焦化裝置富氣壓縮機干氣密封系統(tǒng)的應(yīng)用及維護研究

張光旭(中國石油化工股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

0 引言

文章以某石化企業(yè)的焦化裝置為例，該焦化裝置于2006年年初建成并投入生產(chǎn)，整個廠區(qū)半數(shù)左右的加熱爐所需的燃料氣由焦化裝置富氣壓縮機提供，因此壓縮機是廠區(qū)內(nèi)非常關(guān)鍵的設(shè)備。受生產(chǎn)工藝等多種因素的影響，會有少量的焦粉顆粒混入焦化裝置富氣中，進而對壓縮機的密封效果產(chǎn)生較大的影響。在實際設(shè)計的過程中，考慮到工藝介質(zhì)具有較高的危險性，并且介質(zhì)中存在焦粉顆粒等多種因素，該石化公司采用TM02A-158型雙端面干氣密封系統(tǒng)，壓縮機使用2MCL527-21 H582富氣壓縮機組，采用汽輪機進行驅(qū)動。在2006年經(jīng)過檢修調(diào)整后，壓縮機的密封效果依然能夠保持良好狀態(tài)，整個壓縮機組能夠長時間的穩(wěn)定運行，從而保證了企業(yè)的正常運轉(zhuǎn)。

1 干氣密封結(jié)構(gòu)和工作原理

干氣密封采用的是氣體介質(zhì)，其為非接觸式的機械密封，與普通機械密封相比，也有動環(huán)、靜環(huán)、彈簧以及O型環(huán)等部件。其動環(huán)的材料使用的為碳化鎢，靜環(huán)為碳環(huán)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓縮機處于停機狀態(tài)時，在彈簧的作用下，動環(huán)與靜環(huán)能夠緊密貼合，從而形成靜密封。當(dāng)壓縮機開始旋轉(zhuǎn)時，干氣密封的動環(huán)隨著軸與軸套同時轉(zhuǎn)動，密封器從環(huán)外進入，氣體被吸進密封螺旋槽內(nèi)，從外環(huán)的外徑流向中心，從而在整個圓周的螺旋槽上形成密封堰，密封堰會阻止氣體的流動。當(dāng)被引入的氣體壓力變大之后，動環(huán)與靜環(huán)之間便會分離，產(chǎn)生氣膜，而氣膜對氣體的流動產(chǎn)生阻力，氣膜的厚度介于3～10 μm。壓縮機在連續(xù)運轉(zhuǎn)的過程中，由于氣膜的彈性與穩(wěn)定性較好，因此能夠避免動密封與靜密封之間進行接觸，從而能夠保證密封效果。

2 干氣密封控制系統(tǒng)

圖2 所示的為干氣密封控制系統(tǒng)。實際工作時，首先外部的氮氣會經(jīng)過減壓閥與過濾器，之后分成兩條支路，一條支路當(dāng)作緩沖器，通過限流孔板到達(dá)干氣密封的介質(zhì)端，其壓力略微超出平衡管處的工藝氣壓力0.1 MPa左右，使得摻有焦粉等雜質(zhì)的工藝氣不能夠流入密封端面；另一條支路當(dāng)作主密封氣進入干氣密封的腔體，主要負(fù)責(zé)阻止氣體進入，利用系統(tǒng)的自立式壓力調(diào)節(jié)閥，對進口的壓力進行調(diào)整，使進口壓力大于介質(zhì)端緩沖氣壓力0.2 MPa左右。主密封氣流入密封腔后，如果想要向介質(zhì)端和大氣中泄漏，只能通過密封端面，所以其流量就是兩端密封實際的泄漏量，一般介于0.6～0.9 Nm3/h之間。部分泄漏氣經(jīng)介質(zhì)側(cè)的密封端面進入到工藝氣當(dāng)中，剩下的經(jīng)大氣側(cè)的密封端面進入外置的迷宮密封腔中。此時，通過引入部分的氮氣當(dāng)作隔離氣，使其進入到迷宮密封的密封腔中，對其進口壓力進行調(diào)整，使其壓力略微大于軸承箱的油壓20 kPa，從而可以形成較為穩(wěn)定的阻塞密封，使得軸承箱中使用的潤滑油不會流入到干氣密封中。因為干氣密封中使用的為氮氣，因此對大氣環(huán)境不會造成污染，能夠直接進行排空操作，因此密封器部分進入到軸承箱中，其余的通過干氣密封的大氣側(cè)密封端面進行排出，完成整個密封的循環(huán)[1]。

圖2 干氣密封控制系統(tǒng)

在對干氣密封的工作狀態(tài)進行判斷時，通常是對主密封氣流量進行檢測，根據(jù)監(jiān)測的實際情況進而進行相應(yīng)的判斷。當(dāng)干氣密封正常工作時，主密封氣入口段的流量是兩端的泄漏量總和，在實際測量時利用的是金屬轉(zhuǎn)子流量計，并將測得的結(jié)果輸送到控制室中，這個數(shù)值通常比較穩(wěn)定并且較小。當(dāng)兩端任何一段的干氣密封出現(xiàn)失效的情況時，流量會迅速增大，如果超過規(guī)定值，則控制室會發(fā)出信號報警，相關(guān)人員必須及時進行處置。

干氣密封系統(tǒng)相關(guān)的測量儀器在對現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的同時，對于較為關(guān)鍵處采集到的信號會輸送到中控室ESD系統(tǒng)中，并進行高低限位報警以及聯(lián)鎖設(shè)置，從而使中控室的操作人員能夠?qū)γ芊饧墓ぷ髑闆r進行實時的掌握，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行。在實際設(shè)置的過程中，應(yīng)滿足以下幾點要求：

(1)對主密封氣的氮氣流量進行報警裝置的設(shè)置，當(dāng)密封的泄漏量超過3 Nm3/h時，系統(tǒng)要進行自動報警，確保設(shè)備的運行安全；

(2)對主密封氣和緩沖器之間的壓差進行報警裝置的設(shè)置，當(dāng)PDI低于10 kPa時進行低報警，當(dāng)PDI低于50 kPa時進行連鎖停車；

(3)對主密封氣的過濾器壓差進行報警裝置的設(shè)置，當(dāng)PDI超過60 kPa時，進行高報警；

(4)對密封氣的入口壓力進行報警裝置的設(shè)置，當(dāng)PDI低于0.4 MPa時，進行低報警，同時氮氣瓶的氣源自動啟動。

密封系統(tǒng)所使用的測量儀器、過濾器以及閥門等裝置都需要與干氣密封的儀表盤相連，其中壓力、流量等輸出的是4～20 mA的模擬信號，經(jīng)過隔離轉(zhuǎn)換模塊后將信號輸送到PLC中。如果信號出現(xiàn)超限的情況，PLC輸出信號進行報警，當(dāng)數(shù)值達(dá)到連鎖停車的數(shù)值要求時，需要及時的進行停車，避免產(chǎn)生較大的問題[2]。

3 干氣密封的安裝

干氣密封因為它的機構(gòu)相對較為精密，因此對現(xiàn)場安裝有較高的要求。焦化裝置富氣壓縮機在進行干氣密封系統(tǒng)的安裝前，應(yīng)當(dāng)先將機組的汽輪機以及壓縮機進行聯(lián)動試車，確保合格之后再進行安裝，具體的安裝過程應(yīng)按照下列步驟進行：(1)在正式安裝前，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠家所提供的裝配圖，對密封件的各項尺寸以及精度進行嚴(yán)格檢查，確保能夠達(dá)到使用要求，同時對相關(guān)的密封配件進行清洗，重點需要對橡膠O型圈進行檢查，裝O型圈前先在其表面涂一層潤滑油脂，保證安裝完成之后的密封效果達(dá)到要求；(2)進行干氣密封旋轉(zhuǎn)體部件的組裝，整個組裝過程對環(huán)境有較為嚴(yán)格的要求，應(yīng)確保干凈整潔，確保不會混入雜質(zhì)。主密封采用的是集裝式，具體組裝順序為：旋轉(zhuǎn)件→內(nèi)彈簧座→外彈簧座→集裝式主密封→后置密封→確定調(diào)整墊的大小→將集裝式主密封裝到壓縮機內(nèi)部。在整個安裝過程中，需要按照組裝流程認(rèn)真完成每一步的安裝。安裝時需要借助專用工具，從而確保安裝效果，安裝完成之后需要進行仔細(xì)檢查，確保干氣密封上標(biāo)示的旋轉(zhuǎn)方向與實際的主軸旋轉(zhuǎn)方向相同，保證組裝的質(zhì)量能夠達(dá)到實際的應(yīng)用要求。

4 干氣密封的使用維護

本文中所分析的化工企業(yè)，其焦化裝置富氣壓縮機使用的干氣密封系統(tǒng)在2006年3月進行第一次試車，實際的密封質(zhì)量達(dá)到要求，效果良好。在后續(xù)的使用過程中，壓縮機由于其他工藝因素的影響，進行了多次的緊急開車與停車，經(jīng)歷了多次緊急情況后，干氣密封依然保持著良好的密封效果。現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)表明，當(dāng)壓縮機組的運行轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min時，根據(jù)主密封氣流量計所顯示的結(jié)果，兩端密封不存在泄漏的情況。而當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸增大，密封氣量也在增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到9 000 r/min時，兩端的密封泄漏量達(dá)到0.85 Nm3/h，存在0.1 Nm3/h的波動，整體基本穩(wěn)定。此時壓縮機組進入平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，密封腔的溫度開始增大，兩端密封的泄漏量隨著溫度增大而逐漸減小，最后穩(wěn)定在0.7～0.8 Nm3/h[3]。

2006—2011年，壓縮機在運行過程中，出現(xiàn)過一側(cè)密封泄漏量瞬間報警的現(xiàn)象，出現(xiàn)頻率為2次，不過這種情況很快消失了。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)是因為壓縮機組工藝參數(shù)出現(xiàn)波動以及部分流量計的質(zhì)量存在問題所引起的。此外，壓縮機還出現(xiàn)多次低速運轉(zhuǎn)以及喘振的情況，但經(jīng)過及時調(diào)整后干氣密封系統(tǒng)依然能夠保持良好的運行狀態(tài)，說明干氣密封的設(shè)計是可靠的，并且能夠抵抗較強的干擾，能夠滿足設(shè)備長期使用的要求。

雖然壓縮機干氣密封系統(tǒng)整體具有良好的運行狀態(tài)，但隨著使用時間的增加，密封氣的泄漏量還是有所增大，說明密封系統(tǒng)動環(huán)與靜環(huán)的接觸面存在損傷的情況。在2011年進行設(shè)備大修時，針對主密封氣量增大以及振動過大的情況，對壓縮機進行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)壓縮機部件上存在較為嚴(yán)重的焦粉粘結(jié)情況，導(dǎo)致壓縮機的葉輪大范圍結(jié)焦，厚度接近2 mm，并呈不均勻分布的狀態(tài)。此外，壓縮機的后端蓋上堆積了一層焦粉，而端蓋與葉輪間以及吸入隔板與葉輪間由于堆積的焦粉而導(dǎo)致間隙變小，使密封面出現(xiàn)了磨損。經(jīng)過拆機維修之后，壓縮機組又能夠繼續(xù)重新使用，干氣密封系統(tǒng)性能穩(wěn)定，密封效果良好[4]。

5 結(jié)語

壓縮機運行的可靠性對焦化裝置的穩(wěn)定運行十分重要，因此保證壓縮機的密封效果就顯得尤為關(guān)鍵。本文以具體案例為對象，對焦化裝置富氣壓縮機的應(yīng)用維護進行了具體的分析。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)干氣密封系統(tǒng)具有良好的密封效果，并且具有極強的抗干擾能力，能夠進行長周期的運行，保證壓縮機的密封質(zhì)量，從而使得壓縮機能夠持續(xù)穩(wěn)定的運行，對降低停機次數(shù)，提高企業(yè)經(jīng)濟效益有非常顯著的幫助。