離心式天然氣壓縮機(jī)密封氣系統(tǒng)優(yōu)化改造

劉文山，信和勇，武煒(中海石油(中國(guó))有限公司崖城作業(yè)公司，廣東 深圳 518067)

0 引言

隨著崖城13-1氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，地層壓力持續(xù)下降，為保證天然氣壓力滿足處理的要求，2008年投產(chǎn)兩臺(tái)Dresser-RandD12R5S型號(hào)的濕氣壓縮機(jī)用于天然氣處理前增壓。濕氣壓縮機(jī)的密封氣氣源取自濕氣壓縮機(jī)出口，氣源沒有經(jīng)過脫水與脫重?zé)N處理，作為密封氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前要經(jīng)過一套濕氣密封系統(tǒng)進(jìn)行處理，濕氣密封系統(tǒng)包含有：滌氣罐、加熱器、過濾器、密封氣增壓系統(tǒng)、流量控制閥等。

1 干氣密封工作原理

Dresser-RandD12R5S型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端的密封均使用中間帶有迷宮密封的串級(jí)干氣密封[1]，在干氣密封外側(cè)和軸承腔室之間使用屏障密封，內(nèi)側(cè)與葉輪系之間使用軸用迷宮密封，在壓縮機(jī)進(jìn)出口端之間裝置平衡連接系。屏障密封用于分隔軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)和干氣密封系統(tǒng)，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入干氣密封；軸用迷宮密封和自帶的迷宮密封，主要用于減少密封氣使用量。平衡連接系主要作用是降低壓縮機(jī)出口端密封氣的背壓，同時(shí)平衡部分軸向力。干氣密封是整個(gè)壓縮機(jī)密封系統(tǒng)最關(guān)鍵的設(shè)備，它的狀態(tài)直接決定了壓縮機(jī)的泄露量。

2 密封氣系統(tǒng)的組成

濕氣壓縮機(jī)的密封氣氣源取自濕氣壓縮機(jī)出口，此處氣源沒有經(jīng)過脫水與脫重?zé)N處理，作為密封氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前要經(jīng)過一套濕氣密封系統(tǒng)。濕氣密封系統(tǒng)包含有：滌氣罐、加熱器、過濾器、密封氣增壓系統(tǒng)、流量控制閥等，控制流程較為復(fù)雜。濕氣需經(jīng)過密封氣系統(tǒng)處理，在加熱、過濾、增壓、流量調(diào)節(jié)后進(jìn)入濕氣壓縮機(jī)密封內(nèi)。使用干氣對(duì)壓縮機(jī)軸端進(jìn)行密封，由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)內(nèi)部介質(zhì)為濕氣，為了防止在啟動(dòng)、低速運(yùn)轉(zhuǎn)及停機(jī)時(shí)，未經(jīng)過濾的氣體介質(zhì)會(huì)反竄到干氣密封將會(huì)損壞密封面，為防止事故增加了防污染系統(tǒng)密封氣增壓系統(tǒng)。

2.1 增壓泵運(yùn)行

增壓泵是增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，用往復(fù)式、空氣驅(qū)動(dòng)的增壓泵來增加密封氣的壓力。需要時(shí)，機(jī)組邏輯啟動(dòng)增壓泵運(yùn)行，氣體通過增壓泵，增壓后的氣體重新引回到密封氣源管路。當(dāng)壓縮機(jī)產(chǎn)生并能維持足夠供干氣密封所需的壓差時(shí)[2]，機(jī)組邏輯將關(guān)閉增壓器，密封氣源恢復(fù)到正常的流通管路。增壓器的運(yùn)行由機(jī)組邏輯和連接兩位球閥的電磁閥控制，接通電磁閥使空氣驅(qū)動(dòng)兩位球閥，兩位球閥打開時(shí)，驅(qū)動(dòng)氣和工藝氣分別進(jìn)入增壓泵。增壓泵使用過濾后的儀表風(fēng)作為驅(qū)動(dòng)氣體。增壓系統(tǒng)不需要繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，密封氣管路上的單向閥讓密封氣回到正常的供氣管路，繞過增壓系統(tǒng)。

2.2 增壓泵出口壓力控制

增壓器增加密封氣壓力通過壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)來控制。增加驅(qū)動(dòng)氣壓力，將提高密封氣的供氣壓力和供氣量，從壓縮機(jī)出口引來的密封氣，經(jīng)過增壓泵出口壓力控制調(diào)壓閥后，控制密封氣的壓力高于壓縮機(jī)進(jìn)口壓力一個(gè)定值。

2.3 壓力脈動(dòng)控制和過濾

當(dāng)高壓氣體離開增壓泵時(shí)，增壓泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成壓力脈動(dòng)，為了控制干氣密封裝置的用氣量，需要調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥的開度[2]，并控制密封氣的流量使其保持在一定的范圍內(nèi)。在增壓器的下游有用于減輕脈動(dòng)強(qiáng)度的緩沖罐。針閥有輔助的減輕脈動(dòng)的作用，初始狀態(tài)時(shí)，針閥處于全開位置。如果脈動(dòng)幅度過大，可順時(shí)針方向緩慢調(diào)整針閥開度。監(jiān)測(cè)控制盤上的流量計(jì)用來反映針閥調(diào)整的影響。全關(guān)針閥將引起增壓器停止循環(huán)，中斷向密封供給清潔的氣體。調(diào)壓后的密封氣需經(jīng)過濾單元過濾，增壓器下游的過濾器用于撲集增壓器后的污染和顆粒，保障干氣密封裝置的密封面不因外物顆粒影響造成損壞，差壓表監(jiān)視該過濾器芯的狀態(tài)當(dāng)壓差超過預(yù)定值時(shí)，必須更換濾芯。

2.4 排放和自動(dòng)切斷

增壓泵中間段的安全排放口,消除正常運(yùn)行時(shí)通過活塞桿密封泄漏出的工藝氣積累。安全排放管線連接到就地大氣排放口，在增壓泵下游的管線上平行地安裝有孔板和單向閥。如果增壓泵的密封失效，會(huì)導(dǎo)致中間段和孔板上游的壓力升高。孔板上游的排放管線上安裝有壓力變送器，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，將在機(jī)組PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào),系統(tǒng)邏輯將會(huì)關(guān)斷增壓器，直到報(bào)警信號(hào)恢復(fù)初始值。

密封氣增壓泵控制復(fù)雜，牽涉的輔助設(shè)備較多，而只要密封氣氣源有足夠的壓力，且干凈程度達(dá)到要求，就可以作為密封氣，而且可以不用經(jīng)過密封氣增壓系統(tǒng)，直接供給干氣密封使用.這樣不但降低了設(shè)備維護(hù)成本，還可以保證設(shè)備的可靠性。

3 密封氣系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀

密封氣源來自濕氣壓縮機(jī)出口，氣源壓力隨著壓縮機(jī)啟動(dòng)、加載、載荷波動(dòng)、停機(jī)的變化而變化。密封氣增壓系統(tǒng)只有在壓縮機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)的過程中，密封氣源壓力過低時(shí)才工作，其他時(shí)候處于不工作狀態(tài)，使用率很低。在啟機(jī)和停機(jī)階段，由于密封氣源壓力過低，而要啟動(dòng)增壓泵，而增壓泵又由于密封氣源不夠干凈，導(dǎo)致增壓泵內(nèi)部密封破損[3]，增壓泵排放壓力增高導(dǎo)致設(shè)備關(guān)停；由于濕氣經(jīng)常在分離器出產(chǎn)生結(jié)蠟現(xiàn)象，導(dǎo)致密封氣不暢，引起設(shè)備關(guān)停。

增壓壓縮機(jī)處于海上空曠的環(huán)境，增壓系統(tǒng)長(zhǎng)期不工作，各部件容易結(jié)鹽銹蝕出現(xiàn)故障，控制增壓泵啟停的雙向球閥多次因結(jié)鹽而無法動(dòng)作；壓縮機(jī)的干氣密封也因出現(xiàn)因?yàn)槊芊鈿庀到y(tǒng)故障導(dǎo)致在不夠干凈的氣源下工作干氣密封受損[4]，密封氣系統(tǒng)及干氣密封配件費(fèi)用較高，密封系統(tǒng)維護(hù)成本居高不下。

4 密封氣系統(tǒng)失效原因分析

濕氣作為密封氣源，是導(dǎo)致濕氣壓縮機(jī)密封氣系統(tǒng)故障率高的關(guān)鍵。由于密封氣系統(tǒng)不能正常工作，在每次在充壓、卸壓過程中，未經(jīng)過濾的濕氣便會(huì)通過軸用迷宮密封系統(tǒng)[5]進(jìn)入干氣密封，這樣便會(huì)損傷干氣密封，嚴(yán)重影響使用壽命。

4.1 天然氣濕氣含液多

密封氣源取自壓縮機(jī)后冷卻器下游氣體，是沒有經(jīng)過脫水、脫重?zé)N的濕氣，氣體經(jīng)過等壓降溫后會(huì)有液體出現(xiàn)。加熱器只能把密封氣加熱到135 ℉，不能完全除液，液體進(jìn)入增壓泵，使密封圈損壞，泵不能正常工作。

4.2 天然氣濕氣雜質(zhì)多

密封氣經(jīng)過過濾分離器把液體去除，由于濕氣中雜質(zhì)較多，導(dǎo)致自動(dòng)排液閥堵塞，不能自動(dòng)排液，由于天然氣濕氣未脫水脫烴作為密封氣源，造成濕氣壓縮機(jī)密封供給系統(tǒng)由于氣源雜質(zhì)多而出現(xiàn)故障。

5 密封氣系統(tǒng)改造方案

干氣密封裝置使用的密封氣體必須干燥、潔凈，不得含有液體或固體雜質(zhì)[6]。為了提高濕氣壓縮機(jī)的可靠性及降低密封氣系統(tǒng)的維護(hù)成本，提出密封系統(tǒng)的氣源優(yōu)化方案，改造后的密封氣氣源選取自燃料氣系統(tǒng)。為解決密封氣引壓點(diǎn)壓力和流量的問題，以香港海管返回氣作為單獨(dú)燃料氣源時(shí)建立模型來計(jì)算，香港管線返回氣管線直徑3寸，供氣壓力7 584.2 kPa，燃料氣平臺(tái)最大使用量453 000 m3/天，來模擬計(jì)算300 m長(zhǎng)的香港返回氣管線的壓力降等信息，通過分析軟件分別對(duì)3寸管線，1寸管線，1.5寸管線及1寸的分支管線進(jìn)行氣源狀態(tài)分析計(jì)算，經(jīng)理論計(jì)算、模擬數(shù)據(jù)，香港返回氣管線供氣量能滿足燃料氣量與密封氣量同時(shí)最大量運(yùn)行，最大密封氣用量不影響燃料氣的供給，且1寸管線末端氣相占比為1，沒有液體析出。

5.1 密封氣源壓力穩(wěn)定

密封氣氣源選取自燃料氣系統(tǒng)，香港海管返回氣為平臺(tái)燃料氣系統(tǒng)的氣源之一，香港海管直徑28 in，全長(zhǎng)778 km，等同于大型儲(chǔ)氣罐，燃料氣氣源壓力十分穩(wěn)定。

5.2 簡(jiǎn)化密封氣系統(tǒng)

香港海管返回氣壓力在濕氣壓縮機(jī)任何工況階段都滿足壓力要求，不再需要密封氣增壓系統(tǒng)的支持，簡(jiǎn)化了密封氣流程，提升了可靠性。

5.3 消除密封氣結(jié)液風(fēng)險(xiǎn)

原密封氣是沒有經(jīng)過脫水、脫重?zé)N的濕氣，改造后的密封氣為香港海管中的天然氣，是經(jīng)過了脫水脫烴的干氣，消除密封氣結(jié)液的風(fēng)險(xiǎn)。

5.4 節(jié)約成本多

改造內(nèi)容是利用原有的密封氣管線，從現(xiàn)有的燃料氣氣源之一的香港海管返回氣引出一根一寸半的管線，分兩路引入到兩臺(tái)濕氣壓縮機(jī)原有的密封氣系統(tǒng)，兩路分別添加一個(gè)關(guān)斷閥，再在原有的密封氣管線上加一個(gè)單向閥。新密封氣源啟用后，省下了原密封系統(tǒng)增壓泵所需的高額升級(jí)費(fèi)用及后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用。

6 結(jié)語

此次改造，用干氣作為密封氣，簡(jiǎn)化濕氣壓縮機(jī)的干氣密封系統(tǒng)，提高了密封系統(tǒng)的可靠性，解決密封系統(tǒng)故障率偏高等問題，提高了機(jī)組可靠性，降低對(duì)進(jìn)口設(shè)備及配件的依賴。