干氣密封在液力透平上的改造及應用

馬昌岳，宋秉川

（大連西太平洋石油化工有限公司，遼寧大連 116610）

0 引言

某加氫裂化裝置液力透平設備位號HT-1101，為能量回收設備，是將熱高分液相流體中的壓力能轉換為機械能的動設備。熱高分的液相物流通過液控閥B 和切斷閥進入液力透平，回收能量后進入熱低壓分離器；當液力透平故障時，熱高分液相經控制閥A 降壓后進入熱低分，保障裝置反應系統的正常運行。液力透平回收的能量用于驅動高壓進料泵，透平正常運行時可以大幅降低高壓進料泵電機的運行功率，是加氫裝置重要的節能設備。液力透平各項參數：入口壓力14.94 MPa；出口壓力2.85 MPa；工作溫度288 ℃；密度648 kg/m3；轉速5136 r/min；密封腔壓力2.85 MPa；介質為熱高分油氣，如蠟油、柴油、H2、H2S 等。

1 密封初始配置

液力透平輸送介質為易燃、易爆、有毒的液相介質，根據API682 的要求，原設計選用的密封為約翰-克蘭公司的加壓雙端面機械密封，沖洗方案選用的PLAN53B（圖1），阻封液正常操作壓力維持在3.0 MPa，阻封液循環經過翅片進行散熱冷卻。液力透平運行后，由于轉速高、密封釋放熱量大，阻封液冷卻效果差，導致密封液膜出現汽化，密封很快出現失效泄漏，致使雙端面密封在液力透平上使用失敗。

圖1 沖洗方案PLAN53B

2 密封改造

2.1 密封方案的選擇

隨著國家對安全環保要求的提高和煉化行業競爭形勢的加劇，對加氫裂化液力透平進行雙端面密封改造，成為公司一項節能降耗的技術攻關。

近年來，由于干氣密封技術的進步，干氣密封已經在液態烴等介質泵上成功使用，并且達到了很好的使用效果，干氣密封的結構應用于高壓、高轉速工況可以達到更好的密封效果，因此非接觸式的干氣密封更適合在加氫裂化液力透平上使用。

經過調研與論證，確定使用帶中間梳齒的串聯式結構、由一套雙端面加壓密封及一套單端面密封串聯組成的干氣密封方案，即主密封為雙端面密封、輔助密封為單端面密封。API 沖洗方案選用PLAN32+74+72+76。熱高分油的溫度為288 ℃，為避免因高溫靜密封出現故障，密封圈選用材料全氟醚橡膠（FFKM5），全氟醚橡膠耐熱溫度為290 ℃；動靜環材料選用SiC/C，SiC 和石墨的耐熱溫度為480 ℃，密封圈及動靜環材料的選擇滿足溫度使用要求。

2.2 沖洗方案的確定

干氣密封沖洗方案選用PLAN32+74+72+76（圖2）。

圖2 干氣密封流程

（1）沖洗方案PLAN32。即為密封提供具有較低蒸汽壓力或能夠在一定程度上提供密封壓力的沖洗液，并且密封沖洗液從密封腔進入到介質內后，必須與被輸送的介質相容。根據加氫裂化裝置的工藝條件，確定選用壓力至少3.0 MPa 的蠟油進行洗油，由于沖洗油壓力要求比較高，現場無法直接提供沖洗油，為解決沖洗油來源，初步考慮兩種方案：①增加1 臺低流量、高揚程的旋噴泵，單獨為液力透平密封提供外沖洗油；②利用裝置潔凈的反應系統二級進料（反應器未轉化油，壓力20.0 MPa，溫度300 ℃），經降溫、減壓之后，直接對密封進行外沖洗。為減少投資和施工作業風險，決定將反應系統二級進料作為沖洗油，經過核算，增加1 臺冷卻器和15 級孔徑為Φ3 mm 的降壓孔板，將反應系統二級進料降溫至100 ℃，壓力降至3.2 MPa，來滿足密封PLAN32 沖洗方案的要求。

（2）沖洗方案PLAN74（圖3）。通常用于雙端面加壓密封，密封氣壓力一般高于密封腔壓力，用于可靠性要求非常高的工況，以防止密封承受反壓或其他可能導致密封失效的介質進入密封端面。液力透平密封腔壓力為2.85 MPa，一二級密封為主密封，密封端面為面對面布置，所需一級主密封氣壓力至少為3.2 MPa，主密封氣通常選用為潔凈的氮氣，由于現場工藝條件所限，裝置內無法提供如此高壓力的氮氣。綜合考慮之后，決定選用潔凈的氫氣，經新氫壓縮機一級壓縮后，氫氣壓力為4.4 MPa，再經分液和減壓，將氫氣壓力控制在3.5 MPa 作為主密封氣，調節主密封氣流量保持在3.0 Nm3/h 進入到密封一級和二級密封端面，維持端面氣膜剛度。

圖3 沖洗方案PLAN74

（3）沖洗方案PLAN72+76（圖4）。阻封氣用于把主密封泄漏的介質從外部密封帶入到收集系統，以便減少主密封介質進入到大氣中。輔助密封所用二級密封氣為0.6 MPa 氮氣，通過流量計前的針型閥，調節二級密封氮氣用量維持在5.0 Nm3/h，用于將主密封的二級密封泄漏的氫氣帶入到火炬系統，同時監測二級密封的運行情況。

圖4 沖洗方案PLAN72+76

2.3 密封監控配置

由于液力透平輸送易燃、易爆介質，為保障液力透平密封運行的可靠性和安全性，將干氣密封運行參數與液力透平入口切斷閥相關聯，設置聯鎖保護。

（1）主密封氣壓力監控。主密封氣（經過濾的氫氣，過濾精度≤1 μm）在干氣密封運行的每個階段都應該保證壓力≥3.2 MPa，一旦壓力低于3.2 MPa，將會出現干氣密封竄入液體的風險，無法滿足干氣密封的安全運行，液力透平入口切斷閥聯鎖關閉。

（2）泄漏氣流量監控。主密封的二級泄漏氣正常運行時與二級密封氮氣流量一致，調整二級密封氮氣在5.0 Nm3/h，一旦二級密封出現泄漏，泄漏氣流量將會增大，當泄漏氣流量增大至16.0 Nm3/h 時，液力透平入口切斷閥聯鎖關閉，將液力透平快速停下。

（3）泄漏氣壓力監控。二級密封出現泄漏時，泄漏氣流量和壓力都會升高，為避免泄漏的氫氣倒竄入二級密封氮氣內，設置了泄漏氣壓力高聯鎖關閉二級氮氣切斷閥，防止氫氣竄入氮氣管網系統。

3 操作注意事項

液力透平干氣密封，被阻封介質為熱高分油等液相，所用主密封氣為氫氣，二級密封氣為氮氣，在開停機過程中及日常維護中，需注意以下事項。

3.1 開停車時的注意事項

液力透平開車時，先投用PLAN74 方案的主密封氣，再用介質對透平內部進行灌注和排氣，打通透平出入口流程后，投PLAN32 方案的外沖洗液，最后投用PLAN72+76 方案的二級密封氮氣和放火炬。

液力透平停車時，先關閉外沖洗液，再將液力透平出入口閥關閉，將透平內部泄壓，關閉二級密封氣，最后關閉主密封氣。

3.2 日常維護注意事項

每天巡檢記錄主密封氣進氣流量和壓力、泄漏氣流量和壓力，外沖洗油壓力；對主密封氣過濾器每天巡檢兩次，當發現過濾器前后壓差達到100 kPa 時，應及時切換到備用過濾器，將已堵過濾器濾芯進行更換，使之處于備用。關注主密封氣分液罐液位，一旦出現高液位及時進行排液。

4 結論

加氫裂化裝置液力透平干氣密封的成功使用，在雙端面密封的使用上，克服了密封線速高、溫度高、密封腔壓力高的難題，同時為裝置運行帶來了安全和經濟效益：①為加氫裝置熱高分的液位增加一路控制措施，避免單路液位控制一旦出現故障，熱高分液位滿罐導致加氫裂化停工的風險；②降低反應系統高壓進料泵的電機功率，實際回收功率達到1000 kW，電費按0.5元/kW·h 計，每年可節約電費400 萬元。