乙烯裝置壓縮機組干氣密封系統應用淺析

張江平 沈順弟

（上海賽科石油化工有限責任公司，上海201507）

上海賽科石油化工有限責任公司（以下簡稱上海賽科）烯烴裝置，2005年原設計乙烯生產能力為 950 kt／a，2009年改擴建后提升為1 190 kt／a，改擴建項目中包括了裂解氣壓縮機11C2000M及蒸汽透平11CST2101M的增量改造，新增二元制冷壓縮機組11C3401N。2014年又在裂解氣壓縮機前增加了11C1901N裂解氣增壓機系統。

目前乙烯裝置共有7臺壓縮機組（共10缸）裝備了John Crane干氣密封系統（計20套），其中11C2000M和11C1901N的密封氣目前為甲烷冷媒壓縮機提供的甲烷氣（原設計為乙烯），其余壓縮機組采用自身循環密封氣。

1 干氣密封應用原理

干氣密封系統由集裝式干氣密封（包括隔離氣密封）和現場控制盤系統組成［1］。

利用流體動力學原理，通過在密封端面上開設動壓螺旋槽而實現非接觸運行。由于具備使用壽命長、功率消耗低、不會產生油氣污染、工藝氣體泄漏少等特點，干氣密封技術已經廣泛應用于各類高速運轉壓縮機。

壓縮機旋轉時，密封氣由外徑朝中心被吸入動壓槽內，徑向分量朝密封壩流動。密封壩產生流動阻力，節流作用使得進入密封面的氣體被壓縮。氣體的壓力升高，使密封面被脫離接觸，流動的氣體在兩個密封面間形成一層很薄的氣膜。槽型有雙向和單向兩種，單向槽型密封在遭遇機器反轉時極易損壞。典型干氣密封的原理和結構示意見圖1。

圖1 典型干氣密封的原理和結構示意

如圖1所示，一次密封氣壓力高于機體內工藝氣體取樣點的壓力，以保證工藝氣體不會向外泄露。緩沖氣（或二次密封氣）和隔離氣為N2，一次密封泄漏的密封氣和緩沖氣通過一次密封排氣口排到干火炬系統。隔離氣和隔離氣密封，用于防止潤滑油侵入干氣密封。

干氣密封控制系統以壓差控制方式供給密封氣，也有其他壓縮機設計時采用密封氣供給流量控制的方式。

2 干氣密封系統故障

長期以來，上海賽科乙烯裝置干氣密封系統出現過多種故障，嚴重時導致壓縮機聯鎖停車。在此通過多個典型案例進行說明和剖析。

2.1 低壓缸驅動側一次密封排氣流量高高，裂解氣壓縮機組聯鎖停車

2005年3月18日，上海賽科乙烯裝置正式開始試運行，裂解氣壓縮機組首次實氣開車。3月19日，低壓缸（以下簡稱LP）驅動端氣密封一次密封排氣流量11FIT22076高高，壓縮機聯鎖停車。

現場檢查發現，LP密封的一次和二次密封排氣口有大量石墨粉，確認石墨密封面嚴重磨損，見圖2。運行參數表明，11FIT22076流量先異常波動，然后流量為零，最后突然高流量，觸發高高報警（HH）聯鎖（18.2 m3／h）。

圖2 密封排氣口石墨粉

為此進行專題討論和分析，認為LP驅動端干氣密封的第二級密封已經損壞失效，但是第一級密封基本正常。密封損壞的原因可能有：密封氣中的顆粒垃圾會損壞密封面；由于管線伴熱不良后密封氣供給管線溫度偏低，外表面結露），密封氣中夾帶液相，破壞氣膜造成密封面摩擦；壓縮機啟動過程中，密封氣壓力偏低，可能形成反壓。

串聯式干氣密封可看作兩套干氣密封，按照相同的方向首尾相連而構成。當第一級密封失效時，第二級密封可以起到輔助安全密封的作用，工藝介質向大氣泄漏的量不大。而在第二級密封失效的情況下，如果第一級密封再失效，正常泄漏的裂解氣和密封氣（乙烯）會排放到二次密封排氣口（現場高空排放），可能引起嚴重安全事故。

如果要更換新的干氣密封，至少需要2～3周，對上海賽科的整體影響巨大。經過對壓縮機干氣密封原理進行研究與分析，認為第二級失效后，如果對干氣密封運行情況進行加強監測，使第一級密封的泄漏量仍在監視之中，保證第一級密封失效時能馬上監視到，該干氣密封仍可以維持運行。3月20日，壓縮機重新開車，恢復乙烯裝置試運行。

為了確保機組安全運行，鑒于LP驅動端的干氣密封存在故障狀態，制定下述特別措施：

（1）每12 h測量LP驅動端的第2次密封放空管線外表溫度，并與中壓缸（MP）的溫度數據及該管線歷史數據進行比較（正常情況下溫度值相差不大）。

（2）每12 h對低壓缸的干氣密封2次密封放空氣體進行測爆，監測放空氣體內可燃性氣體含量；對裂解氣壓縮機周圍環境進行一次測爆。

（3）1次密封排氣每班現場采樣，在實驗室進行乙烯含量分析。

（4）在隔離氣流量不變的情況下將LP驅動端的緩沖氣流量從10 m3／h增加到15 m3／h。

在一系列特別監護措施下，伴隨著LP干氣密封這種缺陷狀態，裂解氣壓縮機一直維持運轉，直到2009年的計劃大檢修。

2.2 MP驅動側一次密封排氣流量高高，裂解氣壓縮機組聯鎖停車

2009年9月29日上午9∶34裂解氣壓縮機組聯鎖跳車，ITCC記錄為MP次密封排氣流量HH高高報。分析討論情況如下。

（1）LP、MP壓缸的多個密封氣流量在聯鎖停車前已出現高報警，其中MP的流量出現高高聯鎖。

（2）壓縮機密封氣系統的乙烯密封氣及火炬管線壓力沒有明顯的波動。

（3）2009年裂解氣壓縮機組改擴建中，二次密封緩沖氣N2的壓力自調閥進行了更新。

（4）緩沖氣自調閥閥后壓力值為488 kPa，高于正常設定值340 kPa。

現場檢查：在聯鎖解除的情況下，現場通過調整緩沖氣N2自調閥的開度來確認密封氣排放流量的波動情況時，發現順針向轉動自調閥兩圈半，N2壓力和緩沖氣流量無明顯變化。

最后分析認為，造成壓縮機停車的主要原因是緩沖氣N2自調閥的失效。隨后，采取了更換該自調閥的措施。

3 干氣密封控制系統

3.1 MP密封緩沖氣N2轉子流量計故障，導致次密封排氣量異常

2017年5月25日4∶30起，MP驅動端一次密封排氣流量異常11FIT22080A／B／C，從正常的10 m3／h逐漸下降到最低 4.3 m3／h。

MP的緩沖氣由LP的隔離氣過濾器后供給，通過自調閥控制壓力340 kPa，然后由針型閥控制緩沖氣給流量，設計流量為10 m3／h。轉子流量計11FG22232只有現場指示功能，流量計沒有旁路（見圖3）。

圖3 轉子流量計

現場檢查發現，緩沖氣N2進氣的轉子流量計指示值遠低于設計值。反復調整針型閥開度，緩沖氣流量11FG22232指示與1次密封排氣流量11FIT22080A／B／C指示同步發生變化。在幾次針型閥調整穩定后，這兩個流量值在2～3 h后又快速下跌到異常低值。初步判斷為緩沖氣進氣管路堵塞所致。

在進一步檢查時，輕輕敲擊轉子流量計，發現緩沖氣流量恢復正常值。配合其他檢查，判斷為轉子流量計故障，通過流量計時的節流導致進氣流量減少。緩沖氣流量減少，會降低二次密封面中N2的流速，影響二次密封的正常工作。

（1）由于11FG22232流量計沒有旁路管線，在壓縮機運轉期間無法進行檢驗或更換，計劃到2018年大修時安排更換，并對同類儀表安排檢查。

（2）臨時措施：外操對MP非驅端的N2轉子流量計（11FG22233）每6 h現場抄表，報內操記錄；內操關注一次密封排氣流量11FI22079趨勢變化。

3.2 丙烯壓縮機密封緩沖氣壓力自調閥故障，導致一次密封排氣量異常

2008年11月30日13：48，在裝置重新開車時，發現丙烯壓縮機兩端干氣密封的一次排氣量異常上升，其中最大排氣量11FI37073指示達到24.8 m3／h。設計高報 H為 23.6 m3／h，高高聯鎖HH為 27.4 m3／h。

此時的1次密封排氣量已經超過高報值，如果達到高高值，壓縮機將聯鎖停車?，F場檢查發現，緩沖氣壓力自調閥鎖緊螺母松動，引起緩沖氣N2流量遠超過正常的20 m3／h，干氣密封現場控制盤自調閥見圖4。

圖4 緩沖氣自調閥

4 干氣密封管線系統

4.1 裂解氣壓縮機首次空氣開車，干氣密封損壞

上海賽科乙烯裝置安裝完成后，于2004年10月6日首次空氣開車［2］，此后壓縮機保持運轉，為裝置系統吹掃服務。22∶48發現MP驅動端的一次密封排氣無流量，后來LP非驅動端也指示為零。

壓縮機吹掃結束停車后，馬上進行簡單檢查，打開壓縮機本體MP驅動端和LP非驅動端的一次和二次密封排氣口，發現大量石墨粉。由此判斷干氣密封已經嚴重損壞。干氣密封拆卸和拆解表明，MP驅動端和LP非驅動端的干氣密封已經嚴重損壞，其他密封也受到一定程度的污染損壞（見圖5）。所有干氣密封返回日本工廠修復后重新安裝。

圖5 干氣密封嚴重損壞

干氣密封損壞后，對系統進行全面檢查。發現主要原因是密封氣、隔離氣管線大量垃圾，過濾器濾芯破裂后固體垃圾進入干氣密封，導致密封嚴重磨損所致［3］。圖6為密封氣過濾器檢查情況。

圖6 干氣密封過濾器濾芯

4.2 二元制冷壓縮機安裝時，干氣密封管線有殘液

2009年 6月，新增二元制冷壓縮機組11C3401N安裝結束，對干氣密封系統進行靜態調試時，發現監控參數異常。

拆開密封氣、緩沖氣、過濾器管線、干氣密封接口后發現水和鐵銹（見圖7）。為了確保壓縮機開車安全，重新更換了全部4個干氣密封。經分析，其可能原因為［4］：

（1）密封安裝前，密封腔內沒有清理干凈；

（2）干氣密封與控制盤之間的不銹鋼預制管線，在酸洗后沒有處理干凈，殘留液體進入密封。

圖7 干氣密封過濾器

5 干氣密封應用中其他重要注意事項

5.1 新建裝置和新機組

（1）壓縮機周圍管線和密封控制盤內的管線，由供應商提供。這些管線一般是經過良好處理并密封防護的，安裝時要注意外界的污染，包括墊片質量和安裝狀態，防止垃圾進入密封。

（2）干氣密封與控制盤之間的管線，一般為施工單位現場配管。密封氣供給管線配管時要有低點排放導淋，以便檢查密封氣的狀態。不銹鋼管線酸洗后必須排干凈積液達到干燥狀態。密封氣管線應該配備有效的伴熱方式以免液相積聚。壓縮機運轉時，液體會使密封面接觸并發熱，而且液體的突然侵入，容易使密封座受熱沖擊而開裂。

（3）干氣密封控制盤上游管線，包括裝置內和界區外公用工程N2管線。因此投用前，在控制盤接入法蘭處脫開，充分吹掃，避免外界垃圾進入系統。

5.2 機組大修

（1）大修前，備用密封需要經過檢查保養。

（2）干氣密封進氣管線，必須經過清洗吹掃。

（3）大修中，干氣密封控制盤內的流量計、壓力控制閥等儀表需要校驗或更換。

（4）試車前，通過密封監控系統，對密封進行靜態測試。

（5）大修后開車階段，N2、密封氣壓力可能不穩定，要密切關注，保證供給。壓差控制方式下，密封氣壓力要高于工藝氣體0.03 MPa；流量控制方式下，在迷宮最大間隙處，密封氣流速不低于3m／s。

5.3 機組停開車

（1）壓縮機組投入氣體前，必須首先投入一級密封氣，以防機內氣體污染一級密封端面；當壓縮機停運時，機內氣體排凈之后才允許關閉一級密封進氣。

（2）壓縮機長時間低速不利于干氣密封的運行，因此要注意盤車時間不能過長。裝置實際運行中，可能會很長時間待命啟動。要充分注意密封和氣體的干凈度，在盤車階段任何顆粒垃圾將會加速損壞密封面。

（3）壓縮機開車成功穩定后，要檢查密封氣等旁路閥門是否及時關閉。

（4）由于系統波動，管線內積存垃圾可能會進入控制盤，開車過程中要嚴密監視過濾器壓差，及時更換（可能很頻繁），防止濾芯破碎。

5.4 運行中的檢查

（1）裂解氣中含水及各種液相（洗油等），雜質多，如果侵入則極易污染干氣密封，因此要嚴防裂解氣壓縮機的密封氣形成反壓，特別是在開車階段。

（2）定期檢查密封排氣管線導淋，是否有潤滑油侵入。

（3）認真對待每個參數的報警和異常趨勢，及時進行細致檢查。

6 結語

干氣密封系統作為壓縮機組的重要部件，價格昂貴，檢修周期很長（需要裝置停車，整個系統處理合格）。干氣密封的運行狀態，直接影響壓縮機組和乙烯裝置的安全、連續運轉。乙烯裝置中，裂解氣壓縮機由于工藝側組分復雜、雜質多，而且外供密封氣管線長，又先于其他機組開車，干氣密封系統故障較易發生。

文章簡要說明了干氣密封系統的原理和控制，并通過歷年來賽科乙烯裝置壓縮機組干氣密封應用中的多個典型案例，總結了部分現場實用經驗和應用建議，并覆蓋了從密封、管線、過濾器到控制系統的多個環節，從新建裝置、新機組投用、大修、開車到日常運行的各個階段，對今后的壓縮機組干氣密封的運行和維護具有較強的借鑒意義。