣管網的閥門關閉，將新配事故氮氣線閥門及時打開即可，以此來保證干氣密封系統二級密封氣和隔離氣的正常供應，干氣密封的正常運轉，從而保證兩臺機組正常運行。

圖2 技改后丙烯制冷壓縮機干氣密封流程圖

4 結束語

通過對產品氣壓縮機和丙烯制冷壓縮機干氣密封的技改措施，在原有二級密封氣和隔離氣的基礎上增加事故氮氣線，實現在氮氣管網壓力下降或中斷時，兩臺機組能夠正常運行，并且不會造成干氣密封系統失效，較未技改前，降低了干氣密封的失效風險和機組停車風險，助力裝置安穩長滿優運行。