焦化裝置富氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)的應(yīng)用及維護(hù)研究

張光旭(中國(guó)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(yè)的焦化裝置為例，該焦化裝置于2006年年初建成并投入生產(chǎn)，整個(gè)廠區(qū)半數(shù)左右的加熱爐所需的燃料氣由焦化裝置富氣壓縮機(jī)提供，因此壓縮機(jī)是廠區(qū)內(nèi)非常關(guān)鍵的設(shè)備。受生產(chǎn)工藝等多種因素的影響，會(huì)有少量的焦粉顆粒混入焦化裝置富氣中，進(jìn)而對(duì)壓縮機(jī)的密封效果產(chǎn)生較大的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到工藝介質(zhì)具有較高的危險(xiǎn)性，并且介質(zhì)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(tǒng)，壓縮機(jī)使用2MCL527-21 H582富氣壓縮機(jī)組，采用汽輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在2006年經(jīng)過(guò)檢修調(diào)整后，壓縮機(jī)的密封效果依然能夠保持良好狀態(tài)，整個(gè)壓縮機(jī)組能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證了企業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 干氣密封結(jié)構(gòu)和工作原理

干氣密封采用的是氣體介質(zhì)，其為非接觸式的機(jī)械密封，與普通機(jī)械密封相比，也有動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧以及O型環(huán)等部件。其動(dòng)環(huán)的材料使用的為碳化鎢，靜環(huán)為碳環(huán)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓縮機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，在彈簧的作用下，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)能夠緊密貼合，從而形成靜密封。當(dāng)壓縮機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，干氣密封的動(dòng)環(huán)隨著軸與軸套同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，密封器從環(huán)外進(jìn)入，氣體被吸進(jìn)密封螺旋槽內(nèi)，從外環(huán)的外徑流向中心，從而在整個(gè)圓周的螺旋槽上形成密封堰，密封堰會(huì)阻止氣體的流動(dòng)。當(dāng)被引入的氣體壓力變大之后，動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間便會(huì)分離，產(chǎn)生氣膜，而氣膜對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生阻力，氣膜的厚度介于3～10 μm。壓縮機(jī)在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于氣膜的彈性與穩(wěn)定性較好，因此能夠避免動(dòng)密封與靜密封之間進(jìn)行接觸，從而能夠保證密封效果。

2 干氣密封控制系統(tǒng)

圖2 所示的為干氣密封控制系統(tǒng)。實(shí)際工作時(shí)，首先外部的氮?dú)鈺?huì)經(jīng)過(guò)減壓閥與過(guò)濾器，之后分成兩條支路，一條支路當(dāng)作緩沖器，通過(guò)限流孔板到達(dá)干氣密封的介質(zhì)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(zhì)的工藝氣不能夠流入密封端面；另一條支路當(dāng)作主密封氣進(jìn)入干氣密封的腔體，主要負(fù)責(zé)阻止氣體進(jìn)入，利用系統(tǒng)的自立式壓力調(diào)節(jié)閥，對(duì)進(jìn)口的壓力進(jìn)行調(diào)整，使進(jìn)口壓力大于介質(zhì)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(zhì)端和大氣中泄漏，只能通過(guò)密封端面，所以其流量就是兩端密封實(shí)際的泄漏量，一般介于0.6～0.9 Nm3/h之間。部分泄漏氣經(jīng)介質(zhì)側(cè)的密封端面進(jìn)入到工藝氣當(dāng)中，剩下的經(jīng)大氣側(cè)的密封端面進(jìn)入外置的迷宮密封腔中。此時(shí)，通過(guò)引入部分的氮?dú)猱?dāng)作隔離氣，使其進(jìn)入到迷宮密封的密封腔中，對(duì)其進(jìn)口壓力進(jìn)行調(diào)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(wěn)定的阻塞密封，使得軸承箱中使用的潤(rùn)滑油不會(huì)流入到干氣密封中。因?yàn)楦蓺饷芊庵惺褂玫臑榈獨(dú)猓虼藢?duì)大氣環(huán)境不會(huì)造成污染，能夠直接進(jìn)行排空操作，因此密封器部分進(jìn)入到軸承箱中，其余的通過(guò)干氣密封的大氣側(cè)密封端面進(jìn)行排出，完成整個(gè)密封的循環(huán)[1]。

圖2 干氣密封控制系統(tǒng)

在對(duì)干氣密封的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷時(shí)，通常是對(duì)主密封氣流量進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的判斷。當(dāng)干氣密封正常工作時(shí)，主密封氣入口段的流量是兩端的泄漏量總和，在實(shí)際測(cè)量時(shí)利用的是金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)，并將測(cè)得的結(jié)果輸送到控制室中，這個(gè)數(shù)值通常比較穩(wěn)定并且較小。當(dāng)兩端任何一段的干氣密封出現(xiàn)失效的情況時(shí)，流量會(huì)迅速增大，如果超過(guò)規(guī)定值，則控制室會(huì)發(fā)出信號(hào)報(bào)警，相關(guān)人員必須及時(shí)進(jìn)行處置。

干氣密封系統(tǒng)相關(guān)的測(cè)量?jī)x器在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，對(duì)于較為關(guān)鍵處采集到的信號(hào)會(huì)輸送到中控室ESD系統(tǒng)中，并進(jìn)行高低限位報(bào)警以及聯(lián)鎖設(shè)置，從而使中控室的操作人員能夠?qū)γ芊饧墓ぷ髑闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌握，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)置的過(guò)程中，應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：

(1)對(duì)主密封氣的氮?dú)饬髁窟M(jìn)行報(bào)警裝置的設(shè)置，當(dāng)密封的泄漏量超過(guò)3 Nm3/h時(shí)，系統(tǒng)要進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，確保設(shè)備的運(yùn)行安全；

(2)對(duì)主密封氣和緩沖器之間的壓差進(jìn)行報(bào)警裝置的設(shè)置，當(dāng)PDI低于10 kPa時(shí)進(jìn)行低報(bào)警，當(dāng)PDI低于50 kPa時(shí)進(jìn)行連鎖停車；

(3)對(duì)主密封氣的過(guò)濾器壓差進(jìn)行報(bào)警裝置的設(shè)置，當(dāng)PDI超過(guò)60 kPa時(shí)，進(jìn)行高報(bào)警；

(4)對(duì)密封氣的入口壓力進(jìn)行報(bào)警裝置的設(shè)置，當(dāng)PDI低于0.4 MPa時(shí)，進(jìn)行低報(bào)警，同時(shí)氮?dú)馄康臍庠醋詣?dòng)啟動(dòng)。

密封系統(tǒng)所使用的測(cè)量?jī)x器、過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)隔離轉(zhuǎn)換模塊后將信號(hào)輸送到PLC中。如果信號(hào)出現(xiàn)超限的情況，PLC輸出信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)數(shù)值達(dá)到連鎖停車的數(shù)值要求時(shí)，需要及時(shí)的進(jìn)行停車，避免產(chǎn)生較大的問(wèn)題[2]。

3 干氣密封的安裝

干氣密封因?yàn)樗臋C(jī)構(gòu)相對(duì)較為精密，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝有較高的要求。焦化裝置富氣壓縮機(jī)在進(jìn)行干氣密封系統(tǒng)的安裝前，應(yīng)當(dāng)先將機(jī)組的汽輪機(jī)以及壓縮機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試車，確保合格之后再進(jìn)行安裝，具體的安裝過(guò)程應(yīng)按照下列步驟進(jìn)行：(1)在正式安裝前，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)廠家所提供的裝配圖，對(duì)密封件的各項(xiàng)尺寸以及精度進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保能夠達(dá)到使用要求，同時(shí)對(duì)相關(guān)的密封配件進(jìn)行清洗，重點(diǎn)需要對(duì)橡膠O型圈進(jìn)行檢查，裝O型圈前先在其表面涂一層潤(rùn)滑油脂，保證安裝完成之后的密封效果達(dá)到要求；(2)進(jìn)行干氣密封旋轉(zhuǎn)體部件的組裝，整個(gè)組裝過(guò)程對(duì)環(huán)境有較為嚴(yán)格的要求，應(yīng)確保干凈整潔，確保不會(huì)混入雜質(zhì)。主密封采用的是集裝式，具體組裝順序?yàn)椋盒D(zhuǎn)件→內(nèi)彈簧座→外彈簧座→集裝式主密封→后置密封→確定調(diào)整墊的大小→將集裝式主密封裝到壓縮機(jī)內(nèi)部。在整個(gè)安裝過(guò)程中，需要按照組裝流程認(rèn)真完成每一步的安裝。安裝時(shí)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(jìn)行仔細(xì)檢查，確保干氣密封上標(biāo)示的旋轉(zhuǎn)方向與實(shí)際的主軸旋轉(zhuǎn)方向相同，保證組裝的質(zhì)量能夠達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用要求。

4 干氣密封的使用維護(hù)

本文中所分析的化工企業(yè)，其焦化裝置富氣壓縮機(jī)使用的干氣密封系統(tǒng)在2006年3月進(jìn)行第一次試車，實(shí)際的密封質(zhì)量達(dá)到要求，效果良好。在后續(xù)的使用過(guò)程中，壓縮機(jī)由于其他工藝因素的影響，進(jìn)行了多次的緊急開車與停車，經(jīng)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(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)表明，當(dāng)壓縮機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min時(shí)，根據(jù)主密封氣流量計(jì)所顯示的結(jié)果，兩端密封不存在泄漏的情況。而當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸增大，密封氣量也在增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到9 000 r/min時(shí)，兩端的密封泄漏量達(dá)到0.85 Nm3/h，存在0.1 Nm3/h的波動(dòng)，整體基本穩(wěn)定。此時(shí)壓縮機(jī)組進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，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(wěn)定在0.7～0.8 Nm3/h[3]。

2006—2011年，壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)一側(cè)密封泄漏量瞬間報(bào)警的現(xiàn)象，出現(xiàn)頻率為2次，不過(guò)這種情況很快消失了。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閴嚎s機(jī)組工藝參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)以及部分流量計(jì)的質(zhì)量存在問(wèn)題所引起的。此外，壓縮機(jī)還出現(xiàn)多次低速運(yùn)轉(zhuǎn)以及喘振的情況，但經(jīng)過(guò)及時(shí)調(diào)整后干氣密封系統(tǒng)依然能夠保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，說(shuō)明干氣密封的設(shè)計(jì)是可靠的，并且能夠抵抗較強(qiáng)的干擾，能夠滿足設(shè)備長(zhǎng)期使用的要求。

雖然壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)整體具有良好的運(yùn)行狀態(tài)，但隨著使用時(shí)間的增加，密封氣的泄漏量還是有所增大，說(shuō)明密封系統(tǒng)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的接觸面存在損傷的情況。在2011年進(jìn)行設(shè)備大修時(shí)，針對(duì)主密封氣量增大以及振動(dòng)過(guò)大的情況，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)部件上存在較為嚴(yán)重的焦粉粘結(jié)情況，導(dǎo)致壓縮機(jī)的葉輪大范圍結(jié)焦，厚度接近2 mm，并呈不均勻分布的狀態(tài)。此外，壓縮機(jī)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(dǎo)致間隙變小，使密封面出現(xiàn)了磨損。經(jīng)過(guò)拆機(jī)維修之后，壓縮機(jī)組又能夠繼續(xù)重新使用，干氣密封系統(tǒng)性能穩(wěn)定，密封效果良好[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

壓縮機(jī)運(yùn)行的可靠性對(duì)焦化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，因此保證壓縮機(jī)的密封效果就顯得尤為關(guān)鍵。本文以具體案例為對(duì)象，對(duì)焦化裝置富氣壓縮機(jī)的應(yīng)用維護(hù)進(jìn)行了具體的分析。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)干氣密封系統(tǒng)具有良好的密封效果，并且具有極強(qiáng)的抗干擾能力，能夠進(jìn)行長(zhǎng)周期的運(yùn)行，保證壓縮機(jī)的密封質(zhì)量，從而使得壓縮機(jī)能夠持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)降低停機(jī)次數(shù)，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有非常顯著的幫助。