往復式壓縮機填料泄漏在線監測裝置的應用

劉濤

在天然氣的儲存和運輸中，作為輸送動力的壓縮機是核心設備，設計選型時，較多采用的是離心式壓縮機和往復式壓縮機，離心式壓縮機較多應用于壓縮比較低的場合，對于壓縮比較大的場合，則以往復式壓縮機的應用居多。往復式壓縮機的特點是高壓比、低能耗、高效率、適用范圍廣，缺點是排氣不連續、轉速不宜過高、氣體攜帶油污、結構較大、易損件多、維修工作量大。

一臺完整的往復式壓縮機包括運動機構、工作機構、機身、潤滑系統、冷卻系統、氣路系統和控制安全系統。運動機構包括曲軸、軸承、連桿、十字頭、聯軸器組成，它是一種曲柄連桿結構，它把曲軸的旋轉運動轉換為十字頭的往復直線運動。機身是壓縮機的外殼，用來支撐和安裝整個運動機構和工作機構。工作機構由氣缸、活塞、活塞桿、氣閥、填料等組成。氣缸呈圓筒形，兩端裝有吸氣閥與排氣閥，活塞在氣缸中間做往復運動與氣閥相應的開、閉動作相互配合，使得缸內氣體依次實現膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程，不斷循環，將低壓氣體升壓而源源排出。

往復式壓縮機通過填料來密封氣缸與活塞桿之間的間隙，阻止氣缸中的高壓氣體沿著活塞桿向外泄漏。填料總成包括填料函和填料環，填料函由填料端蓋和多個填料盒組成，每個填料盒內有多個填料環，填料環層層減壓，末端壓力非常小。填料在運轉時要產生大量的摩擦熱，大型壓縮機的填料函都設有冷卻水槽用來冷卻密封填料，保證密封填料的正常使用。

填料函不嚴可造成漏氣，氣體一旦進入冷卻水系統危害是很大的，它會造成“氣堵”使填料函不能正常供水，密封填料就會急劇升溫，嚴重的會燒毀填料環。不過現在新的往復式壓縮機填料盒之間多采用硬密封（即金屬密封），能較好的防止填料函泄漏。

填料泄漏因填料損壞引起，填料損壞多由填料環彈簧斷裂和填料環變形、鼓包、斷裂等造成，填料環和彈簧斷裂可形成碎屑，碎屑進入填料函與填料的接觸面會造成填料函劃傷，碎屑也可造成活塞桿的磨損。填料泄漏也可引起壓縮機壓比失調、排氣量降低等，導致壓縮機無法正常運行，對生產工作造成巨大損失。填料泄漏存在趨勢性，如果泄漏初期能夠及時監測發現，則可以有效避免因此導致的設備損壞甚至火災爆炸事故。

目前對壓縮機填料的在線監測主要是通過測量填料函溫度的變化，但通過對多年壓縮機填料磨損故障的統計發現，在填料出現磨損泄漏時，填料函的溫度均未發生顯著改變，沒有起到有效的監測保護作用，同時從壓縮機排氣壓力、排氣量等方面也無法有效判斷初始故障何時發生，現有的填料監測手段對壓縮機填料故障的監測作用不明顯，難以在泄漏初期及時解決問題。

為實現對填料泄漏量的實時定量監測，能夠及早發現往復式壓縮機填料泄漏突然增大問題，保障設備運行的安全性，需要研制一種填料監測裝置。本監測裝置需要在壓縮機尾桿端填料放空管加裝小流量流量計，以實現泄漏量的實時監測，并將流量信號接入壓縮機控制系統和站控系統。

1.監測裝置流程

其中，1.熱式氣體質量流量計，2. 帶流量計傳感器的專用管段，3.流量計表頭，4.連接電纜，5.第一連接管，6.第二連接管，7. 填料泄漏放空管線，8.填料泄漏放空口，9.填料函端蓋，10.填料環，11.活塞桿，12.電纜，13.壓縮機控制柜，14.站控SCADA系統，15.去放空排污罐管線，16.填料放空排污罐，17.填料函。

2.流量計選型

（1）流量計的選擇

根據壓縮機填料放空壓力小、流量小的特點，選用熱式質量流量計進行測量。熱式流量計采用熱擴散原理，熱擴散技術是一種性能優良、可靠性高的技術。熱式流量計有兩個溫度傳感器被置于介質中時，其中一個傳感器被加熱到環境溫度以上的的溫度，另一個溫度傳感器用于感應介質溫度。介質流速增加，介質帶走的熱量增多，兩個溫度傳感器的溫度差將隨介質的流速變化而變化，根據溫度差與介質流速的比例關系，可得出流體的流量。熱式流量計具有計量準確精度高、靈敏度高、測量范圍寬、可測量超小流量等優點。

（2）流量計參數設定

往復式壓縮機填料泄漏量沒有明確標準，部分廠家一般要求泄漏量不超過排量的0.03%，按照某一壓縮機設計點排量為62×104Nm3/d，換算下來填料泄漏量應不超過7.75Nm3/h，流量計量程選擇0.2-20Nm3/h。

壓縮機填料密封屬于動密封，填料環層層減壓，泄漏之后的天然氣壓力非常小，流量計壓力選擇0.5MPa，詳細參數見表1。

天然氣組分：甲烷91.95%，乙烷4.49%，丙烷1.09%，正丁烷0.19%，異丁烷0.18%，正戊烷0.05%，異戊烷0.09%，己烷0.06%，氮氣0.56%，二氧化碳1.34%。

3.流量計安裝

由于壓縮機氣缸振動較大，流量計采用分體安裝方式，將流量計傳感器安裝在尾桿填料放空管線與尾桿筒放空管線匯合后的管線上，表頭安裝于外部支架，流量計電纜現場采用鋼管穿線鋪設，滿足現場防爆要求。

（1）流量計傳感器安裝

流量計選擇安裝在尾桿填料放空管線與尾桿筒放空管線匯合后的管線上，再將流量傳感器安裝在三通上，通過卡套固定。

（2）流量計表頭安裝

流量計表頭安裝在壓縮機氣缸旁邊比較穩固的支架上，用螺栓緊固。

（3）流量計電纜鋪設

流量計采用24V直流電源，從壓縮機控制柜接線。流量計傳感器電纜通過電纜套管，分別連接至流量計表頭和壓縮機PLC機柜，電纜走向見圖2

4.實現的功能

填料泄漏在線監測裝置可實時監測填料盒放空量和填料與活塞桿末級泄漏量，就地顯示，同時接入壓縮機控制系統和站控系統后可以實現遠程監控，并實現報警功能，能及早發現填料磨損，排除故障，避免發生更嚴重的損壞。

參考文獻：

[1]郭宇.活塞式壓縮機填料泄漏的分析及處理[J].石油和化工設備，2016，19（6）：79-81.

[2]王紹華，李長恩.往復式壓縮機填料密封泄漏原因分析及處理[J].設備管理與維修，2017，（11）.136-137.