循環氫壓縮機干氣密封泄漏壓力上升的原因分析

董 飚 高 俊 徐 磊

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

在中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)3.9 Mt/a渣油加氫裝置中，循環氫的作用是使反應系統保持高的氫分壓，在催化劑床層之間加入足夠的急冷氫限制催化劑床層的溫升，把加氫反應釋放出的熱量及時帶走，以控制催化劑床層的溫升，維持正常的氫油比。循環氫壓縮機K-1802是促使循環氫在系統中循環的最關鍵的動力設備，其運行的可靠與否關系到裝置的正常運行,而干氣密封又是循環氫壓縮機最重要的零部件之一。干氣密封的原理是在其中的一個密封環上設置均勻分布的淺槽，運轉時進入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環之間形成局部的高壓區，使密封面開啟，從而能在非接觸狀態下運行。干氣密封并不是徹底密封，一點不漏，而是穩定地控制其泄漏量，并將泄漏氣體進行安全排放。泄漏的存在對干氣密封的可靠運行也是有好處的，可以帶走摩擦副所產生的熱量。

1 干氣密封控制系統組成

根據沈陽鼓風機集團股份有限公司生產的循環氫壓縮機(K-1802)的工況特點，選用了單向螺旋槽、帶中間迷宮的串聯干氣密封+軸承油隔離迷宮密封，該壓縮機設計參數見表1所示。同時，為了便于干氣密封本體的安裝，壓縮機和干氣密封設計時要求隔離密封部分的密封腔體直徑必須大于密封本體部分的密封腔體直徑,其結構見圖1所示。

干氣密封控制系統是為保證干氣密封的正常良好運行而設計的，其功能包括：(1)控制，為干氣密封提供干凈、干燥、壓力和流量穩定的密封氣體和隔離氣；(2)監測，監測干氣密封是否運轉正常，還要監測控制系統本身的器件是否工作正常，當系統的監測儀表監測出干氣密封和控制系統的器件有異常情況時，要進行報警或聯鎖停機；(3)安全，主密封一旦突然失效，大量泄漏的工藝氣要及時、安全地予以排放。

表1 壓縮機K-1802設計參數

干氣密封控制系統的組成包括可分為以下3個部分。

(1)主密封氣系統。主密封氣有3個氣源：管網氮氣(壓力為1.6 MPa,用于壓縮機的氮氣工況的運行階段)、管網氫氣(壓力為2.4 MPa,用于壓縮機的氫氣工況的開機階段)、壓縮機出口氫氣(用于壓縮機的氫氣工況的開機或運行階段)。壓縮機啟動后，隨著系統升壓，管網氫氣或氮氣將無法滿足壓縮機干氣密封的要求，壓縮機轉速上升后出口將達到一定的壓力，主密封氣將由管網氣體切換到壓縮機出口氣體。主密封氣系統的主要部件包括：除濕器、過濾器、增壓器、密封氣調節閥。

(2)隔離氣和二級密封氣系統。氣源都是管網氮氣(壓力為1.6 MPa)，氮氣進入系統后首先進行過濾(過濾精度為3 μm)，然后分別經過調壓、孔板限流，進入二級密封腔和隔離氣腔體，其中設有流量和壓力監測。隔離密封供氣系統在主密封與軸承腔間形成一氣體屏障，防止軸承油進入密封體隔離氣壓力是啟動潤滑油泵條件之一。

(3)泄漏氣系統。正常運行時，從一級密封泄漏出的少量氫氣和大部分的二級密封氣被排入火炬。排入火炬之前，對泄漏氣體的壓力、流量進行監控，最后泄漏氣體經單向閥排入火炬。

圖1 干氣密封結構

2 驅動端干氣密封泄漏壓力上升分析

K-1802干氣密封于2014年4月更換，到2017年5月，雖然已經使用了3年，但干氣密封依然工作良好，因此在2017年5月的停機中未更換。但是自2017年5月重新開機后，僅運行3個月，就發現驅動端干氣密封的泄漏壓力逐漸攀升，從50 kPa上升到115 kPa左右，但泄漏流量變化不大，具體見圖2～3所示。

K-1802干氣密封的泄漏流程如下：機身泄漏→取壓點→板流量計→單向閥→火炬。流量計變送器的閥體組件為5閥組件，包括上游的隔離閥、放火炬閥、下游的隔離閥、放火炬閥、上下游聯通閥，干氣密封泄漏監測儀表流程見圖4所示。

圖2 驅動端干氣密封的泄漏壓力變化趨勢

圖3 驅動端干氣密封的泄漏流量變化趨勢

圖4 干氣密封泄漏監測儀表流程

2.1 現場調整

驅動端干氣密封泄漏流量不大，但泄漏壓力高。為了判斷造成這一現象的原因，現場進行了以下調整。

(1)逐步打開變送器上游的放火炬閥(圖4中閥門1)，泄漏流量壓差很快降到0，泄漏壓力最低降到52.9 kPa。也就是說，此時大多數泄漏氣直接放火炬了，沒有通過流量孔板，泄漏壓力應該只比火炬管網壓力略高。

(2)逐步打開變送器下游的放火炬閥(圖4中閥門2)，泄漏壓力、泄漏流量的變化見表2所示。

表2 打開放火炬閥后泄漏壓力、泄漏流量變化情況

2.2 數據分析

在表2中，流量變送器顯示的流量包括干氣密封泄漏的氫氣和二級密封氣的氮氣流量，隨著閥門2的逐步開大，泄漏壓力逐步下降，總泄漏流量、二級密封氣流量都有上升，二者的差即氫氣的泄漏流量也在上升。但是閥門2全開后，泄漏壓力降至65.3 kPa后，總泄漏流量和氫氣的泄漏流量都低于泄漏流量的報警值(22 m3/h)。

2.3 壓降推算

在運行狀態下，驅動端泄漏壓力為109.3 kPa，驅動端泄漏流量為10.47 m3/h(孔板流量變送器量程：差壓0～96.5 kPa,流量0～48.5 m3/h)。以孔板流量變送器的雙量程推算，驅動端泄漏孔板上下游的差壓值約為6.6 kPa，即：孔板上游壓力為109.3 kPa，孔板壓差為6.6 kPa，得出孔板下游壓力為102.7 kPa。火炬管網背壓正常在30 kPa左右，由此推算，單向閥的壓降達到72.7 kPa，遠遠高于其35 kPa的設計開啟壓力。

通過以上的調整和分析可以看出：K-1802驅動端干氣密封干氣密封工作良好，沒有發生大的泄漏，是泄漏管線單向閥的壓降偏大，存在不暢通的問題，從而導致泄漏壓力上升。

3 處理措施與實施效果

3.1 處理方案

根據以上判斷，由于機組正在正常運行中，關于是否對單向閥進行拆卸、清洗，有以下兩個方案可供備選，而每個方案各有優缺點。

方案1：拆卸單向閥，予以清洗，打開變送器上游的放火炬閥(圖4中的閥門1)，自壓縮機泄漏的循環氫氣可以直接放火炬。其優點是能夠確認單向閥是否真的有問題，如有問題則予以徹底解決，也就能確認壓縮機干氣密封的工作狀況，使壓縮機處在正常的監控下。其缺點是會有一部分循環氫氣會通過孔板從斷開的單向閥處泄漏到大氣中，同時火炬管網的可燃氣體也會在此處倒流，并泄漏到大氣中，如果風向選擇不合適的話，會引起作業人員中毒，如果在作業過程中，工具與管線之間有磕碰，產生火星的，會引起著火事故。

方案2：維持運行，不對單向閥進行處理，打開變送器下游的放火炬閥(圖4中的閥門2)，使泄漏壓力降下來。其優點是現場不做任何動作，雖然不再對泄漏壓力進行監控，但不影響泄漏流量的監控，包括顯示、報警、聯鎖，也能夠監測干氣密封的工作狀態。其缺點是泄漏壓力的顯示是不真實的，改變了壓縮機干氣密封泄漏的監控手段；單向閥是否有問題也無法確認，也就不能確認壓縮機干氣密封的工作狀況。

3.2 采取的措施與效果

該機組為裝置的關鍵機組，干氣密封泄漏壓力、泄漏流量為二取二聯鎖。在方案2中，閥門2長期處于開啟狀態，隨著機組的運行，泄漏壓力可能還會逐步上升。同時無法百分之百地保證問題肯定出在單向閥身上，無法保證干氣密封肯定工作良好。為了驗證分析判斷的準確性，徹底消除壓縮機運行中的隱患，保證壓縮機的良好運行，因此決定選擇方案1。在風向合適的時間，做好防止發生人員中毒的保護措施后，對單向閥進行拆卸。單向閥的結構見圖5所示，其工作方式是：左端插入管道中，夾在兩個法蘭之間，自由狀態下，閥芯在彈簧作用下處于關閉狀態，左端壓力上升時，克服彈簧力，頂開閥芯，單向閥打開。

從拆下來的單向閥看，彈簧、閥座、閥芯有結焦，但不嚴重，法蘭面還有少量的液滴。據此推斷，造成單向閥壓降逐步上升的原因是：液滴和結焦的存在使閥芯、彈簧活動不靈活；單向閥發生偏移，閥芯與管壁有接觸，使閥芯有卡澀現象。

圖5 單向閥結構示意

對單向閥進行了清洗、檢查后，重新安裝，重要的是保證單向閥的安裝方向要準確；還要保證單向閥與管子的同心度，否則會使閥芯與管壁接觸，發生卡澀。單向閥安裝完成后，投用泄漏監測系統，泄漏壓力穩定在40～50 kPa，泄漏流量為16～18 m3/h(如圖2～3所示)。泄漏流量比清洗單向閥前有所上升，原因是泄漏壓力下降后，使得一級泄漏氣量和二級密封氣流量都會有所上升。

4 結論

(1)帶中間迷宮的串聯干氣密封是循環氫壓縮機的標準配置。干氣密封一級泄漏氣包括一級密封泄漏出的少量氫氣和大部分的二級密封氣。驅動端干氣密封的泄漏壓力逐漸上升，但泄漏流量變化不大。

(2)通過調整與流量計有關閥門的開度，分析流量、壓力的變化情況，推算單向閥的壓降，可以判斷是單向閥卡澀引起驅動端干氣密封泄漏壓力上升。

(3)由于機組正在正常運行中，因此提出了是否對單向閥進行拆卸、清洗的兩個方案，分析了優缺點，最后決定對單向閥進行拆卸、清洗，單向閥卡澀問題得到解決，干氣密封泄漏壓力也隨之恢復了正常。

(4)單向閥發生卡澀的原因是彈簧、閥座、閥芯有結焦和凝液，使閥芯、彈簧活動不靈活。