再生氣壓縮機(jī)干氣密封帶液故障的分析與預(yù)防

程士堅，欒明煜，簡霖

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

天然氣深冷處理工藝中，分子篩再生系統(tǒng)采用脫水后的干氣作為再生氣，壓縮機(jī)增壓程度和負(fù)荷較低，有利于降低能耗，是一種較為典型的工藝流程。某氣田深冷裝置采用周向流壓縮機(jī)作為再生氣增壓設(shè)備，周向流機(jī)組采用中間進(jìn)氣式串聯(lián)干氣密封，是一種非接觸式原理密封機(jī)械。對于天然氣壓縮機(jī)干氣密封運(yùn)行相關(guān)的若干問題，木塔里甫、吳文姬等通過引入剛度和阻尼微分方程，研究了流體動力效應(yīng)產(chǎn)生的密封端面間的流體膜產(chǎn)生和運(yùn)行機(jī)理。伍小三、費(fèi)江等通過軟件模擬對天然氣壓縮機(jī)變工況運(yùn)行、密封件適應(yīng)性等進(jìn)行了研究。

1 故障機(jī)理

1.1 干氣密封帶液故障因素

干氣密封元件帶液運(yùn)行會導(dǎo)致泄漏、主軸磨損卡滯等，有以下故障機(jī)理：由氣相帶液進(jìn)入密封腔容易造成的氣膜動壓平衡破壞、液體沖蝕等現(xiàn)象。動靜環(huán)間氣膜的動壓平衡依靠氣膜進(jìn)行維持，當(dāng)液體進(jìn)入環(huán)間空間時附著在動壓槽內(nèi)表面等位置，導(dǎo)致動壓效應(yīng)形成受阻；由含有小于1μm的細(xì)小硬質(zhì)顆粒的液滴在端面上附著并造成的微觀磨損，一般呈現(xiàn)漸發(fā)性磨損破壞趨勢。

因此，氣相工質(zhì)帶液和前端流程分離效果差是干氣密封系統(tǒng)故障的主要原因，需要分析工藝介質(zhì)帶液現(xiàn)象，從而提出改進(jìn)措施。

1.2 氣相工質(zhì)帶液分析

已知分子篩熱吹后天然氣中含有飽和水，經(jīng)再生氣空冷器冷凝后產(chǎn)生液相，有帶液故障的風(fēng)險。為模擬這一過程，建立HYSYS模型如圖1所示。

圖1 密封氣工藝HYSYS流程圖

模型工藝參數(shù)：壓力P1=5.8MPa、溫度T1=95℃、氣相比例Fv=1、流量F1=1.45×105Nm3/d。將空冷器熱散熱量、天然氣組分等邊界條件代入模擬，得到不同熱負(fù)荷率下脫水量、水露點(diǎn)間的變化關(guān)系。

根據(jù)模擬結(jié)果繪制再生氣水露點(diǎn)-脫水量變化曲線，如圖2所示。

圖2 水露點(diǎn)-脫水量變化曲線

當(dāng)空冷器熱負(fù)荷為37.54%時，可將水露點(diǎn)控制在59.2℃左右，因此，再生氣空冷器處每日脫水量大約為0.91～0.98t/d。由此推斷前端來液量較大，對后端設(shè)備及密封元件將造成一定沖擊。

1.3 分離器效果分析

已知再生氣分離器前端的空冷器中冷凝過程會產(chǎn)生大量液態(tài)水滴隨氣流懸浮通過，水滴直徑由5～100μm。再生氣分離器屬于立式分離器內(nèi)徑為0.6m，其對液滴的分離效果遵循氣液沉降理論，以臨界速度法有工程經(jīng)驗式如下：

式中，Re為氣體雷諾數(shù)，無量綱；ρg為天然氣密度，kg/Nm3；D為管道內(nèi)徑，m；Vg為天然氣流速，m/s；μg為天然氣黏度系數(shù)，Pa·s。

表1 空冷器入口介質(zhì)組分表

式中，CD為氣體攜液系數(shù)，無量綱。

式中，V0為天然氣臨界流速，m/s；ρl為液滴密度，kg/m3；dm為理論液滴直徑，m。

設(shè)液滴直徑有100μm、50μm、25μm、10μm、5μm，通過公式（3）計算臨界流速，見表2。

表2 不同液滴直徑下的臨界流速

從計算結(jié)果得Vg=1.027m/s，因此液滴直徑≥50μm的液滴在再生氣分離器內(nèi)能夠得到有效的分離，其余小粒徑液滴則難以通過重力分離。將對應(yīng)液滴質(zhì)量與正態(tài)分布概率值計算得液滴直徑dm＜50μm無法被分離的概率約為5.2%，則脫水量中的5.2%，即再生氣空冷器冷凝溫度為35℃時日脫水量為0.91t/d，有47.3kg/d的冷凝水無法分離，將對后端密封元件造成不利影響。

2 對策分析

2.1 機(jī)組前端除液措施

通過上述分析，需要進(jìn)一步增強(qiáng)再生氣分離器效果。設(shè)分離器頂部采用SP型絲網(wǎng)除沫器，孔徑為0.23×10-3m，根據(jù)流體斯托克斯數(shù)St計算公式與分離效率簡化公式，可得各液滴直徑下的分離效率：

式中，St為天然氣斯托克斯數(shù)，無量綱；u為氣相實際流速，m/s；dd為氣相帶液液滴直徑，m；dw為絲網(wǎng)孔徑，m。

液滴分離效率簡化公式：

式中，ηn為液滴分離效率，無量綱。

通過公式（5）計算得到絲網(wǎng)對25μm、10μm、5μm液滴的分離效率，參考液滴直徑的正態(tài)分布規(guī)律，得到無法分離的殘液質(zhì)量，結(jié)果見表3。

表3 不同直徑液滴對應(yīng)的分離效率及殘液質(zhì)量

經(jīng)分析，加裝高效絲網(wǎng)除沫器后無法分離的液滴質(zhì)量由47.3kg/d下降到9.7kg/d，提高了液滴分離效率。

2.2 密封氣系統(tǒng)防凝措施

干氣密封的密封氣系統(tǒng)管路主要指主密封以外的輔助管路及儀表，通常采用儀表架布置方式。根據(jù)壓力管道沿程溫降公式計算管線終點(diǎn)溫度TL：

式中，T0為環(huán)境溫度，K；T1為管線起點(diǎn)溫度，K；L為管道計算長度，m。

其中，系數(shù)a的計算方法為公式（7）：

式中，Dw為管道外直徑，m；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Q為天然氣質(zhì)量流量，kg/s；Cp為天然氣定壓熱容，J/(kg·K)。

由等效管長、管徑、傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)算出沿程溫降，根據(jù)經(jīng)驗估計各管件處的溫降為0.5℃。結(jié)合公式（7）計算，設(shè)定環(huán)境溫度為極端條件-40℃，則進(jìn)密封腔前的溫度降為53.66℃。根據(jù)1.3節(jié)分析結(jié)果，此處將出現(xiàn)液相，對此應(yīng)增加沿管線保溫伴熱，需求計算如下：

式中，q為管道散熱通量，W/m；ΔT為管道內(nèi)介質(zhì)與外壁溫差，K；ε為不均勻系數(shù)，無量綱。

根據(jù)公式（8）計算，當(dāng)環(huán)境溫度取極端溫度-40℃，保溫層厚度為30mm時，考慮不均勻系數(shù)ε取2，得到管線保溫層散熱通量為46.9W/m。通過核算溫降△T可以控制在4℃以內(nèi)，從而避免凝結(jié)液滴。因此，改進(jìn)措施為全線保溫電伴熱，增配密封氣電加熱裝置，再將電加熱器設(shè)定溫度高于露點(diǎn)20℃以上，實際操作中可加熱至75～80℃，以擴(kuò)大安全裕量。

3 效果模擬驗證

為驗證各防凝措施下的具體效果，設(shè)壓縮機(jī)出口分流比為97:3，同時將溫?fù)p、部件尺寸等量化帶入HYSYS模型，得到系統(tǒng)各處物流含液情況，如圖3所示。

圖3 密封氣系統(tǒng)各部位除液效果對比

圖中case1表示當(dāng)絲網(wǎng)除沫器、管路保溫伴熱、密封氣末端電加熱等防護(hù)措施均不到位時的情況，作為對照組其末端液量為2.64kg/d，將導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞；case2表示僅采取常規(guī)管路保溫措施情況下的末端帶液情況，最終帶液量為0.96kg/d，較對照組模擬結(jié)果下降了64%左右，但仍不利于設(shè)備長期運(yùn)行；case3代表除液措施完備的條件下的模擬結(jié)果，可見最終進(jìn)入密封原件的游離水量為10g/d，對設(shè)備影響可忽略不計，說明上述除液措施具備有效性。

4 結(jié)語

再生氣壓縮機(jī)干氣密封主要故障模式為工質(zhì)帶液導(dǎo)致的為動靜環(huán)磨損，對于分子篩再生氣壓縮機(jī)而言，由于來氣含有飽和水，機(jī)組干氣密封帶液故障發(fā)生的風(fēng)險較高。通過理論計算分析，可以通過增加絲網(wǎng)除沫器等內(nèi)構(gòu)件的方式優(yōu)化前段分離器分離效果、加強(qiáng)機(jī)組保溫防凝措施以及強(qiáng)化密封氣儀表系統(tǒng)加熱和保溫等方式，可有效降低帶液故障風(fēng)險，保障干氣密封元件及設(shè)備運(yùn)行安全。