解密干氣密封裝置及控制系統(tǒng)

解密干氣密封裝置及控制系統(tǒng)

特約撰稿人：中石化重慶天然氣管道有限公司 王磊

中石化天然氣分公司 黃志

天然氣長輸管道需要在沿途建立增壓站，通過壓縮機多級壓縮，實現(xiàn)天然氣長距離輸送。壓縮機是天然氣管道輸送的“心臟”，壓縮機軸端的干氣密封(如圖1)及控制系統(tǒng)是其最重要的部件之一，其運行的安全性和可靠性將關(guān)系到機組能否長周期穩(wěn)定工作。一旦機組因密封故障停機，將直接影響下游供氣。

某增壓站是全國第一個采用國產(chǎn)壓縮機輸送頁巖氣的站場，是全國第一個在國產(chǎn)壓縮機使用國產(chǎn)干氣密封及控制系統(tǒng)的站場，是國內(nèi)使用國產(chǎn)壓縮機壓比最大的站場?，F(xiàn)以該項目為例，探討國產(chǎn)干氣密封裝置及控制系統(tǒng)在天然氣管線壓縮機的應(yīng)用。

該密封由串聯(lián)式干氣密封和后置的梳齒密封組合而成。串聯(lián)式干氣密封相當(dāng)于前后串聯(lián)布置的兩組單端面干氣密封。第一級干氣密封為主密封，基本上承受全部的壓差，以從機組出口端引出的工藝氣體經(jīng)過濾、調(diào)壓后作為其工作氣體。第二級干氣密封為輔助安全密封，通常情況在很低的壓差下工作。通過一級密封端面泄漏出少量的工藝氣體，大部分通過火炬進(jìn)行安全排放，只有極少部分通過二級密封泄漏出并引至室外高點安全排放。一級密封如失效，二級密封即可迅速做出反應(yīng)發(fā)揮密封作用，可避免一級密封失效時工藝氣的大量外泄。該密封為整體集裝式結(jié)構(gòu)，出廠前已精密地裝配成一體，通過定位塊板將動、靜部分連接在一起，防止在運輸過程中，零件之間因相互碰撞造成的損壞。同時，安裝時不需要分解，整體直接裝入機組殼體內(nèi)后取下定位板即可，便捷且軸向定位準(zhǔn)確，從而避免因現(xiàn)場重新拆卸組裝引起的裝配精度下降以及環(huán)境中的粉塵等雜質(zhì)對密封的影響，使用效果能夠得到充分保證。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)

在已建成投用西氣東輸?shù)榷鄠€項目的管線壓縮機中，干氣密封及控制系統(tǒng)均采用進(jìn)口產(chǎn)品。某國產(chǎn)干氣密封公司承擔(dān)了中石化某輸氣管道項目的壓縮機干氣密封及控制系統(tǒng)配套工作。

干氣密封解決方案

針對該項目機組流量大、功率高、工況變化范圍大、密封工作氣體組分復(fù)雜多變、二級密封的工作環(huán)境較差、機組頻繁啟停、現(xiàn)場無氮氣源、工藝介質(zhì)氣體易燃易爆等技術(shù)難題，逐一采取有針對性的解決方案。

●采用一體式過濾器

一級密封供氣來自于壓縮機出口端的天然氣，天然氣含有顆粒及液滴，成分較復(fù)雜，需作嚴(yán)格地凈化處理。氣源引入干氣密封控制系統(tǒng)后，通過凝聚式過濾器對氣體進(jìn)行過濾。過濾器為一開一備，配置一體式恒流切換閥，能在更換濾芯時快速、方便地切換至備用過濾器，可避免因切換對一級密封氣流量和壓力帶來的波動，使干氣密封處于穩(wěn)定的工作環(huán)境。該過濾器能處理1μm以上固體懸浮顆粒及微小液滴，高于API614標(biāo)準(zhǔn)4μm要求，過濾效率達(dá)到99.5%以上。

●優(yōu)化設(shè)計干氣密封動壓槽

在機組運行周期內(nèi)，針對出現(xiàn)試車、開停車、循環(huán)及正常工作等多種壓力條件的情況，要求密封適用壓力范圍寬，能在各種壓力的波動變化下穩(wěn)定工作。

選擇了氣膜剛度好且流體靜壓效應(yīng)強的單向螺旋槽，考慮到一級、二級密封端面工作狀態(tài)的差異，對端面槽形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過試驗驗證，達(dá)到一級密封端面泄漏量控制在8m3/h以下，使二級密封在保證正常工作的前提下做到最小的泄漏。

●優(yōu)化氣膜厚度

針對管線壓縮機存在啟停次數(shù)多的特點，設(shè)計的關(guān)鍵應(yīng)在最低的開啟轉(zhuǎn)速上。在滿足正常泄漏量和可靠性的前提下，密封應(yīng)具有盡量低的開啟速度。即在全壓啟停時，干氣密封的動靜環(huán)已處于基本脫離的狀態(tài)，通過對氣膜厚度的變化判定密封端面是否處于脫離的狀態(tài)，使密封具有足夠的流體靜壓效應(yīng)而不依賴于動環(huán)的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)氣膜厚度測量數(shù)據(jù)和運行結(jié)果分析，在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，3μm氣膜厚度可以視作端面為脫離狀態(tài)。密封在1.5MPa以上，即在全壓下啟停應(yīng)為端面脫離狀態(tài)，通過對該密封連續(xù)300次工廠啟停試驗，獲得良好的效果。

●設(shè)置電加熱器

隨著氣源和季節(jié)的變化，天然氣可能存在大量帶液的情況。而一級密封氣通過調(diào)節(jié)閥減壓后的氣體會產(chǎn)生焦耳/湯姆遜效應(yīng)，溫度會明顯降低，一級密封氣經(jīng)過調(diào)節(jié)閥減壓后降溫約在20℃以上。天然氣中含有少量的重組分烴類介質(zhì)，這類介質(zhì)在降溫過程中，由于露點較高，容易析出液態(tài)烴被帶進(jìn)密封端面，造成干氣密封的損壞。根據(jù)該項目天然氣組分，計算露點曲線，減壓后的壓力為4.1MPa，露點-44℃左右，為最大可能地保證工藝氣不出現(xiàn)帶液的情況，在減壓后系統(tǒng)配置了電加熱器，對降溫后的氣體加熱至60℃左右，使其遠(yuǎn)離露點，增加了干氣密封運行的可靠性。

●配置干氣密封增壓裝置

在壓縮機停車和場站最初的開車階段，壓縮機的進(jìn)出口壓差小，導(dǎo)致一級密封氣的兩路氣源壓力不足，不能有效地阻擋住臟的工藝氣，需要配置增壓裝置，來提供滿足干氣密封開停車階段需要的一級密封氣流量。由于增壓裝置僅在開停車階段短時間使用，從經(jīng)濟(jì)性考慮，整個項目采用一套增壓裝置能夠滿足四臺壓縮機同時需要。

在同時滿足一級密封氣流量≤70m3/h、壓縮機進(jìn)出口壓差≤2.0MPa、壓縮機進(jìn)口壓力≥0.5MPa三個條件時，該增壓裝置啟動，壓縮機投用增壓后的氣源作為一級密封氣氣源；一級密封氣流量≥140m3/h、壓縮機進(jìn)出口壓差≥4.0MPa、壓縮機進(jìn)口壓力≤0.3MPa中任一條件滿足時，該增壓裝置停用，壓縮機投用出口端工藝氣作為一級密封氣氣源。

●控制一級密封泄漏氣壓力

干氣密封工作壓差過低將會影響其長周期運行的可靠性。該密封由于沒有二級密封氣，故二級密封可能存在工作壓力偏低的情況。

通過一級泄漏氣管線上設(shè)置的背壓閥PCV3穩(wěn)定泄漏氣壓力至0.15MPa，即二級密封的工作壓力，可保證二級密封在適合的壓力下可靠工作。這既能通過對干氣密封的一級泄漏氣去監(jiān)控一級密封的運行情況，還可為二級密封的運行建立足夠的壓力。

●避開二級密封泄漏氣爆炸極限

二級泄漏氣含有微量的工藝氣和空氣，工藝氣來自于二級密封端面泄漏，空氣來自于隔離氣介質(zhì)方向的泄漏，混合氣體存在著爆炸的安全隱患。對二級密封泄漏氣爆炸極限（5%～15%）進(jìn)行分析，計算隔離氣注入量為57m3/h，考慮安全裕量，確定隔離氣需要的流量為80m3/h。一部分隔離氣通過介質(zhì)側(cè)迷宮泄漏與二級密封泄漏氣混合后，進(jìn)入二級密封泄漏氣通道引至室外安全排放，另一部分通過大氣側(cè)迷宮泄漏至機組軸承箱內(nèi)，防止?jié)櫥臀廴久芊狻?/p>

現(xiàn)場運行效果

該增壓站4臺壓縮機國產(chǎn)干氣密封裝置及控制系統(tǒng)已平穩(wěn)運行了2年，干氣密封工作壓力、一級端面泄漏量均控制在設(shè)計范圍和生產(chǎn)運行規(guī)程內(nèi)，也未出現(xiàn)干氣密封非正常泄漏、損壞等失效問題，總體運行良好。標(biāo)志著天然氣長輸行業(yè)中，管線壓縮機干氣密封本體和控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的首次應(yīng)用獲得了成功，解決了國外產(chǎn)品價格高、服務(wù)不及時等難題。