壓縮機干氣密封系統不穩定運行狀態分析及對策

甘 捷，朱治鵬，蔣安荔，張玉琳

(國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司， 湖北 武漢 430000)

1 引言

干氣密封系統是壓縮機安全穩定運行的重要保障，而干氣密封是干氣密封系統的核心，它是防止壓縮機在高壓力高轉速下天然氣外漏的一種非接觸密封[1]。由于干氣密封不需要水、油等液體來潤滑和冷卻，因此常被用作以氣體為工作介質的壓縮機、風機、燃氣輪機等轉動設備的軸密封裝置。在石油化工行業的氣體轉動設備中使用的軸密封包括迷宮密封、浮環密封、機械密封等，從經濟實用性、使用壽命和可靠性來看，干氣密封比這些密封都要好得多。

在天然氣長輸管道上使用的壓縮機兩端軸承密封一般采用的是串聯式干氣密封，如在某站場的壓縮機是離心式壓縮機，驅動方式為電驅，機組型號為PCL503，壓縮機的軸封采用的是博格曼串聯式干氣密封，該站曾出現過2臺機組在充壓過程中，驅動端的干氣密封一次放空壓力為零的異常問題，使用非檢修更換干氣密封的方法進行處理，經啟機測試后，一次放空壓力顯示正常。

2 干氣密封系統的組成

干氣密封系統往往是由增壓加熱撬、干氣密封過濾器、進口差壓調節閥、一次放空流量計、一次放空壓力監測儀表、背壓控制閥和各個管路組成，如圖1。干氣密封氣源一般從壓縮機出口匯管進行取氣，經過干氣密封增壓加熱撬增壓加熱，在自動模式下，當壓縮機出口匯管與進口匯管壓差低于0.3 MPa，增壓加熱撬的增壓泵自動投入運行進行增壓；當壓縮機出口匯管與進口匯管壓差高于0.5 MPa時，增壓泵停止工作。

圖1 干氣密封系統圖

干氣密封過濾器是對干氣密封氣源進行過濾，氣體的流量對過濾器的過濾效果造成一定的影響，要求氣體的最大流量小于18 m3/h。當流量太大時，容易造成過濾器密封圈損壞和濾芯的前后壓差過大，影響過濾效果。干氣密封過濾器濾芯精度要求是0.1 μm，保證能去除3 μm以上的顆粒雜質，確保干氣密封系統的完好。

由于干氣密封氣源壓力比腔體壓力高很多，為了實現干氣密封與壓縮機腔體壓差始終維持在0.1 MPa，在干氣密封系統中需要設計安裝一個進口差壓調節閥將壓差控制在0.1 MPa。同時，為了避免在腔體充壓過程中，調節閥前后壓差過大，往往還會在調節閥兩端增加一個帶有3.4 mm孔板的旁路管線，待壓差較小時，調節閥才開始進行調節，確保調節閥能穩定工作。

在一些干氣密封系統中，也會使用到一次放空背壓控制閥，用來調節一次放空壓力和一次放空流量，維持一次放空壓力穩定。當一次放空壓力的背壓設置較高時，一次放空流量往往就會減小。如果干氣密封存在問題時，一次放空壓力就會出現較高或較低的現象，一次放空壓力和流量值常常會加入到機組連鎖停機的邏輯，當干氣密封損壞時，一次放空壓力會出現高高報而連鎖停機，保護機組運行安全。

3 干氣密封系統不穩定運行原因分析

干氣密封系統不穩定運行狀態往往體現在干氣密封一次放空壓力低或壓力高等現象。對于這種情況，可以先從儀表工作狀態、背壓控制閥進行排查，確定一次放空壓力的儀表顯示值、背壓控制閥設定值是否存在問題，之后再考慮干氣密封自身問題。干氣密封主要由動環、靜環、彈簧座、彈簧和軸套組成，動環端面開有螺旋槽，槽深度為2.5～10 μm[2]，動靜環間必須要有潔凈的氣體，以保證在其端面形成一個穩定的氣膜，氣膜厚度為2～3 μm[3-5]，使其密封端面完全分離[6]。為了排查干氣密封工作情況，可以對機組的驅動端與非驅動端一次放空管線法蘭進行拆卸，對比檢查干氣密封一級密封實際放空情況，如果放空量明顯異常，則可以確定是干氣密封存在問題，產生的原因往往可能是干氣密封的一級彈簧存在油漬，造成彈簧無法正常工作，使得動靜密封環無法正常打開，導致一級密封放空壓力異常。同時，為了確定二級密封是否也存在問題，對機組潤滑油泵停運，關閉隔離氣后，拆卸二次放空管線法蘭，如果驅動端與非驅動端的二次放空管線都沒有氣體逸出，則說明二級密封完好，如圖2。

圖2 干氣密封示意圖

在2020年9月，某壓縮機站場對備用機組準備啟機操作，投入干氣密封氣源，在對腔體進行充壓后，發現壓縮機驅動端干氣密封一次放空壓力始終顯示為0.01 MPa，遠遠低于正常值0.1 MPa，而非驅動端干氣密封一次放空壓力顯示正常值0.1 MPa，該臺機組停機時間已有1個多月，停機時驅動端干氣密封一次放空壓力顯示正常，之后對其進行正常放空，期間，只是每周對機組進行盤車操作。此次驅動端干氣密封一次放空壓力顯示異常的原因就有可能是干氣密封內存在油漬，造成一級彈簧無法正常工作，從干氣密封進油的可能性進行分析，有以下可能性：

(1)機組在運行過程中，腔體內存在油污，已經進入到干氣密封內，機組停機后，隨著腔體溫度變化，油污冷卻后，粘附在一級密封彈簧處，影響干氣密封動靜環打開。

(2)機組處于冷備狀態，每周對其進行盤車，盤車前都需要投入隔離氣，隔離氣的作用是防止機組的潤滑油進入到二級密封內，因為盤車時，機組已停機放空，一級密封這邊就沒有天然氣的正向氣壓，如果隔離氣自身存有油漬，隔離氣中的油就會通過二級密封慢慢地滲入到一級密封內。

(3)潤滑油系統的潤滑油進入到干氣密封內，當潤滑油泵在運行時或油泵停運回油過程中，如果此時關閉隔離氣供應，潤滑油也很容易進入到干氣密封內。

針對以上3種可能性，站場對機組腔體進行排污，未發現污物；檢查該機組干氣密封濾芯，濾芯比較干凈，過濾器筒內也未發現油污的情況；也不存在潤滑油泵在運行，隔離氣關閉的情況。但對隔離氣過濾器檢查中，發現隔離氣濾芯底部存在較多油污，隔離氣中含油，使油污進入干氣密封的可能性要大一些。

4 問題處理及防范措施

當干氣密封一次放空壓力顯示異常時，常規處理方法是更換新的干氣密封，更換干氣密封完全是可以解決這類問題，但干氣密封價格較為昂貴，直接更換也會造成企業維修成本增加。針對干氣密封內油漬干結影響一級彈簧正常工作，導致一次放空壓力異常的情況，可以嘗試采用熱傳導的方式使油漬從一級彈簧處滴落下來，這樣一級彈簧就能恢復正常工作。由于干氣密封安裝在壓縮機軸承處，只能通過投用干氣密封增壓撬的加熱器，對干氣密封氣源加熱，用氣體傳導熱量的方式使油漬溫度升高，如果投入干氣密封氣源時壓縮機腔體不帶壓，由于進氣調節閥前后壓差較大，調節閥自動模式下會處于關閉狀態，靠旁路管線的孔板進氣，由于孔板節流效應，進入干氣密封的氣體溫度會下降很多，就起不到真正熱傳導作用。

對此，投入干氣密封氣源后，需要對腔體進行充壓，干氣密封增壓撬加熱器也要一直處于投用狀態，待腔體充壓完成后，對差壓調節閥的閥門開度在手動模式下調整到30%～40%的開度，保證進入到干氣密封內的氣源溫度較高，期間，也會進行盤車操作。經觀察兩日，該機組的驅動端干氣密封一次放空壓力緩慢恢復正常值0.10 MPa，上漲趨勢較為平緩，如圖3。之后，對該機組進行啟機測試，機組在運行中驅動端的干氣密封一次放空壓力一直處于穩定狀態，維持在0.10 MPa，一次放空流量也顯示正常。

為了避免干氣密封內存在油漬，影響干氣密封系統運行，在日常維護中要做好以下防范措施：

(1)在冬季氣溫較低，投入干氣密封外部氣源前，先啟用干氣密封增壓撬加熱器，腔體充壓完畢后，需要關注調節閥的閥門開度，保證溫度較高的氣源進入到干氣密封內，避免干氣密封內出現冷凝油或水的情況。在現有設計的一些干氣密封系統中，也是把增壓撬的加熱器溫度與干氣密封氣源進口閥門邏輯連鎖，當增壓撬的加熱器溫度高于某個設定值后，才能開啟閥門投入干氣密封氣源。

(2)停用潤滑油系統的潤滑油泵后，短時間內不能停用該機組的油霧分離器和隔離氣，要觀察回油視窗，確認回油完畢后，再停用油霧分離器和隔離氣。

(3)對于隔離氣存在油漬的情況，如果隔離氣的除油過濾裝置不達標，會造成隔離氣帶有油漬，對隔離氣過濾器除油效果進行評估，選取除油效果更好的過濾裝置。

(4)定期更換干氣密封過濾器濾芯，當過濾器濾芯差壓較高時要及時進行更換，同時，機組每次停機后，都要對腔體進行一次排污操作。

(5)干氣密封要定期進行拆檢維護，對干氣密封內的密封圈、彈簧易損件進行更換，對氣道進行清理，維護周期一般是5年。

5 結論

(1)針對壓縮機干氣密封一次放空壓力顯示異常的問題，從干氣密封的使用情況和工作介質環境進行考慮，對異常問題進行排查，可能是一級密封彈簧無法正常工作，導致動靜環不能正常打開引起。

(2)建議可以嘗試在腔體保壓的狀態下，投用增壓撬加熱器，通過盤車、調整進氣控制閥開度的方式進行處理，這也是嘗試處理此類問題的一種參考方法。