加氫改質裝置循環氫壓縮機組干氣密封系統改造與應用研究

楊亮 楚學永 寇蕊娜 唐海光 唐?。ㄇ嗪Ｓ吞锕靖駹柲緹捰蛷S）

在加氫裝置中，循環氫的作用是保持反應系統氫分壓、帶走反應熱以及控制反應床層溫度，從而保證加氫反應的順利進行。加氫裝置的循環動力由壓縮機提供，因此循環氫壓縮機是加氫裝置中關鍵的動力設備，它的運行可靠與否直接關系到加氫裝置能否保持正常運行[1]。據統計，某煉油廠加氫改質裝置在2018年之前，因干氣密封系統帶液失效造成循環氫壓縮機聯鎖停車和裝置非計劃停工總計3次，通過對干氣密封系統的帶液原因進行分析，對一級密封氣氣源的選用進行探討，并通過系統流程改造徹底解決了主密封氣帶液的問題，保證了壓縮機組和裝置的長周期安全平穩運行。

1 工作原理

某煉油廠加氫改質裝置循環氫壓縮機的軸端密封采用串級干氣密封，因為串聯式干氣密封“以氣封氣”，不需要密封油和冷卻水，省去了封油系統及用于驅動封油系統運轉的附加功率負荷，控制系統也比封油系統簡單，泄漏量小、壽命長、運維費用低，更適應裝置長周期運行的需要[2]。

循環氫壓縮機干氣密封的結構如圖1所示，圖1中：A為一級密封的進氣口，氣體的主要成分為介質氣，進氣流量≥87.3m3/h(標況)，進氣溫度≥64.6℃；B為二級密封的進氣口，氣體的主要成分為氮氣，進氣流量≥2m3/h(標況)，進氣溫度≥20℃；C為隔離氣進氣口，氣體主要成分為氮氣，進氣流量≥39.42m3/h(標況)，進氣溫度≥20℃；D為一級密封的泄漏口，泄漏壓力≥0.1MPa；E為隔離氣和二級密封放空口。

圖1 循環氫壓縮機干氣密封結構

串級密封的工作原理：一級和二級密封的原理相同，動環固定在旋轉軸上，靜環與殼體一起固定，壓縮機運轉時，動環隨著轉軸一起旋轉，密封氣沿著動壓槽由外向內運動，因動壓槽密封堰的節流作用，進入動壓槽內的氣體被壓縮[3]，氣體壓力升高，在該壓力的作用下，靜環密封端面被推開，流動的氣體使動靜環之間形成一層很薄的氣膜，在離心力的作用下，隨著動環與靜環斷面的間隙增大，端面間氣壓降低，間隙低至原來狀況時，密封氣體經動壓槽密封堰節流后，密封端面壓力再次升高，從而形成新的氣膜，進而對機體外泄的工藝介質起到良好的密封作用[4-5]。動環密封面動壓槽簡圖如圖2所示。

圖2 動環密封面動壓槽簡圖

因此，為了保證循環氫壓縮機的穩定運行，并且在轉子與定子之間存在間隙的情況下，干氣密封的作用就顯得尤為重要，穩定的干氣密封系統就是循環氫壓縮機正常運行的良好保障。

2 干氣密封系統現狀

2.1 存在的問題

該廠加氫改質裝置循環氫壓縮機因干氣密封失效造成機組聯鎖停車和裝置非計劃停工后，在拆除干氣密封的過程中發現，干氣密封外側的金屬表面存在黑色的油性物質，一級密封進氣過濾器濾筒內可以看見明顯的液滴，高、低壓缸密封泄漏排火炬流量計后單向閥內有蠟油與碳石墨凝結物，拆除高、低壓缸一級密封進氣管線法蘭，均有固液混合物流出，拆檢干氣密封組件發現一級密封動環碎裂成多塊，動環外側有明顯發藍高溫燒灼現象。可以看出，干氣密封系統一級密封氣（壓縮機出口的工藝氣）帶液較多，一級密封氣帶液進入到一級密封動、靜環面，使兩個面之間微小的氣膜間隙受到破壞[6]，液體黏附到動、靜環面上，摩擦產生熱量，由于動、靜環材料不同，最終導致動環面炸裂，干氣密封失效，干氣密封低壓端一級動環碎裂圖見圖3、一級靜環磨損圖見圖4。

圖3 干氣密封低壓端一級動環碎裂圖

圖4 一級靜環磨損圖

2.2 原因分析

循環氫壓縮機的工藝流程如圖5所示。從圖5可以看出，循環氫壓縮機的壓縮介質來自D102和D104，在加氫裝置中，D102是高壓分離罐，用于氣液分離，D104是循環氫壓縮機的入口分液罐，用于脫去介質氣中所帶的液體，而造成干氣密封失效的主要原因就是工藝氣中帶液，因此可以得出，壓縮機入口分離罐和分液罐的氣液分離效果不徹底。通過觀察循環氫壓縮機入口分液罐D104發現，其液位在一周時間內上升10%左右，可以斷定，高壓分離器D102頂部復合層脫液器分液效果不佳，在頂部將反應產物中液相組分混著循環氫帶入壓縮機入口分液罐D104和循環氫壓縮機K102，并隨著壓縮機出口的工藝氣帶到干氣密封系統內。

圖5 循環氫壓縮機工藝流程

此外，一級密封氣氣體溫度未滿足設計要求，設計要求一級密封氣進入干氣密封控制盤前的溫度應在69.6℃以上，干氣密封過濾器處的溫度應在66.6℃以上，進入密封腔的溫度在64.6℃以上，雖然一級密封氣管線加有保溫和電伴熱，但從干氣密封過濾器處的溫度歷史趨勢來看，溫度基本上在55℃左右，明顯低于設計要求，從而使密封氣中的凝液低于露點溫度析出。

一級密封過濾器的濾芯只起到了除3μm以上的固體雜質的作用，濾芯及過濾器容積只考慮少量液滴，未考慮到工藝氣會存在較多液體的現象，過濾效果不佳。工藝氣中未過濾掉的油液組分，帶到干氣密封系統內，長時間運行造成干氣密封系統失效[7-8]。

3 采取的應對措施

針對循環氫壓縮機工藝氣帶液嚴重的問題，該廠先后采取了以下一系列措施：

1）增加循環氫壓縮機入口分液罐和一級密封過濾器的脫液次數。

2）每兩周檢查1次一級密封過濾器的濾芯，若使用情況良好，則可以延長使用周期，若濾芯帶液污染嚴重，則及時更換濾芯。

3）改中壓蒸汽作為一級密封氣的伴熱并對一級密封過濾器后的管線增加保溫，以提高一級密封氣的進氣溫度，確保密封氣的溫度在其露點以上，避免凝液析出。

4）大檢修期間，更換高壓分離器D102破沫網以達到更好的氣液分離的目的。

5）優化操作，生產過程中盡量保證壓縮機轉速的穩定，避免系統壓力和溫度大幅波動，以保證干氣密封氣膜的穩定。

以上措施施行后干氣密封系統運行有所改善，但沒有完全解決一級密封氣帶液的問題，之后在檢查更換一級密封過濾器濾芯時仍發現濾芯上有蠟油、柴油、水等液體。

4 干氣密封系統的改造

4.1 一級密封氣氣源的選用

循環氫壓縮機采取以上措施后仍未能解決一級密封氣帶液的問題，那么尋找一個新的密封氣氣源可成為解決該問題的有效辦法，選用新的一級密封氣氣源需滿足以下要求：

1）干氣密封元件加工精度高，要求密封氣體是清潔干燥的，最大顆粒尺寸不超過3μm，也要防止密封面上液體來破壞動靜環之間的氣膜剛度，造成動靜環損壞[9]。

2）氣體的溫度必須滿足要求，因為氣體的溫度會影響干氣密封的氣膜剛度，在不同溫度下，氣體的黏度是不一樣的，溫度越高、黏度越大、氣膜剛度越大[10]。

3）氣源的壓力流量必須滿足要求，這樣才能阻塞住密封腔內的介質氣，達到密封的目的。

4）密封氣源進入壓縮機腔體后對機內介質沒有污染。

綜上所述，在加氫裝置內能滿足以上條件只有新氫壓縮機出口的氫氣，新氫壓縮機的氫氣來自于PSA提氫裝置，PSA原料氣經吸附塔吸附劑提純后，除去了所帶液體和雜質，最終從吸附塔頂得到純度為99.9%以上的干燥氫氣，經新氫壓縮機兩級壓縮后再與循環氫混合。新氫壓縮機的出口壓力11.0MPa，而循環氫出口壓力也在11.0MPa，新氫壓縮機的出口溫度在95℃左右，滿足干氣密封一級密封氣的溫度設計要求（進入干氣密封控制盤前的溫度應在69.6℃以上），因此新氫壓縮機出口氫氣完全可以作為新的一級密封氣氣源。

4.2 干氣密封系統的改造

在2018年大檢修期間該廠對循環氫壓縮機干氣密封氣源進行了改造，干氣密封氣源改造流程見圖6，通過新增一條新氫管線作為干氣密封系統一級密封氣氣源，原干氣密封氣源（壓縮機出口工藝氣）作為備用氣源，并通過氣動球閥實現氣源的相互切換，改造后可徹底解決主密封氣帶液的問題。

圖6 干氣密封氣源改造流程

5 干氣密封系統改造后的應用

5.1 改造后的運行情況

2019年12月該廠將循環氫壓縮機干氣密封系統一級密封氣氣源由工藝氣改為氫氣運行，從投運后近2年來的運行情況來看，干氣密封一級密封氣流量控制在95～120m3/h(標況)，一級密封氣與平衡管壓差控制在0.15～0.3MPa，一級密封氣溫度控制在80～100℃，各運行參數正常；檢查干氣密封過濾器濾芯未見帶液，可繼續使用，濾芯的更換周期由原來的每兩周逐漸延長至目前的12個月，干氣密封系統運行良好，循環氫壓縮機在本周期內運行平穩，改造投用后效果明顯。

5.2 改造后的成果

1）經濟效益：干氣密封過濾器濾芯的更換周期由每兩周延長至12個月，減少了職工勞動強度和材料成本，每年可節約材料費16.1萬元；通過停用原一級密封氣中壓蒸汽伴熱，每年可節約39.42萬元。

2）社會效益：解決了設備長期運行存在的安全隱患，減少了因機組聯鎖停車和裝置非計劃停工排放對環境造成的污染。