甲烷化循環氣壓縮機的優化改造

王剛，張建，唐振，裴鯤鵬，張祥申，王強

（1.盛虹煉化（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222000；2.聯泓新材料科技股份有限公司，山東 滕州 277500；3.章丘秦風氣體股份有限公司，山東 濟南 250200；4.山東方明化工股份有限公司，山東 菏澤 274500）

隨著國內煉化一體化的快速發展，煤制氣制甲烷工藝也隨之快速發展，甲烷化循環氣壓縮機屬于甲烷化工藝的核心設備，因工藝氣體分的特殊性，目前絕大部分采用進口設備，機組中干氣密封部件又屬于裝置的重要部件，對機組的安全穩定運行和密封性能至關重要。

1 甲烷化裝置概況和甲烷化循環機組簡介

盛虹煉化1600萬噸煉化一體化項目甲烷化裝置單元設計兩個相同的系列，主要是將低溫甲醇洗送來的雙系列合格凈化氣716366Nm3/h（H/C=3.0），通過精脫硫脫除硫（總硫≤6μL/m3），在甲烷化催化劑的作用下反應生成甲烷，反應后的富甲烷氣經換熱、冷凝、分離、洗滌，最終得到高熱值富甲烷氣（CH4≥95.5%），每年可以生產富甲烷氣15億Nm3，合格的富甲烷氣送往燃料氣管網和IGCC燃氣輪機，同時，利用廢熱鍋爐回收甲烷化反應熱，并將副產的高壓過熱蒸汽送入管網，甲烷化反應所產生的工藝凝液經蒸汽汽提處理后送出界區。裝置操作彈性：30%～110%，年開工時數：8400h，裝置規模：年產15億Nm3富甲烷氣。

裝置的核心設備為2臺甲烷化循環氣壓縮機，2019年按照托普索工藝包技術指標，溝通設計院確定機組招標數據表，進行供應商招商，因機組工藝條件要求較高，參與投標的企業只有沈陽鼓風機集團有限公司和1家外資公司（涉及保密，不便明寫），圖1為機組要求數據表。

圖1 機組數據表

2 投標企業方案分析

2家循環氣壓縮機投標企業均采用電機+變速箱+單葉輪離心壓縮機模式，因機組內介質特殊性，軸封配置方面，2家供應商均配置2套串聯式干氣密封，總體布置配置上基本一致，通過多次交流溝通，因國內機組在此領域基本無業績，為降低運行風險和后續裝置運行的穩定性，公司領導決定選用進口供應商。機組布置圖如圖2。

圖2 機組布置圖

3 進口機組設計存在問題的優化考慮

進口甲烷化循環氣壓縮機設計為多軸單級離心式壓縮機，機組采用電機+齒輪箱+壓縮機的布置模式，為節約占地空間，齒輪箱和壓縮機采用整撬設計，使機組整體更加緊湊。供應商在軸封設計采用對稱布置，雙套串聯式干氣密封加碳環密封（圖3）。

圖3

對于供應商雙套干氣密封的設計，我方認為：（1）變速箱驅動側干氣密封功能非常雞肋，軸向力平衡的輔助功能可以通過其他部件實現，本套干氣密封整體可以優化設計進行取消。（2）變速箱驅動側軸封設計影響機組整體密封性能，增加泄漏風險。（3）變速箱驅動側設計增加了機組運行成本，增加機組維保工作量。（4）變速箱驅動側設計造成高速轉子的整體長度較長，高速運轉撓度增加。

我方論據如下：

（1）變速箱驅動側干氣密封建議取消原因：因壓縮機只有單蝸殼單葉輪，所以機組軸封只需要在蝸殼同齒輪箱一側設置，對蝸殼內介質實現密封和對齒輪側油污實現隔離功能，而齒輪箱另一側無壓縮介質，不存在泄漏隱患，無須布置干氣密封。供應商解釋驅動側干氣密封設計是為提供軸端充壓輔助實現軸向力平衡的作用。我方再次建議，此輔助功能完全可以通過平衡盤改造增加平衡盤和推力軸瓦接觸面進而增加軸向平衡力的方案進行取代。

（2）變速箱驅動側軸封設計影響機組整體密封性能，增加泄漏風險：干氣密封屬于動密封，相對于靜密封，動密封失效泄漏的概率更高。如采用我方建議方案，取消掉這套干氣密封，在高速齒輪驅動端就只存在靜密封，密封泄露概率將降為零，徹底杜絕泄漏。

（3）變速箱驅動側設計增加了機組運行成本，增加機組檢修工作量：按照目前市場平均價格，干氣密封30萬元/套，如采用我方方案，直接成本節約30萬元/套，后續運行維護費每年節約10萬元左右/套，以機組設計壽命15年計算，1套機組共節約費用180萬左右，裝置2套機組共節約費用360萬左右（不含機組正常運行期間的氣體消耗成本），另外，干氣密封運行期間對氣體介質有持續的消耗。干氣密封消耗見圖4。

圖4 干氣密封消耗

（4）變速箱驅動側設計造成高速轉子的整體長度較長，建議縮短：變速箱驅動側干氣密封取消后，高速端轉子自然縮短，提升了高速軸轉子運行的穩定性。

總結：通過對變速箱驅動側軸封設計的更改，將動密封改為靜密封，提高機組整體密封效果，降低機組整體成本，降低機組運行維護成本，提升運行的穩定性。通過多輪談判溝通，供應商無充分依據對我方提出方案進行反駁，最終做出讓步，同意按照我方意見進行優化設計方案。

4 循環氣壓縮機變速箱驅動側軸封設計優化前后對比

2套方案優化前后對比（表1和圖5、圖6），方案1設計特點：傳統成熟設計，已在多個裝置中投入運行，節約設計費用，機組密封性偏差，機組成本偏高，運行成本消耗高，故障率偏高。方案2設計特點：針對多軸單級循環氣壓縮機在布置結構上進行優化，減少1套干氣密封配置，通過設計優化提高機組密封性，機組成本降低，運行成本降低，故障率降低。

圖5 優化前方案

圖6 優化方案

表1 方案性能比較表

5 改造主要部件干氣密封介紹

本次優化改造的重點部件是齒輪箱驅動端干氣密封，干氣密封（DGS)英文Dry Running gas seals屬于機械軸封的一種形式，是將開槽密封技術用于氣體密封的一種軸端密封，屬于非接觸密封，旋轉環密封面經過研磨、拋光處理，并在其上面加工出特殊作用的流體動壓槽。在運轉設備中運用非常廣泛，價格相對昂貴。干氣密封是通過動環旋轉時，密封氣體被吸入動壓槽內，有外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動。由于密封堰的節流作用，進入密封堰的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動的氣體在兩密封面形成一層氣膜，厚度3um左右。氣體靜壓力、彈簧力、氣膜返力形成平衡狀態。動靜環密封面依靠氣膜實現對機組內介質的密封作用。本機組采用的串聯式干氣密封加碳環密封結構。本機組密封結構圖如圖7所示。

圖7 本機組密封結構圖

6 結語

通過對進口機組廠家要求的設計優化，一方面改進了甲烷化循環機的設計構造，對甲烷化裝置發展是一項非常大的進步；另一方面，通過我們自身對機組的吸收和研究，增加了我們對進口設備的談判籌碼，推動進口機組廠家按照我方理念設計起到了積極作用。在國內機組發展方面，如國內機組供應商能按照最優方案設計和改進機組，相信在同進口供應商的競爭中將能爭取更多籌碼，提升國內產品的競爭力。