乙烯制冷壓縮機高壓缸非驅動端干氣密封運行問題

王培歌,劉洋

(中韓(武漢)石油化工有限公司發展技術部,湖北 武漢 430082)

武漢80萬t/a乙烯是采用國內具有自主知識產權ST技術的首套裝置,乙烯熱泵/制冷壓縮機K-601(“以下簡稱K-601”)是蒸汽透平驅動的四段離心式壓縮機系統,乙烯精餾塔與乙烯制冷壓縮機組成開式熱泵系統,它提供-62,-80,-101 ℃三個冷凍級位。

1 K-601干氣密封系統簡介

2020年乙烯裝置脫瓶頸改造中,K-601壓縮機干氣密封系統對更換為福斯流體控制有限公司(福斯公司)干氣密封。

該干氣密封本體采用帶中間迷宮的串聯集裝式干氣密封,隔離密封為迷宮密封,旋轉方式為雙向旋轉,干氣密封最高工作壓力至少為滯止壓力。

密封本體的主要部件為:動環(材料為碳化硅)、靜環(材料為特種石墨)、密封圈(材料為氟橡膠/PTFE)、靜止/旋轉金屬件(材料為1.4313)、彈簧(材料為哈氏合金C)等。

壓縮機配獨立的干氣密封控制盤,以及密封器正常用壓縮機出口氣(17 ℃,1.79 MPaG),當壓縮機出口壓力低時自動切換中壓氮氣(2.5 MPaG)。

低壓缸一級密封氣供氣配差壓調節閥,取主密封氣與平衡管差壓及主密封氣的差異值低選后做參考自動調節。高壓缸一級密封氣配差壓調節閥,區主密封氣與平衡管壓差自動調節。火炬背壓正常0.02 MPaG,最大0.05 MPaG。二級密封氣和隔離氣采用低壓氮氣(0.6 MPaG),二級密封氣配自力式減壓閥控制,兩端配流量變送器。隔離氣配自立式減壓閥控制,配壓力變送器和限流孔板。一級密封氣泄漏氣兩端配一個壓力變送器和三個流量變送器(見圖1～2)。

圖1 乙烯壓縮機K-601低壓缸干氣密封系統

圖2 乙烯壓縮機K-601高壓缸干氣密封系統

每套密封性能指標見表1。

表1 乙烯壓縮機K-601干氣密封指標

2 K-601干氣密封運行情況和處理過程

乙烯壓縮機K-601在2020年脫瓶頸改造更換干氣密封投用運行后,整體上運行較為平穩。但2022年7月26日和10月4日,高壓缸非驅動端干氣密封一級密封氣泄漏量出現增大現象。

2.1 2022年7月26日運行情況及處理過程

2.1.1 運行情況

2022年7月26日5∶10,高壓缸非驅動端干氣密封泄漏流量由原來的12.5 Nm3/h增大到15.3 Nm3/h,二級密封氣進氣量由9.86 Nm3/h降至8.23 Nm3/h(圖3):

圖3 2022年7月26日K-601高壓缸非驅動端一級密封氣泄漏情況

2.1.2 處理過程

經檢查發現:2022年7月26日,由于天降大雨,二級密封氣低壓氮氣溫度出現下降,非驅動端一級密封氣泄漏量出現增大(圖4)。

圖4 一級密封氣泄漏流量與二級密封氣溫度關系

處理過程:對二級密封氣過濾器進行切換,更換新的濾芯(圖5);一級密封氣入口過濾器增加電伴熱,伴熱帶功率為50 W/m,實測溫度21 ℃(圖6)。

圖5 二級密封氣過濾器更換濾芯

圖6 一級密封氣過濾器增加電伴熱

2.2 2022年10月4日運行情況及處理過程

2.2.1 運行情況

2022年10月4日凌晨1:10高壓缸非驅動端泄漏流量增大到19.6 Nm3/h,二級密封氣降至最低4.53 Nm3/h(圖7)。

2.2.2 處理過程

考慮2022年10月4日天氣氣溫變化較大(32 ℃降至14 ℃),由將一級密封氣盤站至缸體增加臨時蒸汽伴熱,泄漏流量降低至17.6 Nm3/h,二級密封氣流量4.53 Nm3/h增大至7.23 Nm3/h(圖8)。

圖8 一級密封氣盤站至缸體增加臨時蒸汽伴熱

3 原因分析

3.1 密封氣不干凈、不干燥影響

影響干氣密封泄漏量上升的主要因素為密封氣不干凈、不干燥。這兩點會對干氣密封產生致命的影響。

密封氣帶液或帶雜質主要對動靜環端面造成磨損,影響氣膜的建立。同時雜質還會對干氣密封的動態密封組件造成破壞,即使動靜環氣膜還在,密封氣也有可能從動態密封組件處泄漏出去。

針對中韓石化乙烯壓縮機高壓缸的非驅動端的泄漏曲線圖(圖9),經聯系福斯公司,以福斯公司的經驗判定,動靜環和動態密封組件沒有破壞,給出理由如下。

圖9 高壓缸非驅動端一級干氣密封泄漏曲線圖

如果密封氣帶液或帶雜質,破壞了動靜環端面,一般直觀的體現為泄漏曲線會出現瞬間的降低(因為氣膜的消失,動靜環會在一瞬間內貼合在一起,泄漏量會突然降得很低)后立即升高。從目前的曲線圖上未發現泄漏量瞬間降低的現像。

(1)排除了密封氣帶液或帶雜質的因素,我們也可以排除動態密封組件失效的情況。如果動態密封組件失效,泄漏量也會瞬間上升,而且是不可逆的。

(2)液體或顆粒物對密封端面及動態密封未造成破壞,不代表未污染動態密封組件。

若密封氣存在細微的雜質顆粒物,經過長時間的運行,雜質顆粒物可能會堆積在動態密封組件處。K-601機組干氣密封的動態密封組件采用的是PTFE J-ring形式,可以有效的抵抗雜質顆粒物的污染,但是由于雜質顆粒物的累計,會增加動態密封組件的滑移摩擦系數,影響軸向運動,導致靜環面不能及時補償,遠離動環,造成泄漏量升高。

3.2 密封氣溫度影響

密封氣的溫度也會影響一定的泄漏量,氣體的粘度隨溫度的升高而增大,液體則反之(圖10)。

圖10 密封氣泄漏質量與溫度關系

由于非驅動端的密封靠近壓縮機入口側,密封氣從盤站注入密封腔體,非驅動側的密封氣受到壓縮機入口側工藝氣溫度的影響,實際注入密封端面的氣體溫度低于驅動側。

非驅動側的密封氣溫度低,氣體的黏度也隨之降低,在同樣的供氣壓力下,流速必定加快,這就導致了泄漏量偏大。

4 下一步措施

(1)增加保溫伴熱措施,防止因環境溫度或雨天大風等因素造成密封氣溫度再次降低影響泄漏量。

(2)增加強制加熱功能,由于密封氣的流速為25 m/s左右,伴熱保溫對密封氣無實際加熱功能,非驅動側受壓縮機入口側工藝氣溫度的影響,福斯建議對密封氣進行強制加熱,以避免溫度的影響。福斯專利的蒸汽加熱器(圖11),利用現場蒸汽對干氣密封的一級密封氣進行強制加熱。該方案在乙烯壓縮機現場,很難實現在線安裝,在檢修停機時安裝強制加熱裝置。

圖11 福斯公司專利蒸汽加熱器

(3)如果泄漏量達到高報警值后且經過多次操作和評判均無法降低至高報警值以下后,福斯公司提供如下應急操作方案:

①對密封端面強制沖壓:在一級泄漏達到高報時,觀察泄漏曲線,如果沒有瞬間下降后再升高的情況,可以嘗試對一級密封端面進行反復沖壓。

一般福斯干氣密封的動靜環開度為3～5 μm。非驅動端泄漏量升高,泄漏氣體流速增大,動靜環開度肯定高于驅動端。對密封端面反復沖壓的目的是讓動靜環面恢復原本的開度。會后福斯提供密封端面強制沖壓的注意事項。

② 福斯提供壓縮機轉速與密封泄漏量的計算書,用戶可通過調節壓縮機轉速來調節動靜環面的開度,最終來調整泄漏量。

注意事項:如轉速降低,泄漏量有明顯下降,則可以判定密封沒有失效。反之,可判定干氣密封已經失效。

(4)根據目前的運行數據,非驅動端密封的泄漏量并未達到高報警值,福斯公司在滿足裝置的安全運行前提夏,更新泄漏聯鎖值設定,目標設定值≤35 Nm3/h。

(5)考慮溫度對泄漏量的影響,變更K-601干氣密封一級主密封氣氣源,考慮引用外送乙烯管線(30 ℃,3.5 MPa)。

(6)要求對二級密封氣放空處進行定期檢測可燃氣組分含量,進一步判斷一級密封氣泄漏組成和變化。

(7)對福斯公司工廠近期拆解相類似密封,到現場一起交流密封內部結構,進一步判斷密封受損的位置,提供后期備件改造提供依據。

5 結語

當前在保證K-601安穩運行情況下,通過更換密封氣濾芯、高壓缸主密封氣管線保溫,在入口管線增加套管換熱器,使得密封氣管線溫度穩定;將干氣密封一級泄漏量聯鎖值由29 Nm3/h更改到33 Nm3/h;定期在二級密封氣放空處,檢測可燃氣組分含量;變更一級主密封氣氣源,并制定干氣密封檢修更換方案等能夠采取的系列措施,有效地緩解高壓缸一級泄漏量增大趨勢,避免了大機組停車。