天然氣增壓站干氣密封氮氣工況機械運轉技術措施

諶登旭 范琪琪 劉正軍(四川郝斯特油氣技術有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

目前，天然氣長輸管線壓縮機基本采用干氣密封作為軸端密封，以機組口端工藝氣經密封控制系統過濾、調壓后作為干氣密封的工作氣體。其系統過濾器的過濾精度通常為3μm甚至更高，可以滿足正常運行期間針對相對清潔的天然氣去除雜質的要求。但在天然氣輸氣站剛建成時，由于施工原因不可避免地造成天然氣管道內殘留有污水、焊渣和大量砂石類的雜質，如果在其首次開車時將天然氣經壓縮機出口端引入干氣密封控制系統，極易造成系統過濾器迅速失效，繼而可能損壞密封導致危險，因此管道壓縮機在首次開車時通常使用外部潔凈氮氣作為干氣密封氣源[1]。

1 干氣密封的特點及工作原理

(1)干氣密封是一種新型的無接觸軸封，用它來密封旋轉機器中的氣體或液體介質，與其他密封相比，干氣密封具有泄露量小，磨損小，壽命長，能耗低，操作簡單可靠，維修量低，被密封的流體不受油污染等特點。因此，在壓縮機引用領域，干氣密封已成為旋轉機械中密封的首選，取代了浮環密封、油潤滑機械密封。干氣密封使用的可靠性和經濟性已被許多工程應用實例所證實；(2)干氣密封動環端面開有氣體槽，氣體槽深度僅有幾微米，端面間必須有潔凈的氣體，以保證在兩個端面之間形成一個穩定的氣膜使密封端面完全分離。氣膜厚度一般為幾微米，這個穩定的氣膜可以使密封端面間距保持一定的密封間隙，間隙太大，密封效果變差；而間隙太小會使密封面發生接觸，因干氣密封的摩擦熱不能散失，端面間無潤滑接觸將很快引起密封端面的變形，從而使密封失效。氮氣通過密封間隙時靠節流和阻塞的作用而被減壓，從而實現氣體介質的密封，幾微米的密封間隙會使氣體的泄露率保持最小[2]。

2 壓縮機干氣密封氮氣工況不間斷機械運轉測試的目的

(1)成套機組的機械安裝質量良好；(2)各子系統組成的整個機組整體性完好、各橇間及機組與系統的所有連接完整和正確；(3)軸系和設備各部位無異常的振動；(4)各個法蘭連接處等靜密封點無潤滑油、氮氣或者空氣的泄漏；(5)控制和保護系統完整，功能有效。

3 利用氮氣代替天然氣作為干氣密封系統氣源的優勢

(1)在天然氣壓縮機投產試車過程中，氮氣作為惰性氣體較為天然氣更加安全可控，危險性低；(2)由工業液氮轉化的氮氣純度可達到99.99%，可以利用氮氣先對壓縮機干氣密封系統吹掃，作為壓縮機不間斷機械運轉測試干氣密封氣源較天然氣潔凈；(3)由于干氣密封系統不斷向壓縮機系統充氣，當壓力過高時氮氣較天然氣泄壓排放更為方便安全；(4)氮氣氣源作外接系統，注氣壓力方便控制，有利于控制干氣密封系統和壓縮機本體系統的壓差，同時也可不依賴干氣密封系統增壓泵獨立運行。

4 干氣密封氮氣工況機械運轉流程

4.1 搭建氮氣氣源系統

采用工業液氮運輸設備，連接液氮增壓設備和汽化裝置，配合氣體緩沖裝置作為整個氮氣氣源外接系統，如圖1所示。

圖1 氮氣氣源流程圖

4.2 利用氮氣對干氣密封系統吹掃

針對新建天然氣壓縮機場站特點，建議在壓縮機試車24小時不間斷機械運轉測試前先通過高純度氮氣對測試機組管路進行徹底吹掃，排除新建管路中可能存在的雜質，防止管道內焊渣等固體雜質進入密封腔，一般吹掃流程如下：干氣密封增壓撬→壓縮機→壓縮機入口管線→防喘振管線→空冷器→空冷器出口管線閥門→空冷器出口匯管。

4.3 干氣密封系統升壓

為了保證在試車階段干氣密封主密封氣有單獨的不間斷的氮氣源供應，且壓力要大于壓縮機進口壓力，即干氣密封控制盤上的主密封氣與平衡氣管的差壓要一般大于300kPa(根據各壓縮機組參數確定)；故應先先對干氣密封系統進行升壓至0.3～1.2MPa后，再開始壓縮機運轉，開始進行壓縮機24小時機械測試。

4.4 壓縮機24小時不間斷械運轉測試步驟

(1)確認機組啟動前的所有檢查確認內容均已經完成；(2)啟動機組，在機組達到怠速轉速穩定后，記錄機組主要運行參數；(3)監測所有的參數，確認機組所有參數在正常范圍內，調整壓縮機轉速至最低負載轉速并開始計時；(4)按照壓縮機24小時機械運轉測試轉速設定方案，根據調度指令，調整壓縮機轉速到要求的轉速或在壓縮機最低負載轉速穩定運行20小時后，調整機組轉速到最大連續運行轉速，保持該轉速穩定運行4小時，每小時記錄一次完整的工藝和機械數據；(5)在最大連續運行轉速下穩定運行4小時后，按緊急停機按鈕，機組緊急停機，記錄機組由超速停機到轉速降至500rpm之間的振動頻譜信息(波特圖、相位、轉速等)參數；(6)根據機組實際控制程序，修改壓縮機24小時機械運轉測試轉速變化圖，如圖2所示。

圖2 壓縮機機械測試轉速控制示意圖

5 干氣密封氮氣工況機械運轉技術控制措施

5.1 干氣密封系統與壓縮機系統壓差控制技術措施

(1)因干氣密封系統較壓縮機系統管道容積小，所以在開啟壓縮機系統進氣口閥門由干氣密封系統向壓縮機系統供氣時候，干氣密封系統壓力會快速下降，干氣密封系統和壓縮機系統壓差也會快速下降，可能突破最小壓差限定；故應在開啟壓縮機系統進氣口閥門正式啟動壓縮機前對干氣密封系統利用氮氣沖入較高的壓力，同時在正式開啟壓縮機系統進氣口閥門時提高氮氣氣源排量，保證壓差，待干氣密封系統和壓縮機系統壓差穩定后再啟動壓縮機，同時降低氮氣氣源排量，使干氣密封系統和壓縮機系統壓差達到動態平衡；(2)壓縮機干氣密封氮氣工況機械測試中應保持干氣密封增壓撬入口進行持續注氮，保持壓差，設專人通過系統壓力表觀察干氣密封系統壓力與壓縮機系統的壓力，盡量保持干氣密封系統壓力大于壓縮機系統壓力0.6～1.5MPa；當觀察人員發現壓差縮小至0.6MPa以下時，通過減小壓縮機系統的注氮流量，保持壓差；當觀察人員發現壓差大于1.5MPa時，通過減小干氣密封系統的注氮流量，縮小壓差，確保干氣密封系統壓力始終處于合理范圍之內；(3)氮氣系統作為外接氣源，且由于干氣密封系統管道容積較小，所以氮氣氣源排量變化容易影響到干氣密封系統，導致壓力波動，不利于對于干氣密封系統和壓縮機系統的壓差保持；所以應在氮氣氣源系統中設置緩沖罐，通過加大容積，減小因為氮氣氣源排量的波動而引起壓差的變化的速率，達到更好控制干氣密封系統和壓縮機系統壓差的目的。

5.2 氮氣安全防控技術措施

(1)壓縮機運行過程中，要求干氣密封系統注入氮氣量較小，在壓縮機機械測試啟停和運轉過程中，若氮氣氣源注入氮氣量高于系統所需氮氣量，造成壓差高于要求時，或者需要對壓縮機系統進行排放泄壓時；宜將放空位置選在空冷器放空口，機械測試運轉前，提取與放空口配套法蘭制作臨時放空管線，臨時放空管線連接于設備放空口，并加設截止閥，放空口保持垂直，將臨時放空管線與設備放空口連接后，將放空管線固定，準備泄壓前，將空冷器打開，放空過程中，保證放空出的氮氣散于高空；(2)干氣密封在使用過程中，非常忌諱帶液、機械雜質和氣體倒流，因干氣密封的密封端面間隙一般只有3～5μm，任何帶液和機械雜質都直接可能損害密封端面，因此，在氮氣進入壓縮機系統之前，必須將撬裝液氮設備所有管路用氮氣進行吹掃一次，確保無任何機械雜質后再介入壓縮機預留注氮口。并且在氮氣出口設置溫度計，充入氮氣溫度不得低于25℃，安排專人檢查注氮入口溫度，若溫度下降較快，減小氮氣流量，以保證管道入口處氮氣溫度不低于25℃為準。

6 干氣密封氮氣工況機械運轉資源及設備選型要求

6.1 液氮汽化設備選型

液氮汽化設備要將加熱裝置氮氣出口溫度范圍設置在25～30℃。根據注氮速度及溫度要求，液氮槽車配備與液氮汽化設備匹配的加熱設施及其它附屬設施，一般壓縮機干氣密封氮氣工況機械運轉過程中，要求通過干氣密封系統注入壓縮機氣量為150～500Nm3/h左右，所以氮氣氣源系統中液氮汽化設備宜選擇額定最大排量1000～2000Nm3/h的設備，同時要求可滿足最小排量要求，防止供氣量過大，同時也可以在壓差過低時快速提高排量穩定壓差；在升壓時通過液氮汽化設備自帶壓力控制系統進行調節，保證注氮口壓力始終高于壓縮機系統壓力0.8～1.2MPa之間。

6.2 氮氣緩沖裝置選型要求

為了降低干氣密封系統供氣壓力波動影響壓差控制，應在氮氣供氣系統中設置氣體緩沖罐，緩沖罐容積過小會因為氮氣氣源排量變化導致系統壓差波動大，緩沖罐容積過大會造成氣源的浪費且不利于泄壓排放；根據干氣密封系統管道容積，宜選擇氣體緩沖罐容積為2～5m3；根據一般天然氣壓縮機額定最大工作壓力，選擇氮氣緩沖裝置額定工作壓力不低于天然氣壓縮機額定最大工作壓力，一般選擇氮氣緩沖裝置工作壓力為10MPa。

6.3 液氮資源配置要求

氮氣供氣系統中氮氣來源采用液氮，現場經氣化后成為氮氣，氮氣按1個標準大氣壓、5℃狀態計算，1噸液氮轉化為1個標準大氣壓、5℃狀態下的氣體體積為800m3；根據壓縮機干氣密封氮氣工況機械運轉時間及干氣密封系統對氣源供氣排量的要求，同時留出富裕量，在測試前進行液氮資源需求量的計算，現場準備足夠的液氮資源，防止因液氮資源不夠導致的系統停車。

7 結語

利用氮氣進行天然氣壓縮機干氣密封氮氣工況機械測試運轉，是檢測天然氣壓縮機運行情況的一種常見方式，為天然氣壓縮機的安全穩定運行奠定了基礎保障。