循環氫壓縮機干氣密封帶液現象分析及應對措施

程欣浩

(中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

在石化煉制及化工系統的加氫裝置中，循環氫的作用是保持反應系統氫分壓及時帶走反應熱以及控制床層溫度，從而保證加氫反應的順利進行[1]。循環氫系統的整體動力來源是來自循環氫壓縮機，是維持整個加氫反應系統的氣路流程是加氫裝置中的核心設備，發生故障停車意味著整套裝置會因故障停車，因此循環氫壓縮機的運行效果直接決定了加氫裝置的實際運行情況。

1 相關設備簡況

某煉廠蠟油加氫裝置循環氫壓縮機采用離心式壓縮機，機體型號為BCL406/A，使用串聯式干氣密封作為軸端密封，這是石油化工行業內常見的配置。該機組于2016 年一次開車成功，至今已運行超過兩個周期。經分析，在運行周期內該設備出現的故障停車大多與干氣密封系統有關，其中出現頻率最高、影響最深遠的便是密封帶液現象，因此解決干氣密封的帶液問題具有實際意義。該機組相關數據參數如表1所示。

表1 操作參數

2 干氣密封系統的原理及流程

2.1 干氣密封的工作原理

干氣密封的主要結構可以大致分為固定部分和轉動部分：轉動部分的主要工作部件是動環，動環通過鎖緊螺母固定在轉軸上，隨著轉軸一同旋轉；固定部分的主要工作部件為靜環、推環、彈簧座等，固定在壓縮機殼體，不進行任何旋轉運動。動環上開有5～10 μm 的很淺U 形槽，當兩個密封端面在做高速的相對旋轉運動時，密封氣經密封環淺槽處產生流體動壓效應，在兩個摩擦副之間形成一層3～5 μm 的超薄氣膜，隔離開兩個密封端面，使其在轉動時始終處于非接觸狀態[2]，摩擦副間產生的熱量隨著氣膜氣流被帶出密封腔體，以此保證摩擦副不會產生因受到大量摩擦熱產生的應力斷裂，因此對比傳統機械密封，干氣密封能夠在更高的轉速下使用，其具有泄漏量小、使用場景廣、長期運行穩定等特點。

干氣密封的動環槽型可以分為單向旋轉和雙向旋轉兩大類，單向旋轉槽型主要有螺旋槽、雙尖槽等，具有更好的氣膜穩定性和氣膜強度，但反向轉動會導致氣膜失效，摩擦副硬摩擦損壞，常見于對氣膜強度和穩定性需求較高的高壓加氫裝置。雙向旋轉槽型主要有T 形、圣誕樹形等，無論正轉還是反轉都能夠正常工作，適應性較強。隨著設計、材料和制造工藝的進步，這種雙向旋轉槽型已得到了越來越多的應用。

某煉廠蠟油加氫裝置循環氫壓縮機干氣密封摩擦副采用無壓燒結碳化硅(SSiC)材質動環配合石墨材質靜環，屬于“硬對軟”配合設計，動環使用螺旋槽型以保證氣膜的強度和穩定性。

2.2 干氣密封系統流程概述

某煉廠蠟油加氫裝置干氣密封采用循環氫壓縮機出口工藝氣、新氫或氮氣作為一級密封氣，一級密封氣經聚結器除液，隨后進入過濾器進行過濾，過濾后的干凈氣體經過氣動薄膜調節閥調節壓力，保持密封氣壓力穩定高于機組平衡管壓力0.3 MPa 以上，隨后分為兩路經流量計進入低、高壓端一級密封腔中。一級密封氣的絕大部分會經過機組密封返回到機內，以此來阻止機體內氣體向外泄漏，少量氣體向另一側密封端面泄漏至一級密封排氣管路中。二級密封氣一般使用氮氣，經過濾器過濾、自力式調節閥穩壓后進入二級密封腔，二級密封氣的絕大部分經二級密封氣排氣管道排至大氣。

3 干氣密封帶液現象分析

3.1 干氣密封失效機理

當密封氣中有液體進入密封腔后，會在高速離心力的作用下被打散成小液滴，小液滴隨氣流進入動靜環摩擦副之間，由于氣膜厚度非常薄，液體會瞬間填滿動靜環之間的間隙，造成氣膜失穩破壞，動環與靜環直接接觸碰擦同時產生大量的熱，此時熱量聚集在動環表面形成裂紋，進而造成動環斷裂事故。發生干氣密封帶液現象的干氣密封動環拆解后形貌如圖1所示。

圖1 發生帶液的干氣密封動環

根據干氣密封流程，一級密封腔中液體可能的來源主要有四個方向：

(1)一級密封氣帶液。即循環氫或新氫夾帶的部分液體經過一級密封氣流程后未能被完全處理，進入密封腔后累積，直至突破密封齒進入摩擦副破壞氣膜。

(2)二級密封氣帶液。由二級密封氣氮氣帶來的液體進入一級密封腔。由于一級密封氣的高壓力和密封齒的阻隔，除非一級密封氣停氣，理論上該現象不會出現。

(3)軸承箱中的潤滑油進入一級密封腔。該情況可能在啟機前未正確投用隔離氮氣所致，潤滑油穿過油封環進入密封，此類現象也幾乎不會出現。

(4)機組內的存油進入一級密封腔。由于停工檢修等機組處于靜態狀態，在安裝干氣密封前未排凈機體內殘油，啟機后跟隨工藝氣進入密封腔中，該類問題在部分煉廠的實際運行中有過實際案例。

綜合以上分析，該機組干氣密封液體的主要來源是一級密封氣。根據具體情況可以分為循環氫工況和新氫工況展開分析。

3.2 循環氫工況分析

循環氫是加氫裝置循環氫壓縮機干氣密封一級密封氣的最主要來源，也就是使用自身的工藝氣進行密封，這樣的好處是最大化節省了氣源，同時因為組分一致而不影響機組性能。根據該機組的操作條件，壓縮機出口工藝氣壓力約為18 MPa，溫度69 ℃，實測氣體組分如表2 所示。

表2 循環氫組分

在加氫裝置中，循環氫中帶有一定量的輕烴類物質是不可避免的，根據實際化驗數據來看，循環氫中也的確存在部分輕烴類物質。結合壓縮機出口工藝氣壓力約為18 MPa，溫度69 ℃的條件，輕烴類物質極有可能以液態形式存在，并隨著干氣密封流程進入密封腔中。由于干氣密封流程較長，且管徑較細，在密封氣從壓縮機出口到進入密封腔的過程中一定會受環境影響和管道阻力產生溫度降，使得本已處于氣液臨界狀態的輕烴組分液化，加劇了干氣密封帶液情況。

3.3 新氫工況分析

該裝置循環氫壓縮機干氣密封一級密封氣氣源也可以選擇使用新氫，新氫是來自新氫壓縮機三級出口的補充氫氣，壓力18.5 MPa，溫度124 ℃，實測氣體組分如表3 所示。

表3 新氫組分

根據實際的數據可以看出，新氫的氫氣純度很高，幾乎不含其他組分，整體而言更加純凈，也不存在輕烴類組分液化的問題。但該裝置在使用新氫工況運行時依然出現了干氣密封帶液損壞的問題，因此新氫工況的帶液問題不是工藝介質產生的。該裝置的新氫壓縮機采用往復式壓縮機，三級壓縮方式，將氫氣管網中的壓力升壓補充至循環氫中，由于新氫壓縮機的氣缸活塞面潤滑方式采用的是少油潤滑，因此出口氣中會含有一定量的潤滑油，這些潤滑油便是造成干氣密封帶液的直接因素。此外，由于新氫壓縮機出口氣存在脈動，即使有緩沖罐和干氣密封流程緩沖，在進入密封室時依然會有少量波動，對于干氣密封較薄的氣膜來說，即使是少量的波動也會對氣膜的穩定性產生影響。而一旦有雜質或液體進入密封腔，就更有可能對氣膜造成破壞，因此新氫工況是不適合長期作為一級密封氣氣源使用的。

4 帶液現象的應對措施

4.1 溫度因素的影響

循環氫工況時最主要的帶液物質為輕烴類組分，為了解決干氣密封的帶液現象，最根源的處理思路就是解決輕烴類物質的液化問題。由于加氫裝置中輕烴類物質難以避免地會存在，因此最直接的方式就是提高進入密封腔的氣體溫度。由于密封氣氣源是壓縮機出口的工藝氣，大幅提升壓縮機出口氣的溫度顯然是行不通的，因為循環氫同時作為冷氫控制反應器床層溫度，循環氫的溫度過高會極大影響工藝操作；此外壓縮機出口溫度過高也意味著壓縮機葉輪、軸、流道、密封齒等結構會受高溫影響產生機械結構損壞。所以在保持合理的壓縮機出口氣溫度的前提下，可以通過改善壓縮機出口到密封腔這個過程來達到提高溫度的目的。有效的處理手段如下：

(1)改造密封氣沿線保溫，減少氣流過程中的熱量損失；

(2)設置合理的伴熱措施，進一步提高密封氣溫度；

(3)設置電加熱裝置，直接對密封氣進行加熱，并實現自動溫度控制。

目前該裝置已采用(1)、(2)兩種方案進行了改造，沿一級密封氣流程設置蒸汽伴熱，實測一級密封氣進氣溫度能夠保持在75～85 ℃，有效地提升了密封氣溫度，降低了輕烴類組分液化的可能，密封氣伴熱改造完成至今尚未再次發生干氣密封帶液情況伴熱改造后的一級密封氣進氣溫度如圖2 所示。

圖2 改造后的密封氣進氣溫度(表顯85.6 ℃)

蒸汽伴熱的缺點在于無法穩定地控制密封氣溫度，其加熱效果受氣溫、蒸汽的影響較大。而需要注意的是，目前干氣密封普遍采用無壓燒結碳化硅(SSiC)材質動環配合石墨材質靜環，過高的進氣溫度不利于氣膜散熱，容易積蓄熱量造成動環裂紋，因此對氣體的加熱應該控制在合理的范圍內。因此可以考慮增設電加熱裝置，并通過與測溫元件配合實現進氣溫度的精確控制，這樣就可以最有效地達到提高進氣溫度、避免輕烴類組分液化的目的。

4.2 設置除液設施

該機組配套的干氣密封系統中已設置K.O 除液罐，但仍然會產生干氣密封帶液的情況，該除液罐本質是聚結器，當氣體進入濾芯后，將極小的液滴聚結成較大的液滴，依靠自重從氣體中分離出來。由于該聚結器并不能完全使液體脫離，故可以考慮對其進行升級改造，增設旋風分離器，氣相與液相的混合物在旋風分離器中產生高速轉動，隨之產生不同大小的離心力，以此將液體從氣體中分離出來，理論上能更有效地去除氣體中的液體。同時適當增加排液頻次，盡可能地保證進氣的干度。

此外過濾器也是時常被忽略的一個因素，其濾芯狀態可以直接反映出密封氣帶液情況，因此在開工后可以在適當的節點拆卸檢查濾芯情況，更有利于判斷密封氣的實際情況；另外過濾器也是一個容易聚集液體的位置，定期清理濾芯有利于防止濕蒸汽進入密封腔導致事故發生。

4.3 新氫壓縮機無油改造

針對新氫工況，解決了潤滑油問題就同時解決了密封氣帶液的問題。隨著材料和技術的進步，目前已經可以在較高壓力的往復式壓縮機中采用無油潤滑形式，并實現穩定運行。無油潤滑形式的往復式壓縮機通常采用高PV 值、有良好自潤滑性能的支撐環和填料環，因為潤滑膜的形成直接與材料的選擇有關，摩擦副間如果形成穩定的潤滑膜，就會不容易被破壞[3]。因此在工作狀態下，出口氣體不會帶有任何液態物質。由于新氫介質本身較為純凈，無油潤滑設計的活塞環和支撐環也能夠適應，因此在新氫壓縮機上采用無油潤滑氣缸在理論上是可行的，這樣就從根源上解決了新氫工況下干氣密封帶液的問題。

目前，尚缺乏加氫裝置中應用無油潤滑往復式壓縮機的經驗，對于高壓比下摩擦副潤滑膜的穩定性仍待研究。但這不失于一個有價值的研究方向，如果能夠實現新氫壓縮機的無油潤滑應用，便能夠徹底地解決在新氫工況下的循環氫壓縮機干氣密封帶液的現象。

5 結語

綜上所述，針對干氣密封帶液問題，可以采取不同的解決方案，包括針對循環氫和新氫的不同情況進行改造和優化。這些措施將有助于提高密封系統的可靠性，降低維護成本，并確保加氫裝置的穩定運行。根據本文的分析得到以下主要結論：

(1)導致干氣密封帶液現象的主要原因是循環氫中帶有輕烴類物質和新氫中帶有潤滑油。這些液態物質進入干氣密封的動靜環之間，破壞氣膜并導致接觸性摩擦損壞干氣密封。

(2) 針對循環氫壓縮機干氣密封的帶液情況，可以采取一系列措施進行處理。例如，進行保溫改造、伴熱改造、增加電加熱裝置以及改造除液器等。這些措施可以有效地減少或阻止液態物質進入干氣密封系統。

(3) 對新氫工況，實現新氫壓縮機的無油潤滑是一種解決干氣密封帶液問題的新思路。通過采用無油潤滑設計，可以從根本上解決干氣密封的帶液問題。