加氫改質(zhì)裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)組干氣密封系統(tǒng)改造與應(yīng)用研究

楊亮 楚學(xué)永 寇蕊娜 唐海光 唐印（青海油田公司格爾木煉油廠）

在加氫裝置中，循環(huán)氫的作用是保持反應(yīng)系統(tǒng)氫分壓、帶走反應(yīng)熱以及控制反應(yīng)床層溫度，從而保證加氫反應(yīng)的順利進(jìn)行。加氫裝置的循環(huán)動力由壓縮機(jī)提供，因此循環(huán)氫壓縮機(jī)是加氫裝置中關(guān)鍵的動力設(shè)備，它的運(yùn)行可靠與否直接關(guān)系到加氫裝置能否保持正常運(yùn)行[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某煉油廠加氫改質(zhì)裝置在2018年之前，因干氣密封系統(tǒng)帶液失效造成循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車和裝置非計(jì)劃停工總計(jì)3次，通過對干氣密封系統(tǒng)的帶液原因進(jìn)行分析，對一級密封氣氣源的選用進(jìn)行探討，并通過系統(tǒng)流程改造徹底解決了主密封氣帶液的問題，保證了壓縮機(jī)組和裝置的長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 工作原理

某煉油廠加氫改質(zhì)裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的軸端密封采用串級干氣密封，因?yàn)榇?lián)式干氣密封“以氣封氣”，不需要密封油和冷卻水，省去了封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷，控制系統(tǒng)也比封油系統(tǒng)簡單，泄漏量小、壽命長、運(yùn)維費(fèi)用低，更適應(yīng)裝置長周期運(yùn)行的需要[2]。

循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中：A為一級密封的進(jìn)氣口，氣體的主要成分為介質(zhì)氣，進(jìn)氣流量≥87.3m3/h(標(biāo)況)，進(jìn)氣溫度≥64.6℃；B為二級密封的進(jìn)氣口，氣體的主要成分為氮?dú)猓M(jìn)氣流量≥2m3/h(標(biāo)況)，進(jìn)氣溫度≥20℃；C為隔離氣進(jìn)氣口，氣體主要成分為氮?dú)猓M(jìn)氣流量≥39.42m3/h(標(biāo)況)，進(jìn)氣溫度≥20℃；D為一級密封的泄漏口，泄漏壓力≥0.1MPa；E為隔離氣和二級密封放空口。

圖1 循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封結(jié)構(gòu)

串級密封的工作原理：一級和二級密封的原理相同，動環(huán)固定在旋轉(zhuǎn)軸上，靜環(huán)與殼體一起固定，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動環(huán)隨著轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，密封氣沿著動壓槽由外向內(nèi)運(yùn)動，因動壓槽密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入動壓槽內(nèi)的氣體被壓縮[3]，氣體壓力升高，在該壓力的作用下，靜環(huán)密封端面被推開，流動的氣體使動靜環(huán)之間形成一層很薄的氣膜，在離心力的作用下，隨著動環(huán)與靜環(huán)斷面的間隙增大，端面間氣壓降低，間隙低至原來狀況時(shí)，密封氣體經(jīng)動壓槽密封堰節(jié)流后，密封端面壓力再次升高，從而形成新的氣膜，進(jìn)而對機(jī)體外泄的工藝介質(zhì)起到良好的密封作用[4-5]。動環(huán)密封面動壓槽簡圖如圖2所示。

圖2 動環(huán)密封面動壓槽簡圖

因此，為了保證循環(huán)氫壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且在轉(zhuǎn)子與定子之間存在間隙的情況下，干氣密封的作用就顯得尤為重要，穩(wěn)定的干氣密封系統(tǒng)就是循環(huán)氫壓縮機(jī)正常運(yùn)行的良好保障。

2 干氣密封系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 存在的問題

該廠加氫改質(zhì)裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)因干氣密封失效造成機(jī)組聯(lián)鎖停車和裝置非計(jì)劃停工后，在拆除干氣密封的過程中發(fā)現(xiàn)，干氣密封外側(cè)的金屬表面存在黑色的油性物質(zhì)，一級密封進(jìn)氣過濾器濾筒內(nèi)可以看見明顯的液滴，高、低壓缸密封泄漏排火炬流量計(jì)后單向閥內(nèi)有蠟油與碳石墨凝結(jié)物，拆除高、低壓缸一級密封進(jìn)氣管線法蘭，均有固液混合物流出，拆檢干氣密封組件發(fā)現(xiàn)一級密封動環(huán)碎裂成多塊，動環(huán)外側(cè)有明顯發(fā)藍(lán)高溫?zé)片F(xiàn)象。可以看出，干氣密封系統(tǒng)一級密封氣（壓縮機(jī)出口的工藝氣）帶液較多，一級密封氣帶液進(jìn)入到一級密封動、靜環(huán)面，使兩個(gè)面之間微小的氣膜間隙受到破壞[6]，液體黏附到動、靜環(huán)面上，摩擦產(chǎn)生熱量，由于動、靜環(huán)材料不同，最終導(dǎo)致動環(huán)面炸裂，干氣密封失效，干氣密封低壓端一級動環(huán)碎裂圖見圖3、一級靜環(huán)磨損圖見圖4。

圖3 干氣密封低壓端一級動環(huán)碎裂圖

圖4 一級靜環(huán)磨損圖

2.2 原因分析

循環(huán)氫壓縮機(jī)的工藝流程如圖5所示。從圖5可以看出，循環(huán)氫壓縮機(jī)的壓縮介質(zhì)來自D102和D104，在加氫裝置中，D102是高壓分離罐，用于氣液分離，D104是循環(huán)氫壓縮機(jī)的入口分液罐，用于脫去介質(zhì)氣中所帶的液體，而造成干氣密封失效的主要原因就是工藝氣中帶液，因此可以得出，壓縮機(jī)入口分離罐和分液罐的氣液分離效果不徹底。通過觀察循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐D(zhuǎn)104發(fā)現(xiàn)，其液位在一周時(shí)間內(nèi)上升10%左右，可以斷定，高壓分離器D102頂部復(fù)合層脫液器分液效果不佳，在頂部將反應(yīng)產(chǎn)物中液相組分混著循環(huán)氫帶入壓縮機(jī)入口分液罐D(zhuǎn)104和循環(huán)氫壓縮機(jī)K102，并隨著壓縮機(jī)出口的工藝氣帶到干氣密封系統(tǒng)內(nèi)。

圖5 循環(huán)氫壓縮機(jī)工藝流程

此外，一級密封氣氣體溫度未滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)要求一級密封氣進(jìn)入干氣密封控制盤前的溫度應(yīng)在69.6℃以上，干氣密封過濾器處的溫度應(yīng)在66.6℃以上，進(jìn)入密封腔的溫度在64.6℃以上，雖然一級密封氣管線加有保溫和電伴熱，但從干氣密封過濾器處的溫度歷史趨勢來看，溫度基本上在55℃左右，明顯低于設(shè)計(jì)要求，從而使密封氣中的凝液低于露點(diǎn)溫度析出。

一級密封過濾器的濾芯只起到了除3μm以上的固體雜質(zhì)的作用，濾芯及過濾器容積只考慮少量液滴，未考慮到工藝氣會存在較多液體的現(xiàn)象，過濾效果不佳。工藝氣中未過濾掉的油液組分，帶到干氣密封系統(tǒng)內(nèi)，長時(shí)間運(yùn)行造成干氣密封系統(tǒng)失效[7-8]。

3 采取的應(yīng)對措施

針對循環(huán)氫壓縮機(jī)工藝氣帶液嚴(yán)重的問題，該廠先后采取了以下一系列措施：

1）增加循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐和一級密封過濾器的脫液次數(shù)。

2）每兩周檢查1次一級密封過濾器的濾芯，若使用情況良好，則可以延長使用周期，若濾芯帶液污染嚴(yán)重，則及時(shí)更換濾芯。

3）改中壓蒸汽作為一級密封氣的伴熱并對一級密封過濾器后的管線增加保溫，以提高一級密封氣的進(jìn)氣溫度，確保密封氣的溫度在其露點(diǎn)以上，避免凝液析出。

4）大檢修期間，更換高壓分離器D102破沫網(wǎng)以達(dá)到更好的氣液分離的目的。

5）優(yōu)化操作，生產(chǎn)過程中盡量保證壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，避免系統(tǒng)壓力和溫度大幅波動，以保證干氣密封氣膜的穩(wěn)定。

以上措施施行后干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行有所改善，但沒有完全解決一級密封氣帶液的問題，之后在檢查更換一級密封過濾器濾芯時(shí)仍發(fā)現(xiàn)濾芯上有蠟油、柴油、水等液體。

4 干氣密封系統(tǒng)的改造

4.1 一級密封氣氣源的選用

循環(huán)氫壓縮機(jī)采取以上措施后仍未能解決一級密封氣帶液的問題，那么尋找一個(gè)新的密封氣氣源可成為解決該問題的有效辦法，選用新的一級密封氣氣源需滿足以下要求：

1）干氣密封元件加工精度高，要求密封氣體是清潔干燥的，最大顆粒尺寸不超過3μm，也要防止密封面上液體來破壞動靜環(huán)之間的氣膜剛度，造成動靜環(huán)損壞[9]。

2）氣體的溫度必須滿足要求，因?yàn)闅怏w的溫度會影響干氣密封的氣膜剛度，在不同溫度下，氣體的黏度是不一樣的，溫度越高、黏度越大、氣膜剛度越大[10]。

3）氣源的壓力流量必須滿足要求，這樣才能阻塞住密封腔內(nèi)的介質(zhì)氣，達(dá)到密封的目的。

4）密封氣源進(jìn)入壓縮機(jī)腔體后對機(jī)內(nèi)介質(zhì)沒有污染。

綜上所述，在加氫裝置內(nèi)能滿足以上條件只有新氫壓縮機(jī)出口的氫氣，新氫壓縮機(jī)的氫氣來自于PSA提氫裝置，PSA原料氣經(jīng)吸附塔吸附劑提純后，除去了所帶液體和雜質(zhì)，最終從吸附塔頂?shù)玫郊兌葹?9.9%以上的干燥氫氣，經(jīng)新氫壓縮機(jī)兩級壓縮后再與循環(huán)氫混合。新氫壓縮機(jī)的出口壓力11.0MPa，而循環(huán)氫出口壓力也在11.0MPa，新氫壓縮機(jī)的出口溫度在95℃左右，滿足干氣密封一級密封氣的溫度設(shè)計(jì)要求（進(jìn)入干氣密封控制盤前的溫度應(yīng)在69.6℃以上），因此新氫壓縮機(jī)出口氫氣完全可以作為新的一級密封氣氣源。

4.2 干氣密封系統(tǒng)的改造

在2018年大檢修期間該廠對循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封氣源進(jìn)行了改造，干氣密封氣源改造流程見圖6，通過新增一條新氫管線作為干氣密封系統(tǒng)一級密封氣氣源，原干氣密封氣源（壓縮機(jī)出口工藝氣）作為備用氣源，并通過氣動球閥實(shí)現(xiàn)氣源的相互切換，改造后可徹底解決主密封氣帶液的問題。

圖6 干氣密封氣源改造流程

5 干氣密封系統(tǒng)改造后的應(yīng)用

5.1 改造后的運(yùn)行情況

2019年12月該廠將循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)一級密封氣氣源由工藝氣改為氫氣運(yùn)行，從投運(yùn)后近2年來的運(yùn)行情況來看，干氣密封一級密封氣流量控制在95～120m3/h(標(biāo)況)，一級密封氣與平衡管壓差控制在0.15～0.3MPa，一級密封氣溫度控制在80～100℃，各運(yùn)行參數(shù)正常；檢查干氣密封過濾器濾芯未見帶液，可繼續(xù)使用，濾芯的更換周期由原來的每兩周逐漸延長至目前的12個(gè)月，干氣密封系統(tǒng)運(yùn)行良好，循環(huán)氫壓縮機(jī)在本周期內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)，改造投用后效果明顯。

5.2 改造后的成果

1）經(jīng)濟(jì)效益：干氣密封過濾器濾芯的更換周期由每兩周延長至12個(gè)月，減少了職工勞動強(qiáng)度和材料成本，每年可節(jié)約材料費(fèi)16.1萬元；通過停用原一級密封氣中壓蒸汽伴熱，每年可節(jié)約39.42萬元。

2）社會效益：解決了設(shè)備長期運(yùn)行存在的安全隱患，減少了因機(jī)組聯(lián)鎖停車和裝置非計(jì)劃停工排放對環(huán)境造成的污染。