某天然氣處理廠膨脹壓縮機密封氣 系統故障分析與對策

成應杰，苗建，李洋安，郭振中，孟廣行

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518054)

0 引言

天然氣制冷單元的核心設備是膨脹壓縮機，該機組的運行狀態對制冷和分餾單元有較大的影響，同時也直接關系到液態產品回收率。膨脹壓縮機主要由膨脹端、壓縮端、潤滑油系統、密封氣系統、PLC控制系統以及現場儀表組成，其中密封氣系統運行工況直接影響了膨脹壓縮機機組以及制冷單元的運行狀態。某天然氣處理廠的膨脹壓縮機在運行過程中發現其中密封氣的流量和壓力不穩定，對機組的運行穩定和制冷系統的運行帶來不良影響，需要通過對相關參數進行分析并查閱相關資料，找出影響該系統穩定運行的主要原因并提出合理的措施，從而使密封系統恢復穩定。

1 密封氣系統簡介以及異常工況概述

膨脹壓縮機主要由膨脹端、壓縮端、潤滑油系統、密封氣系統、PLC控制系統以及現場儀表、現場控制盤等組成[1]。其中密封氣的作用是通過引入高壓天然氣進入膨脹壓縮機的迷宮密封腔中，防止膨脹端的低溫天然氣泄漏至軸承造成機組損壞，同時阻止循環的潤滑油進入天然氣管線。膨脹壓縮機密封氣用于密封潤滑油和工藝流程介質，其氣源主要有兩個：(1)低溫分離器氣相出口來氣；(2)外輸氣壓縮機出口來氣。低溫分離器或外輸氣壓縮機出口來氣經過密封氣差壓調節閥(DPCV-14175)調壓后進入密封氣加熱器加熱到設定溫度，再經密封氣過濾器過濾分兩路分別進入膨脹壓縮機膨脹端、壓縮端[2]。膨脹壓縮機密封氣流程簡圖如圖1所示。

圖1 膨脹壓縮機密封氣流程簡圖

正常狀況下，密封氣系統經過密封氣差壓調節閥(DPCV-14175)調節，使密封氣差壓(密封氣過濾器出口壓力與膨脹壓縮機膨脹端葉輪背壓之差)維持在420 kPaG左右，確保密封氣流動順暢，一方面可防止潤滑油損失，另一方面可防止低溫天然氣進入膨脹壓縮機軸承導致損壞機組[3]。

自投產以來，A/B套制冷單元投用膨脹壓縮機時，密封氣源一直由干氣壓縮機出口來氣提供，某段時間以來，B套膨脹壓縮機在運行過程中發現密封氣差壓持續減小，密封氣流量也隨之下降。

當密封氣差壓由420 kPaG減小到300 kPaG左右時，操作人員手動增加DPCV-14175旁通截止閥開度，將密封氣差壓重新調整到420 kPaG左右。此后一段時間，密封氣差壓仍然持續下降，密封氣流量也減小。

當切換至制冷A套運行時，隨即出現以上相同的情況，如圖2所示。

圖2 膨脹壓縮機密封氣異常情況示意圖

2 密封氣系統異常原因分析

2.1 密封氣迷宮密封間隙增加

膨脹壓縮機的迷宮密封間隙增加，致使通過膨脹壓縮機迷宮密封的密封氣氣量增加，膨脹機密封氣過濾器下游壓力與膨脹端葉輪背壓之間差值越來越小，從而密封氣差壓逐漸降低[4]。但是根據拆機情況檢查，膨脹壓縮機的迷宮密封間隙未出現異常，因此可以排除迷宮密封間隙增加致使密封氣差壓降低。

2.2 密封氣加熱器盤管泄漏

通過采取了以下兩個措施進行排查：

(1)關閉密封氣加熱器導熱油進出口閥門，隔離導熱油流程，觀察導熱油壓力變化；(2)熱媒系統膨脹罐取樣化驗。

經觀察，密封氣加熱器導熱油路的壓力并沒有升高，取樣化驗的結果也沒有可燃氣顯示。由此，排除密封氣加熱器盤管泄漏原因。

2.3 DPCV-14175旁通截止閥故障

經分析，可能是DPCV-14175旁通截止閥故障引起上述異常工況。為此，將B套膨脹壓縮機切換至J-T閥，通過拆檢DPCV-14175旁通截止閥進行檢查。經過拆檢發現閥門并沒有任何故障，將流程切換至A套制冷，投用A套膨脹壓縮機之后也同樣出現類似情況。兩個閥門同時故障的可能性極低，則可以推斷出上文提到的異常狀況并不是DPCV-14175故障引起的。

2.4 密封氣流程管線堵塞

迷宮密封間隙增加、密封氣加熱器盤管泄漏、DPCV-14175旁通截止閥故障的原因均已排除，可導致上文異常情況的原因只能是密封氣流程堵塞，且堵塞情況隨著時間推移越來越嚴重。B套膨脹機運行時，拆檢DPCV-14175旁通截止閥排除閥門故障的過程中，并沒有發現閥門中存在贓堵物，可以將此處進行排除。

在投用了A套制冷單元后，A套膨脹壓縮機密封氣也出現同樣的異常情況，采用同樣的措施，也排除了膨脹機迷宮密封間隙增加、密封氣加熱器盤管泄漏、DPCV-14175旁通截止閥故障、DPCV-14175旁通截止閥管段堵塞等原因。

將密封氣氣源切換至低溫分離器氣相后上述異常情況立即消除。由此，可以判斷低溫分離器供氣管線上球閥至DPCV-14175旁通截止閥管段未出現堵塞。

基于A、B套膨脹壓縮機均出現同樣的異常情況，經分析，認為堵塞地方在干氣壓縮機出口至A、B套膨脹壓縮機密封氣氣源管線的匯管處，并且堵塞情況隨著密封氣流動越來越嚴重。

通過分析，當下游用戶不需要進行調峰時，PV-2101-2處于全關狀態，如果此時臟物(如：抹布、防火布等)沿著干氣壓縮機出口管線進入到密封氣氣源管線位置，而膨脹機處于運行狀態，密封氣流動可能將臟物攜帶進入匯管位置，造成臟堵[5]，如圖3所示。

圖3 膨脹壓縮機密封氣管線臟堵示意圖

3 密封氣系統供氣異常解決方案

經過分析，膨脹壓縮機密封氣出現異常情況的主要原因可能是干氣壓縮機出口來密封氣匯管處臟堵。在不影響正常生產的情況下，擬采用正、反兩種方式進行吹掃解決臟堵問題[6]。

3.1 正向吹掃

假設以A套膨脹機密封氣管線上PSV旁通管線作為吹掃氣排放口。將A套制冷單元處理量由膨脹機IGV轉移給J-T閥，停運膨脹機。通過調整PICA-1111的設定值將制冷系統入口壓力增加到與外輸氣壓縮機出口壓力值接近。隔離包含A套膨脹機密封氣加熱器在內的密封氣下游流程，打開PSV-A14171旁通1”球閥作為放空點，利用外輸氣壓縮機來貧氣和B套制冷單元低溫分離器來富氣作為吹掃氣，吹掃可能臟堵的管線，具體流程如圖4所示。

圖4 密封氣供氣管線臟堵段正向吹掃流程

3.2 反向吹掃

將膨脹壓縮機的處理量切換至J-T閥，并停運膨脹壓縮機。在終端工藝流程、機組設備、下游管網壓力允許情況下，提升PICA-1111設定值，盡可能提高制冷單元低溫分離器氣相出口的壓力，同時降低外輸氣壓縮機出口壓力，使得低溫分離器處的壓力高于外輸氣壓縮機出口壓力值[7]。隔離A、B套膨脹機DPCV-14175下游的密封氣流程，利用A、B套制冷單元低溫分離器的富氣，經過膨脹壓縮機密封氣兩路供氣流程，反向吹掃堵塞的密封氣管段。使得臟堵物進入站回流管線。當臟堵物進入站回流主管線后，停止反向吹掃，調整系統的參數，使得系統恢復至正常工況(外輸氣壓縮機出口壓力大于制冷單元低溫分離器壓力)，再利用站內回流將臟堵物吹掃至制冷單元冷箱A流道進口濾器處清理掉[8]。反向吹掃的具體流程如圖5所示。

圖5 密封氣供氣管線臟堵段反向吹掃流程

4 解決方案可行性分析

4.1 正向吹掃可行性

將制冷單元低溫分離器氣相出口壓力調整到跟外輸氣壓縮機出口壓力接近是可以實現的。在停用膨脹壓縮機情況下，利用密封氣流程PSV-14171旁通1”球閥作為放空口，對密封器管線堵塞段進行吹掃，臟堵物質前后的壓差可以保證在5 MPaG，甚至是更高，形成的推力足以推動一般堵塞物質，因此，正向吹掃具有一定的可行性[9]。當吹掃氣體推動臟堵物質前進，進入到DPCV-14175旁通截止閥處時，由于閥門通道較小，臟堵物質完全可能卡在閥芯處，此時只需要拆除閥門短接即可清除臟堵物。

4.2 反向吹掃可行性

將制冷單元低溫分離器壓力提升到高于干氣壓縮機出口壓力，此操作需要咨詢外輸氣壓縮機廠家，當外輸氣壓縮機入口壓力在2.9 MPaG時，外輸氣壓縮機出口最低壓力可以維持在何水平，這決定了反向吹掃的壓力差，也決定了能否將臟堵物質吹掃進入站回流匯管。另外，在保障外輸氣壓縮機出口最低壓力值可行的情況下，還要與下游管網溝通，確保此壓力情況下可以滿足下游用戶用氣要求。

就投產以來可記錄的運行參數顯示，外輸氣壓縮機進口壓力最低2.9 MPaG，出口壓力最低6.5 MPaG，下游管網最低壓力6.0 MPaG。若能保證外輸氣壓縮機出口最低壓力能維持在6.0 MPaG，再將制冷單元低溫分離器氣相出口壓力調整到7.0 MPaG，則可以保證反向吹掃的壓力差約0.8 MPaG。因為密封氣管線堵塞管段為垂直向上的立管，且管段不長(約50 cm)，若能保證反向吹掃的壓力差維持在0.8 MPaG左右，解決密封氣臟堵問題也具有一定的可行性。

當臟堵物質進入站回流匯管之后，關閉低溫分離器為A、B套膨脹壓縮機提供密封氣管線上的球閥。將工藝流程調整到正常生產工況(制冷單元入口壓力低于外輸氣壓縮機出口壓力)，投用站回流將臟堵物質吹掃進入冷箱A流道進口過濾器處，再拆檢過濾器，這樣即可解決密封氣管段臟堵問題。

5 方案實施后效果

通過正向吹掃和反向吹掃后，對制冷單元膨脹壓縮機的密封氣系統進行投用，密封氣系統在運行過程中有明顯改善，膨脹壓縮機在運行過程中密封氣差壓有明顯提升，密封氣流量能夠順利達到設計值。將吹掃前和吹掃后的密封氣系統參數進行對比，如表1所示。

表1 密封氣參數前后對比

由于異常工況得到順利解決，密封氣流量和壓力等系統參數逐漸恢復正常，膨脹壓縮機的運行狀態有了明顯好轉，避免了密封氣流量低造成停機的風險。同時，該問題的解決使制冷單元的溫度逐漸下降，制冷效果有明顯改善，液態產品回收率得到了大幅度提高，天然氣處理廠的液態產品生產處理能力明顯提高。

6 結語

分析表明造成膨脹壓縮機密封氣系統運行不穩定的主要原因是由于密封氣流程管線堵塞，造成密封氣流程不通暢。通過方案實施前后的數據對比表明對密封氣流程管線正向吹掃和反向吹掃可以有效解決密封氣管線臟堵的問題。通過問題分析、制定方案、可行性分析以及方案實施，成功解決了膨脹壓縮機密封氣工藝故障問題，有效提高了制冷系統的穩定性和液態產品回收率。通過對膨脹壓縮機密封氣工藝故障問題的解決，為天然氣深冷工藝領域提供了相關技術經驗參考。