再生氣壓縮機干氣密封帶液故障的分析與預防

程士堅，欒明煜，簡霖

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

天然氣深冷處理工藝中，分子篩再生系統采用脫水后的干氣作為再生氣，壓縮機增壓程度和負荷較低，有利于降低能耗，是一種較為典型的工藝流程。某氣田深冷裝置采用周向流壓縮機作為再生氣增壓設備，周向流機組采用中間進氣式串聯干氣密封，是一種非接觸式原理密封機械。對于天然氣壓縮機干氣密封運行相關的若干問題，木塔里甫、吳文姬等通過引入剛度和阻尼微分方程，研究了流體動力效應產生的密封端面間的流體膜產生和運行機理。伍小三、費江等通過軟件模擬對天然氣壓縮機變工況運行、密封件適應性等進行了研究。

1 故障機理

1.1 干氣密封帶液故障因素

干氣密封元件帶液運行會導致泄漏、主軸磨損卡滯等，有以下故障機理：由氣相帶液進入密封腔容易造成的氣膜動壓平衡破壞、液體沖蝕等現象。動靜環間氣膜的動壓平衡依靠氣膜進行維持，當液體進入環間空間時附著在動壓槽內表面等位置，導致動壓效應形成受阻；由含有小于1μm的細小硬質顆粒的液滴在端面上附著并造成的微觀磨損，一般呈現漸發性磨損破壞趨勢。

因此，氣相工質帶液和前端流程分離效果差是干氣密封系統故障的主要原因，需要分析工藝介質帶液現象，從而提出改進措施。

1.2 氣相工質帶液分析

已知分子篩熱吹后天然氣中含有飽和水，經再生氣空冷器冷凝后產生液相，有帶液故障的風險。為模擬這一過程，建立HYSYS模型如圖1所示。

圖1 密封氣工藝HYSYS流程圖

模型工藝參數：壓力P1=5.8MPa、溫度T1=95℃、氣相比例Fv=1、流量F1=1.45×105Nm3/d。將空冷器熱散熱量、天然氣組分等邊界條件代入模擬，得到不同熱負荷率下脫水量、水露點間的變化關系。

根據模擬結果繪制再生氣水露點-脫水量變化曲線，如圖2所示。

圖2 水露點-脫水量變化曲線

當空冷器熱負荷為37.54%時，可將水露點控制在59.2℃左右，因此，再生氣空冷器處每日脫水量大約為0.91～0.98t/d。由此推斷前端來液量較大，對后端設備及密封元件將造成一定沖擊。

1.3 分離器效果分析

已知再生氣分離器前端的空冷器中冷凝過程會產生大量液態水滴隨氣流懸浮通過，水滴直徑由5～100μm。再生氣分離器屬于立式分離器內徑為0.6m，其對液滴的分離效果遵循氣液沉降理論，以臨界速度法有工程經驗式如下：

式中，Re為氣體雷諾數，無量綱；ρg為天然氣密度，kg/Nm3；D為管道內徑，m；Vg為天然氣流速，m/s；μg為天然氣黏度系數，Pa·s。

表1 空冷器入口介質組分表

式中，CD為氣體攜液系數，無量綱。

式中，V0為天然氣臨界流速，m/s；ρl為液滴密度，kg/m3；dm為理論液滴直徑，m。

設液滴直徑有100μm、50μm、25μm、10μm、5μm，通過公式（3）計算臨界流速，見表2。

表2 不同液滴直徑下的臨界流速

從計算結果得Vg=1.027m/s，因此液滴直徑≥50μm的液滴在再生氣分離器內能夠得到有效的分離，其余小粒徑液滴則難以通過重力分離。將對應液滴質量與正態分布概率值計算得液滴直徑dm＜50μm無法被分離的概率約為5.2%，則脫水量中的5.2%，即再生氣空冷器冷凝溫度為35℃時日脫水量為0.91t/d，有47.3kg/d的冷凝水無法分離，將對后端密封元件造成不利影響。

2 對策分析

2.1 機組前端除液措施

通過上述分析，需要進一步增強再生氣分離器效果。設分離器頂部采用SP型絲網除沫器，孔徑為0.23×10-3m，根據流體斯托克斯數St計算公式與分離效率簡化公式，可得各液滴直徑下的分離效率：

式中，St為天然氣斯托克斯數，無量綱；u為氣相實際流速，m/s；dd為氣相帶液液滴直徑，m；dw為絲網孔徑，m。

液滴分離效率簡化公式：

式中，ηn為液滴分離效率，無量綱。

通過公式（5）計算得到絲網對25μm、10μm、5μm液滴的分離效率，參考液滴直徑的正態分布規律，得到無法分離的殘液質量，結果見表3。

表3 不同直徑液滴對應的分離效率及殘液質量

經分析，加裝高效絲網除沫器后無法分離的液滴質量由47.3kg/d下降到9.7kg/d，提高了液滴分離效率。

2.2 密封氣系統防凝措施

干氣密封的密封氣系統管路主要指主密封以外的輔助管路及儀表，通常采用儀表架布置方式。根據壓力管道沿程溫降公式計算管線終點溫度TL：

式中，T0為環境溫度，K；T1為管線起點溫度，K；L為管道計算長度，m。

其中，系數a的計算方法為公式（7）：

式中，Dw為管道外直徑，m；K為總傳熱系數，W/(m2·K)；Q為天然氣質量流量，kg/s；Cp為天然氣定壓熱容，J/(kg·K)。

由等效管長、管徑、傳熱系數等數據算出沿程溫降，根據經驗估計各管件處的溫降為0.5℃。結合公式（7）計算，設定環境溫度為極端條件-40℃，則進密封腔前的溫度降為53.66℃。根據1.3節分析結果，此處將出現液相，對此應增加沿管線保溫伴熱，需求計算如下：

式中，q為管道散熱通量，W/m；ΔT為管道內介質與外壁溫差，K；ε為不均勻系數，無量綱。

根據公式（8）計算，當環境溫度取極端溫度-40℃，保溫層厚度為30mm時，考慮不均勻系數ε取2，得到管線保溫層散熱通量為46.9W/m。通過核算溫降△T可以控制在4℃以內，從而避免凝結液滴。因此，改進措施為全線保溫電伴熱，增配密封氣電加熱裝置，再將電加熱器設定溫度高于露點20℃以上，實際操作中可加熱至75～80℃，以擴大安全裕量。

3 效果模擬驗證

為驗證各防凝措施下的具體效果，設壓縮機出口分流比為97:3，同時將溫損、部件尺寸等量化帶入HYSYS模型，得到系統各處物流含液情況，如圖3所示。

圖3 密封氣系統各部位除液效果對比

圖中case1表示當絲網除沫器、管路保溫伴熱、密封氣末端電加熱等防護措施均不到位時的情況，作為對照組其末端液量為2.64kg/d，將導致設備出現損壞；case2表示僅采取常規管路保溫措施情況下的末端帶液情況，最終帶液量為0.96kg/d，較對照組模擬結果下降了64%左右，但仍不利于設備長期運行；case3代表除液措施完備的條件下的模擬結果，可見最終進入密封原件的游離水量為10g/d，對設備影響可忽略不計，說明上述除液措施具備有效性。

4 結語

再生氣壓縮機干氣密封主要故障模式為工質帶液導致的為動靜環磨損，對于分子篩再生氣壓縮機而言，由于來氣含有飽和水，機組干氣密封帶液故障發生的風險較高。通過理論計算分析，可以通過增加絲網除沫器等內構件的方式優化前段分離器分離效果、加強機組保溫防凝措施以及強化密封氣儀表系統加熱和保溫等方式，可有效降低帶液故障風險，保障干氣密封元件及設備運行安全。