合成氣壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)放空流量異常上漲原因分析

付加輝

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱呼倫貝爾金新化工)5080項(xiàng)目合成氨裝置于2012年7月生產(chǎn)出合格合成氨產(chǎn)品。合成氣壓縮機(jī)是合成裝置核心設(shè)備，采用雙出軸，雙缸15級(jí)，高壓抽汽冷凝式透平驅(qū)動(dòng)，由三菱重工制造，壓縮機(jī)雙缸的軸封均采用了約翰克蘭生產(chǎn)的28XPBD型串聯(lián)式干氣密封。

2014年6月，合成氣壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)端干氣密封一級(jí)放空流量FI11568出現(xiàn)上漲，從之前的25～26Nm3/h上漲至29～30Nm3/h。通過調(diào)整干氣密封二級(jí)進(jìn)氣、一級(jí)密封氣與參考?xì)鈮翰?、合成氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等方式后，未見好轉(zhuǎn)。經(jīng)過分析合成氣壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)泄漏氣流量上漲原因，認(rèn)為干氣密封二級(jí)進(jìn)氣和隔離氣中斷可能是造成一放流量上漲幅度大的主要原因，干氣密封的一級(jí)密封存在故障，干氣密封檢修需要合成裝置停車，將會(huì)對(duì)企業(yè)造成極大損失，經(jīng)過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，合成氣壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。利用合成氣壓縮機(jī)停車機(jī)會(huì)，對(duì)合成氣壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)端干氣密封進(jìn)行了更換，徹底消除了隱患。

1 干氣密封系統(tǒng)流程

合成氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)包括一級(jí)密封氣進(jìn)氣、二級(jí)密封氣進(jìn)氣、隔離氣進(jìn)氣、一級(jí)密封放空、二級(jí)密封放空、一級(jí)密封導(dǎo)淋、二級(jí)密封導(dǎo)淋及軸承潤(rùn)滑煙氣放空系統(tǒng)。

合成氣壓縮機(jī)干氣密封一級(jí)進(jìn)氣采用高壓端引出的高壓工藝氣，經(jīng)過精度為2μm過濾器后，用針型閥控制一級(jí)進(jìn)氣流量，用壓差調(diào)節(jié)閥控制密封氣進(jìn)氣與參考?xì)鈮翰睿患?jí)進(jìn)氣大部分進(jìn)入壓縮機(jī)缸體內(nèi)，少量氣體經(jīng)過一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)排放至一級(jí)密封放空系統(tǒng)。

合成氣壓縮機(jī)干氣密封一放系統(tǒng)包括一級(jí)密封泄漏和二級(jí)密封進(jìn)氣，通過梳齒密封泄漏的氮?dú)?，一?jí)密封放空系統(tǒng)原設(shè)計(jì)排至火炬，干氣密封系統(tǒng)監(jiān)測(cè)一級(jí)密封排放流量，以此判斷干氣密封一級(jí)密封是否發(fā)生損壞，但是實(shí)際運(yùn)行過程中，火炬背壓升高造成干氣密封一級(jí)放空流量下降，試車階段直接將一級(jí)密封放空改為高點(diǎn)排放。

正常情況下，來(lái)自低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)的低壓氮?dú)饨?jīng)過精密過濾器(精度2μm)后，用自力式減壓閥PCV11588減壓至0.25MPa(g)，分成兩股：一股做二級(jí)密封進(jìn)氣，二級(jí)進(jìn)氣經(jīng)過針型閥控制流量后，進(jìn)入干氣密封二級(jí)密封腔室，大部分二級(jí)進(jìn)氣通過梳齒密封排放至一級(jí)密封放空系統(tǒng)，少量氣體經(jīng)過二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)排放至二級(jí)密封放空系統(tǒng)；第二股做隔離氣，隔離氣經(jīng)過φ2.3孔板后直接進(jìn)入隔離氣密封腔，一部分與二級(jí)泄漏氣混合排放至二級(jí)放空系統(tǒng)，一部分進(jìn)入軸承箱與潤(rùn)滑油煙氣混合，然后通過軸放管線放空。

在低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)異常的情況下，來(lái)自中壓氮?dú)饩彌_罐的中壓氮?dú)饨?jīng)PV04483減壓成低壓氮?dú)?，并入干氣密封系統(tǒng)低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，保證干氣密封系統(tǒng)低壓氮?dú)鈮毫Σ坏陀?.38MPa(g)。

在二級(jí)密封放空正常的情況下，二級(jí)密封泄漏氣和隔離氣泄漏氣混合氣體的主要成分是氮?dú)?，設(shè)置為高點(diǎn)排放。

軸承箱放空系統(tǒng)正常為隔離氣泄漏氣和軸承油煙混合氣，設(shè)置為高點(diǎn)排放。

2 干氣密封結(jié)構(gòu)

合成氣壓縮機(jī)采用28XPBD型串聯(lián)式干氣密封，動(dòng)環(huán)密封槽形設(shè)計(jì)為雙向樹形槽，干氣密封為中間帶梳齒密封的串聯(lián)密封，正常情況下，全部負(fù)荷或大部分負(fù)荷由一級(jí)密封承擔(dān)，二級(jí)密封作為一級(jí)的備用密封，承擔(dān)極少部分負(fù)荷或者不承擔(dān)負(fù)荷，起到阻塞作用，避免危險(xiǎn)介質(zhì)泄漏至大氣中。串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)見圖1。

1.一級(jí)動(dòng)環(huán)；2.軸套；3.一級(jí)靜環(huán)；4.一級(jí)彈簧；5.二級(jí)動(dòng)環(huán)；6.固定環(huán)；7.二級(jí)彈簧座；8.二級(jí)彈簧；9.二級(jí)靜環(huán)；10.中間迷宮密封環(huán)；11.一級(jí)彈簧座；12.靜環(huán)支撐環(huán)；A.一級(jí)密封進(jìn)氣；B.一級(jí)密封泄漏氣；C.二級(jí)密封氣；D.二級(jí)密封泄漏氣；E.隔離氣

3 干氣密封一級(jí)放空流量上漲

2014年6月1日，在合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，中壓氮?dú)鉁p低壓氮?dú)忾y門定位器故障，閥門故障，導(dǎo)致全開，瞬間造成低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力超壓，干氣密封系統(tǒng)自力式減壓閥失效關(guān)閉，緊急處理后，干氣密封二級(jí)進(jìn)氣恢復(fù)正常。合成氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)二級(jí)進(jìn)氣和隔離氣中斷17min。

隨后，合成氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)一級(jí)放空流量出現(xiàn)了異常上漲，合成氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，一級(jí)放空流量在24Nm3/h，但是干氣密封高壓缸驅(qū)動(dòng)端一級(jí)放空流量上漲，逐漸增大到2.85Nm3/h。干氣密封一放流量上漲趨勢(shì)見圖2。

4 干氣密封一級(jí)放空流量上漲原因

(1)儀表故障。干氣密封一級(jí)放空流量共有3塊流量計(jì)(FI11568A/FI11568B/ FI11568C)，干氣密封根據(jù)一級(jí)放空流量采用3選2的方法判斷干氣密封運(yùn)行是否正常，運(yùn)行中3塊流量計(jì)同時(shí)出現(xiàn)上漲，趨勢(shì)完全一致，所以判定儀表指示正確。

(2)合成氣壓縮機(jī)高壓缸、低壓缸的干氣密封匯總至一根排放總管，如果其中一套干氣密封損壞，氣體泄漏大時(shí)，容易將污染的臟空氣反竄至其他干氣密封一放腔室，所以干氣密封一級(jí)放空管線均安裝彈簧式止回閥。止回閥閥芯生銹卡澀會(huì)造成干氣密封一放氣體異常波動(dòng)，拆卸止回閥進(jìn)行檢查，閥芯干凈，排除閥芯卡澀影響。

(3)合成氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化造成干氣密封一級(jí)泄漏氣增大。干氣密封動(dòng)壓槽內(nèi)，密封氣體隨動(dòng)環(huán)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也沿著密封槽從外端向里端運(yùn)動(dòng)(見圖3)，根據(jù)伯努力方程得出：

(1)

式中，P1為動(dòng)壓槽里端氣體壓力，Pa；P2為動(dòng)壓槽外端氣體壓力，Pa；V1為動(dòng)壓槽里端氣體絕對(duì)速度，m/s；V2為動(dòng)壓槽外端氣體絕對(duì)速度，m/s；γ為流體密度，kgf/m3；Z1、Z2為單位質(zhì)量流體的位置高度，m。

由于干氣密封動(dòng)壓槽里端和外端處于相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸位置，可以認(rèn)為是Z1=Z2；絕對(duì)速度粗略計(jì)算等于氣體線速度，則V=U=2πnr。

所以，干氣密封動(dòng)環(huán)里端壓力與動(dòng)環(huán)外端壓力關(guān)系式簡(jiǎn)化為：

(2)

式中，n為動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速，r/s；r1為動(dòng)環(huán)槽里端到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，m；r2為動(dòng)壓槽外端到旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，m。

根據(jù)公式(2)可得，干氣密封動(dòng)靜環(huán)密封氣體壓力與密封氣源壓力、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速、槽型結(jié)構(gòu)等有關(guān)，在合成氣壓縮機(jī)干氣密封氣源壓力穩(wěn)定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，干氣密封動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)，氣膜厚度也越大，泄漏量增大，但是在合成氣壓縮機(jī)降低轉(zhuǎn)速，一級(jí)泄漏量出現(xiàn)略微下降，判斷一級(jí)泄漏量增大，不是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整導(dǎo)致。干氣密封一放流量隨轉(zhuǎn)速的變化見表1。

圖3 氣體運(yùn)動(dòng)速度分析圖

表1 干氣密封一放流量隨轉(zhuǎn)速的變化

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)5月流量/(Nm3·h-1)6月流量/(Nm3·h-1)9 00024.028.59 32024.128.69 42524.228.79 54024.529

注：時(shí)間為2014年。

(4)干氣密封二級(jí)進(jìn)氣流量上漲。干氣密封一級(jí)放空包括一級(jí)密封泄漏和二級(jí)密封進(jìn)氣，通過梳齒密封泄漏的氮?dú)?，干氣密封二?jí)進(jìn)氣與隔離氣所用的低壓氮?dú)饨?jīng)過自力式減壓閥后，壓力穩(wěn)定在0.25MPa，現(xiàn)場(chǎng)通過針型閥控制二級(jí)進(jìn)氣流量，從現(xiàn)場(chǎng)檢查二級(jí)進(jìn)氣流量一直穩(wěn)定，所以判定跟二級(jí)進(jìn)氣量關(guān)系不大。

(5)干氣密封二級(jí)動(dòng)靜環(huán)發(fā)生故障。根據(jù)公式(2)，二級(jí)密封氣進(jìn)氣中斷，會(huì)造成二級(jí)密封處?kù)o壓大幅下降，二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)腔室氣體成分由氮?dú)庾優(yōu)橐患?jí)泄漏出來(lái)的合成氣，氣體分子量從28減為8，導(dǎo)致二級(jí)氣膜不穩(wěn)，動(dòng)靜環(huán)可能接觸，二級(jí)動(dòng)靜環(huán)發(fā)生故障，造成二級(jí)密封泄漏量增大，干氣密封一級(jí)泄漏量減少，與此現(xiàn)象不相符。

(6)干氣密封一級(jí)密封壓力上漲造成一級(jí)泄漏量增大，從公式(2)可知，如果動(dòng)環(huán)外端壓力P2大幅上漲，同樣會(huì)造成動(dòng)環(huán)內(nèi)端P1壓力上漲，干氣密封動(dòng)靜環(huán)密封泄漏量會(huì)增大，合成氣壓縮機(jī)高壓缸設(shè)置平衡盤，高壓缸干氣密封一級(jí)密封腔室壓力一直為高壓缸一段進(jìn)氣壓力，壓力未發(fā)生變化，所以排除壓力對(duì)干氣密封泄漏的影響。

(7)干氣密封一級(jí)動(dòng)靜環(huán)發(fā)生故障。合成氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，高壓缸循環(huán)段出口的高壓合成氣經(jīng)過濾器后做一級(jí)密封氣，如果有雜質(zhì)帶入一級(jí)動(dòng)靜環(huán)，可能造成一級(jí)密封密封環(huán)卡澀，一放流量發(fā)生上漲。合成氣壓縮機(jī)合成氣中帶有3.5%左右的氨，所以對(duì)一級(jí)放空氣中的氨含量進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合成氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在9 550r/min運(yùn)行時(shí)，氨含量出現(xiàn)明顯上漲。干氣密封一放氨含量分析見表2。

表2 干氣密封一級(jí)放空氨含量分析

綜上所述，合成氣壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)端干氣密封一級(jí)泄漏量增大，判斷干氣密封一級(jí)動(dòng)靜環(huán)處發(fā)生了故障。

5 干氣密封風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

合成氣壓縮機(jī)干氣密封如果拆卸檢修處理，合成裝置必須停車，經(jīng)濟(jì)損失巨大。認(rèn)真對(duì)干氣密封結(jié)構(gòu)、檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，判定干氣密封不會(huì)短期內(nèi)突然失效，合成氣壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，擇機(jī)處理。以下列出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(1)合成氣壓縮機(jī)均采用帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封，第一級(jí)為主密封，第二級(jí)為備用密封，第一級(jí)失效后，第二級(jí)會(huì)變成主密封。

(2)干氣密封一級(jí)放空FI11568設(shè)置流量高聯(lián)鎖，如果一級(jí)密封發(fā)生損壞，一級(jí)放空流量高聯(lián)鎖能聯(lián)鎖合成氣壓縮機(jī)及時(shí)停車，防止事故擴(kuò)大。

(3)合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行中，一級(jí)動(dòng)靜環(huán)處于正常打開狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)干氣密封二級(jí)導(dǎo)淋處于全開。干氣密封二級(jí)密封氣和隔離氣中斷，造成少量油煙穿過隔離氣密封達(dá)到二級(jí)密封腔室，造成二級(jí)動(dòng)靜環(huán)處帶油，二級(jí)動(dòng)靜環(huán)處氣膜不穩(wěn)定，二級(jí)動(dòng)靜環(huán)發(fā)生故障，可能造成二級(jí)泄漏氣量增大，干氣密封一級(jí)泄漏氣量減少，甚至流量降為0。

(4)干氣密封二級(jí)密封氣中斷，二級(jí)動(dòng)靜環(huán)處氣膜不穩(wěn)定，可能發(fā)生摩擦，產(chǎn)生粉末，二級(jí)密封進(jìn)氣恢復(fù)過程中，粉末可能吹至一級(jí)密封腔室，造成一級(jí)密封發(fā)生卡澀，預(yù)計(jì)短期內(nèi)一級(jí)動(dòng)靜環(huán)不會(huì)發(fā)生突然失效。

6 干氣密封拆解檢查

2014年7月，氣化裝置搶修，合成氣壓縮機(jī)短暫停車，公司對(duì)合成氣壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)端干氣密封進(jìn)行了更換檢查，干氣密封解體檢查情況如下。

(1)殼體及軸套密封O圈有不同程度的老化變形；干氣密封二級(jí)排氣口有大量碳粉及油污。

(2)二級(jí)動(dòng)靜環(huán)處進(jìn)油嚴(yán)重、端面明顯磨損；密封圈老化變形(見圖4、圖5)。

圖4 干氣密封二級(jí)動(dòng)環(huán)帶油

二級(jí)動(dòng)靜環(huán)端面被油膜覆蓋，而且靜環(huán)背部及彈簧座都有可見油跡；動(dòng)環(huán)為碳化硅材質(zhì)，端面有明顯的環(huán)形磨痕。靜環(huán)為石墨材質(zhì)，端面有較深的環(huán)形磨痕；在動(dòng)環(huán)端面內(nèi)緣、壓緊套、推環(huán)及彈簧座等處，都可見石墨粉塵和油的堆積污垢(見圖6)。

干氣密封二級(jí)動(dòng)靜環(huán)四氟蓄能密封圈老化變形，推環(huán)四氟蓄能密封圈有劃傷；壓緊套密封O圈老化變形。

圖5 干氣密封二級(jí)靜環(huán)帶油

圖6 干氣密封二級(jí)推環(huán)

(3)干氣密封一級(jí)動(dòng)、靜環(huán)端面有明顯磨損，密封圈老化變形。動(dòng)環(huán)碳化硅、靜環(huán)石墨環(huán)端面都有明顯磨痕，一級(jí)推環(huán)、一級(jí)密封動(dòng)環(huán)座等處都有磨損、碳粉堆積；動(dòng)、靜環(huán)四氟蓄能密封圈發(fā)黃、老化變形。

(4)彈簧座、推環(huán)等金屬部件除有少量磨損外基本完好，彈簧完好。

綜上分析，合成氣壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)端干氣密封二級(jí)密封氣中斷，造成二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)處氣膜不穩(wěn)，動(dòng)靜環(huán)發(fā)生了摩擦，產(chǎn)生了大量碳粉，同時(shí)，潤(rùn)滑油油煙泄漏到二級(jí)動(dòng)靜環(huán)處，動(dòng)靜環(huán)端面累積了油污。

二級(jí)進(jìn)氣恢復(fù)時(shí)，將靜環(huán)磨損產(chǎn)生的碳粉吹到了一級(jí)密封靜環(huán)的推環(huán)處，造成靜環(huán)的彈簧卡澀，一級(jí)動(dòng)靜環(huán)打開不流暢，導(dǎo)致一級(jí)泄漏氣泄漏增大。

考慮到中壓氮?dú)鉁p低壓氮?dú)忾y故障，造成了合成氣壓縮機(jī)4套干氣密封二級(jí)密封氣和隔離氣中斷，其他3套干氣密封也可能存在隱患，2016年大修，合成氣壓縮機(jī)干氣密封進(jìn)行了全部更換，目前合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行良好。

7 干氣密封操作優(yōu)化措施

為了保護(hù)干氣密封良好運(yùn)行，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，提出下列措施。

(1)編制標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書，投用干氣密封時(shí)，確保員工按照一級(jí)密封氣、二級(jí)密封氣、隔離氣的順序依次投用，在油系統(tǒng)啟動(dòng)前30min投用，防止油煙泄漏至二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)處。

(2)干氣密封密封氣氣源必須保證干燥、潔凈，干氣密封系統(tǒng)開車前也要全面吹掃，保證進(jìn)氣的露點(diǎn)<-60℃，防止氮?dú)鈳?/p>

(3)按照干氣密封操作要求，二級(jí)密封導(dǎo)淋閥定期打開排凝，但是發(fā)生隔離氣中斷，潤(rùn)滑油很容易穿過隔離氣密封到達(dá)二級(jí)密封排氣腔室，很容易造成二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)處進(jìn)油，所以干氣密封二級(jí)密封導(dǎo)淋保持全開，如出現(xiàn)潤(rùn)滑油可及時(shí)排出。

(4)嚴(yán)格控制主密封氣與參考?xì)鈮翰睿ＷC一級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)處于正流程，杜絕反壓現(xiàn)象發(fā)生。二級(jí)密封氣流量也必須達(dá)到設(shè)計(jì)值，保證二級(jí)密封動(dòng)靜環(huán)處于正流程。

(5)為了保證合成氣壓縮機(jī)干氣密封低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)不超壓，低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)增加安全閥，設(shè)定壓力為0.5MPa，如果PV04483發(fā)生故障，低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)可以及時(shí)泄壓，保證干氣密封二級(jí)進(jìn)氣和隔離氣不中斷。

(6)隔離氣進(jìn)氣管增加精密壓力表，定期檢查，防止隔離氣進(jìn)氣管孔板發(fā)生堵塞，造成隔離氣壓力降低或者中斷。

8 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)合成氣壓縮機(jī)高壓缸驅(qū)動(dòng)端干氣密封一級(jí)放空流量異常上漲的現(xiàn)象進(jìn)行了描述，且分析了原因，找到了一放流量異常上漲的原因，同時(shí)對(duì)干氣密封運(yùn)行進(jìn)行全面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為了避免再次出現(xiàn)類似故障，提出了干氣密封優(yōu)化措施。