焦化裝置富氣壓縮機干氣密封系統的應用及維護研究

張光旭(中國石油化工股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

0 引言

文章以某石化企業的焦化裝置為例，該焦化裝置于2006年年初建成并投入生產，整個廠區半數左右的加熱爐所需的燃料氣由焦化裝置富氣壓縮機提供，因此壓縮機是廠區內非常關鍵的設備。受生產工藝等多種因素的影響，會有少量的焦粉顆粒混入焦化裝置富氣中，進而對壓縮機的密封效果產生較大的影響。在實際設計的過程中，考慮到工藝介質具有較高的危險性，并且介質中存在焦粉顆粒等多種因素，該石化公司采用TM02A-158型雙端面干氣密封系統，壓縮機使用2MCL527-21 H582富氣壓縮機組，采用汽輪機進行驅動。在2006年經過檢修調整后，壓縮機的密封效果依然能夠保持良好狀態，整個壓縮機組能夠長時間的穩定運行，從而保證了企業的正常運轉。

1 干氣密封結構和工作原理

干氣密封采用的是氣體介質，其為非接觸式的機械密封，與普通機械密封相比，也有動環、靜環、彈簧以及O型環等部件。其動環的材料使用的為碳化鎢，靜環為碳環，具體結構如圖1所示。壓縮機處于停機狀態時，在彈簧的作用下，動環與靜環能夠緊密貼合，從而形成靜密封。當壓縮機開始旋轉時，干氣密封的動環隨著軸與軸套同時轉動，密封器從環外進入，氣體被吸進密封螺旋槽內，從外環的外徑流向中心，從而在整個圓周的螺旋槽上形成密封堰，密封堰會阻止氣體的流動。當被引入的氣體壓力變大之后，動環與靜環之間便會分離，產生氣膜，而氣膜對氣體的流動產生阻力，氣膜的厚度介于3～10 μm。壓縮機在連續運轉的過程中，由于氣膜的彈性與穩定性較好，因此能夠避免動密封與靜密封之間進行接觸，從而能夠保證密封效果。

2 干氣密封控制系統

圖2 所示的為干氣密封控制系統。實際工作時，首先外部的氮氣會經過減壓閥與過濾器，之后分成兩條支路，一條支路當作緩沖器，通過限流孔板到達干氣密封的介質端，其壓力略微超出平衡管處的工藝氣壓力0.1 MPa左右，使得摻有焦粉等雜質的工藝氣不能夠流入密封端面；另一條支路當作主密封氣進入干氣密封的腔體，主要負責阻止氣體進入，利用系統的自立式壓力調節閥，對進口的壓力進行調整，使進口壓力大于介質端緩沖氣壓力0.2 MPa左右。主密封氣流入密封腔后，如果想要向介質端和大氣中泄漏，只能通過密封端面，所以其流量就是兩端密封實際的泄漏量，一般介于0.6～0.9 Nm3/h之間。部分泄漏氣經介質側的密封端面進入到工藝氣當中，剩下的經大氣側的密封端面進入外置的迷宮密封腔中。此時，通過引入部分的氮氣當作隔離氣，使其進入到迷宮密封的密封腔中，對其進口壓力進行調整，使其壓力略微大于軸承箱的油壓20 kPa，從而可以形成較為穩定的阻塞密封，使得軸承箱中使用的潤滑油不會流入到干氣密封中。因為干氣密封中使用的為氮氣，因此對大氣環境不會造成污染，能夠直接進行排空操作，因此密封器部分進入到軸承箱中，其余的通過干氣密封的大氣側密封端面進行排出，完成整個密封的循環[1]。

圖2 干氣密封控制系統

在對干氣密封的工作狀態進行判斷時，通常是對主密封氣流量進行檢測，根據監測的實際情況進而進行相應的判斷。當干氣密封正常工作時，主密封氣入口段的流量是兩端的泄漏量總和，在實際測量時利用的是金屬轉子流量計，并將測得的結果輸送到控制室中，這個數值通常比較穩定并且較小。當兩端任何一段的干氣密封出現失效的情況時，流量會迅速增大，如果超過規定值，則控制室會發出信號報警，相關人員必須及時進行處置。

干氣密封系統相關的測量儀器在對現場相關數據進行監測的同時，對于較為關鍵處采集到的信號會輸送到中控室ESD系統中，并進行高低限位報警以及聯鎖設置，從而使中控室的操作人員能夠對密封件的工作情況進行實時的掌握，確保系統能夠穩定可靠的運行。在實際設置的過程中，應滿足以下幾點要求：

(1)對主密封氣的氮氣流量進行報警裝置的設置，當密封的泄漏量超過3 Nm3/h時，系統要進行自動報警，確保設備的運行安全；

(2)對主密封氣和緩沖器之間的壓差進行報警裝置的設置，當PDI低于10 kPa時進行低報警，當PDI低于50 kPa時進行連鎖停車；

(3)對主密封氣的過濾器壓差進行報警裝置的設置，當PDI超過60 kPa時，進行高報警；

(4)對密封氣的入口壓力進行報警裝置的設置，當PDI低于0.4 MPa時，進行低報警，同時氮氣瓶的氣源自動啟動。

密封系統所使用的測量儀器、過濾器以及閥門等裝置都需要與干氣密封的儀表盤相連，其中壓力、流量等輸出的是4～20 mA的模擬信號，經過隔離轉換模塊后將信號輸送到PLC中。如果信號出現超限的情況，PLC輸出信號進行報警，當數值達到連鎖停車的數值要求時，需要及時的進行停車，避免產生較大的問題[2]。

3 干氣密封的安裝

干氣密封因為它的機構相對較為精密，因此對現場安裝有較高的要求。焦化裝置富氣壓縮機在進行干氣密封系統的安裝前，應當先將機組的汽輪機以及壓縮機進行聯動試車，確保合格之后再進行安裝，具體的安裝過程應按照下列步驟進行：(1)在正式安裝前，應根據生產廠家所提供的裝配圖，對密封件的各項尺寸以及精度進行嚴格檢查，確保能夠達到使用要求，同時對相關的密封配件進行清洗，重點需要對橡膠O型圈進行檢查，裝O型圈前先在其表面涂一層潤滑油脂，保證安裝完成之后的密封效果達到要求；(2)進行干氣密封旋轉體部件的組裝，整個組裝過程對環境有較為嚴格的要求，應確保干凈整潔，確保不會混入雜質。主密封采用的是集裝式，具體組裝順序為：旋轉件→內彈簧座→外彈簧座→集裝式主密封→后置密封→確定調整墊的大小→將集裝式主密封裝到壓縮機內部。在整個安裝過程中，需要按照組裝流程認真完成每一步的安裝。安裝時需要借助專用工具，從而確保安裝效果，安裝完成之后需要進行仔細檢查，確保干氣密封上標示的旋轉方向與實際的主軸旋轉方向相同，保證組裝的質量能夠達到實際的應用要求。

4 干氣密封的使用維護

本文中所分析的化工企業，其焦化裝置富氣壓縮機使用的干氣密封系統在2006年3月進行第一次試車，實際的密封質量達到要求，效果良好。在后續的使用過程中，壓縮機由于其他工藝因素的影響，進行了多次的緊急開車與停車，經歷了多次緊急情況后，干氣密封依然保持著良好的密封效果。現場記錄數據表明，當壓縮機組的運行轉速低于2 000 r/min時，根據主密封氣流量計所顯示的結果，兩端密封不存在泄漏的情況。而當轉速逐漸增大，密封氣量也在增大，當轉速達到9 000 r/min時，兩端的密封泄漏量達到0.85 Nm3/h，存在0.1 Nm3/h的波動，整體基本穩定。此時壓縮機組進入平穩運轉的狀態，密封腔的溫度開始增大，兩端密封的泄漏量隨著溫度增大而逐漸減小，最后穩定在0.7～0.8 Nm3/h[3]。

2006—2011年，壓縮機在運行過程中，出現過一側密封泄漏量瞬間報警的現象，出現頻率為2次，不過這種情況很快消失了。經過分析發現是因為壓縮機組工藝參數出現波動以及部分流量計的質量存在問題所引起的。此外，壓縮機還出現多次低速運轉以及喘振的情況，但經過及時調整后干氣密封系統依然能夠保持良好的運行狀態，說明干氣密封的設計是可靠的，并且能夠抵抗較強的干擾，能夠滿足設備長期使用的要求。

雖然壓縮機干氣密封系統整體具有良好的運行狀態，但隨著使用時間的增加，密封氣的泄漏量還是有所增大，說明密封系統動環與靜環的接觸面存在損傷的情況。在2011年進行設備大修時，針對主密封氣量增大以及振動過大的情況，對壓縮機進行拆卸檢查，發現壓縮機部件上存在較為嚴重的焦粉粘結情況，導致壓縮機的葉輪大范圍結焦，厚度接近2 mm，并呈不均勻分布的狀態。此外，壓縮機的后端蓋上堆積了一層焦粉，而端蓋與葉輪間以及吸入隔板與葉輪間由于堆積的焦粉而導致間隙變小，使密封面出現了磨損。經過拆機維修之后，壓縮機組又能夠繼續重新使用，干氣密封系統性能穩定，密封效果良好[4]。

5 結語

壓縮機運行的可靠性對焦化裝置的穩定運行十分重要，因此保證壓縮機的密封效果就顯得尤為關鍵。本文以具體案例為對象，對焦化裝置富氣壓縮機的應用維護進行了具體的分析。經過分析，發現干氣密封系統具有良好的密封效果，并且具有極強的抗干擾能力，能夠進行長周期的運行，保證壓縮機的密封質量，從而使得壓縮機能夠持續穩定的運行，對降低停機次數，提高企業經濟效益有非常顯著的幫助。