離心式壓縮機干氣密封污染原因分析

葉慶凡，王佳，張越

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著我國石油天然氣行業的快速發展，天然氣作為清潔能源已被廣泛應用，而輸送天然氣所使用的離心式壓縮機發揮著重要作用。離心式壓縮機作為天然氣輸送、加壓的高速旋轉透平設備，其軸端密封在經歷迷宮密封、浮環密封、油膜機械密封等三代密封形式后，已進入第四代密封——氣體潤滑端面密封，簡稱干氣密封，其屬于非接觸式氣體潤滑機械密封[1-13]。某天然氣公司輸送管線上3個壓氣站共有6臺燃驅離心式壓縮機組，于2016年投產運行，其壓縮機運行時間集中在冬季供暖期間，為某省民生用氣發揮著至關重要的作用。基于此，文中對天然氣離心式壓縮機干氣密封污染原因進行分析并提出優化的方案[14-15]。

1 干氣密封概述及運行工況

1.1 干氣密封概述

干氣密封作為離心式壓縮機的重要組成部分，其主要用來密封壓縮機內部天然氣，防止壓縮機腔內高壓天然氣泄漏至外界環境，同時通過隔離氣對潤滑油進行阻隔，避免潤滑油進入干氣密封組件[1，4]。壓縮機用干氣密封一般分為單端面、雙端面、串聯式、帶中間迷宮密封的串聯式4種類型，其中天然氣離心式壓縮機使用帶中間迷宮密封的串聯式干氣密封較多，文中以該類型干氣密封研究為主。

帶中間迷宮密封的串聯式干氣密封一般主要由動環、靜環、密封O型圈、彈簧、彈簧座、迷宮、軸套、調整墊等組成，其典型結構如圖1所示。其工藝流程為：高壓天然氣從一級密封氣進入介質側，起到密封壓縮機腔內天然氣的作用，同時進入干氣密封側對彈簧產生作用力，將動靜環分離，動環隨著壓縮機主軸高速旋轉，產生的少量泄漏氣體進入一級泄漏氣通道至高處放空火炬，實現了密封天然氣的作用；二級密封氣口采用密封法蘭盲死；壓縮后的空氣進入隔離氣入口，阻止大氣側空氣及潤滑油竄入干氣密封內，同時進入二級泄漏氣與部分高壓端天然混合后進入低位放空火炬，又可將二級泄漏處的動靜環分離。其中動環結構如圖2所示，采用雙向旋轉式，可正反轉，減少了反轉導致密封損壞的可能性。該干氣密封具有使用壽命長、運行穩定性高、損耗低、運行及維護費用成本低等優勢。

圖1 帶中間迷宮密封的串聯式干氣密封結構

圖2 動環結構

對某壓氣站離心式壓縮機干氣密封的工作條件進行簡單描述，壓縮機工作介質主要為天然氣，額定轉速為10859 r/min，最大連續轉速為11402 r/min，壓縮機進口壓力為4.0 MPa，出口壓力為8.0 MPa，干氣密封設計壓力為8.0 MPa，設計溫度為-20～150 ℃，靜態泄漏量小于5.76 Nm3/h，動態泄漏量小于6 Nm3/h。

1.2 干氣密封運行工況

某壓氣站離心式壓縮機干氣密封系統運行工況如下。

(1)壓縮機配置專用干氣密封撬體，主要包括密封氣聚結器、增壓泵、過濾器、自力式調壓閥、壓力及流量變送器、加熱器、密封氣及隔離氣管路、放空火炬等。壓縮機密封氣氣源取自壓縮機出口匯管聚結器，經過3次過濾，精度達到1 μm，經過1次調壓后，一級密封氣壓力較平衡管壓力大0.2 MPa左右，隔離氣氣源來自空氣壓縮機，經過2次過濾后，精度達到5 μm，壓力為0.4 MPa左右。

(2)壓縮機在運行過程中，潤滑油進入軸承前需進行調壓，為確保潤滑效果良好，各軸瓦溫度在合理范圍之內，潤滑油壓力一般要求為0.1～0.12 MPa。

2 干氣密封污染現象及原因分析

2.1 干氣密封污染現象

某壓氣站離心式壓縮機自投產時，運行約200 h后,一級泄漏放空火炬出現滴油現象，表面附著大面積油漬，如圖3所示，同時將泄漏連接管道法蘭斷開，發現存在潤滑油堆積現象，但壓縮機干氣密封一級放空量為0.125 Nm3/h，放空壓力為129 kPa，運行數據均在正常范圍之內。

圖3 一級泄漏放空火炬附著大面積油漬

2019年壓縮機干氣密封使用年限達3 a，累計運行時間達6000 h后，由廠家人員對干氣密封進行維保，當從壓縮機主軸端移除后，發現密封外觀存在油漬，拆解后發現密封氣側密封動、靜環表面有輕微的運轉磨痕，副密封有雜質聚集，如圖4所示，隔離氣側密封動、靜環表面有輕微的運轉磨痕，工作面有油漬，如圖5所示。

圖4 密封氣側動環及副密封處存在雜質

圖5 隔離氣側動、靜環外觀附著油漬

2.2 原因分析

針對干氣密封一級泄漏放空火炬存在滴油現象，介質側及大氣側存在油漬及雜質現象，需對產生原因進行逐項排查，查明污染來源。

一級泄漏放空火炬滴油現象原因一般為介質密封氣存在油污或隔離氣失效導致潤滑油竄入一級泄漏點。根據原因逐項進行排查，首先對介質密封氣潔凈度進行檢查，因干氣密封撬裝上安裝有兩道過濾器，遂對粗濾和精濾進行檢查，發現過濾器均未失效，精濾外表面干凈、無污染，如圖6所示。同時將密封氣撬至壓縮機連接法蘭處的管線進行拆除，檢查管道及壓縮機內孔是否存在油漬及污物，結果均未發現有異物。因此，排除介質密封氣存在油污導致干氣密封被污染的可能性。其次，對隔離氣失效進行排查，查看歷史運行記錄，在每次啟機前，均先投運隔離氣源，停機待潤滑油系統停運15 min后關閉隔離氣源，在機組運氣期間未出現隔離氣低報現象，同時檢查隔離氣精濾，發現過濾器未失效，表面干凈、無污染，如圖7所示。

圖6 密封氣過濾器表面

圖7 隔離氣過濾器表面

當介質密封氣無油污，隔離氣未失效，導致產生滴油現象，則可能是潤滑油壓力過大或干氣密封設計不足導致。由于離心式壓縮機采用可傾瓦軸承，其在高速旋轉過程中通過在葉輪主軸與軸瓦之間形成0.3 mm厚度的油膜以達到支撐作用，同時帶走運轉產生的熱量，為確保壓縮機軸瓦溫度及振動數據正常，按照設計要求，潤滑油壓應在0.1～0.12 MPa，對現場油壓進行檢查均在合理范圍內，未出現超壓運行現象[6,9,12]。

檢查潤滑油運行狀態，由于壓縮機非驅動端共有3組軸承，分別為支撐軸承、主推力軸承和副推力軸承，故有3根供油管路，驅動端共有1組軸承，為支撐軸承，有1根供油管路。潤滑油供油管路采用下端供油噴射潤滑方式，瞬時油量過大，初步判斷可能存在潤滑油飛濺，回油不暢導致油位超過干氣密封的迷宮密封，致使部分潤滑油竄入干氣密封內，長期運行會污染干氣密封動靜環，致使一級泄漏放空火炬出現滴油現象，如圖8所示[9-10]。

圖8 潤滑油液位高于干氣密封迷宮密封示意

3 干氣密封優化及測試

根據以上原因分析，進行干氣密封的優化改造。為避免潤滑油飛濺或回油液位超過迷宮密封，通過給干氣密封外側增加隔油擋板的方式實施保護，如圖9所示[3,5,8]。

圖9 干氣密封隔油擋板安裝

隔油擋板設計要求：(1)采用四氟乙烯的材質，其穩定性好，化學穩定性好，易加工，可塑性較好；(2)其與壓縮機主軸采用間歇配合，其外圓最低點要求低于回油液位，形成良好隔油作用；(3)其表面要有較好的光潔度，確保與干氣密封端面有良好貼合。

現場安裝干氣密封隔油擋板，對壓縮機進行啟停機測試、調整壓縮機運行負荷，檢查干氣密封放空壓力及流量，并對壓縮機一級放空火炬進行持續觀察，結果如表1所示。

表1 干氣密封系統運行數據

通過以上數據分析可知：(1)安裝擋板對干氣密封的一級放空壓力及流量數據并無明顯影響；(2)壓縮機一級放空火炬未存在滴油現象，未造成設備的環境污染，同時降低了油氣混合的可能性。本次改造避免了干氣密封潤滑油的竄入導致動靜環的污染，對設備的穩定運行有一定的實用價值，優化具有可操作性。

4 結語

文中針對干氣密封污染原因進行了分析，查明了干氣密封一級放空火炬滴油現象原因，并提出詳細的解決方案及優化對策。干氣密封系統是離心式壓縮機安全運行的重要設備，在長期運行過程中，我們應當做好如下工作：①定期檢查干氣密封系統中的過濾設備，保障密封氣及隔離氣的干潔度；②潤滑油的噴射角度及回油能力對干氣密封的污染有重要影響，合理的設計或有效的防護措施，可以保護干氣密封不受污染，提升使用壽命，降低維保成本；③在設備運行過程中要善于總結，查找問題根源，才能對系統優化及提升運行平穩性起到幫助作用。