焦化装置富气压缩机干气密封系统的应用及维护研究

张光旭(中国石油化工股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

0 引言

文章以某石化企业的焦化装置为例，该焦化装置于2006年年初建成并投入生产，整个厂区半数左右的加热炉所需的燃料气由焦化装置富气压缩机提供，因此压缩机是厂区内非常关键的设备。受生产工艺等多种因素的影响，会有少量的焦粉颗粒混入焦化装置富气中，进而对压缩机的密封效果产生较大的影响。在实际设计的过程中，考虑到工艺介质具有较高的危险性，并且介质中存在焦粉颗粒等多种因素，该石化公司采用TM02A-158型双端面干气密封系统，压缩机使用2MCL527-21 H582富气压缩机组，采用汽轮机进行驱动。在2006年经过检修调整后，压缩机的密封效果依然能够保持良好状态，整个压缩机组能够长时间的稳定运行，从而保证了企业的正常运转。

1 干气密封结构和工作原理

干气密封采用的是气体介质，其为非接触式的机械密封，与普通机械密封相比，也有动环、静环、弹簧以及O型环等部件。其动环的材料使用的为碳化钨，静环为碳环，具体结构如图1所示。压缩机处于停机状态时，在弹簧的作用下，动环与静环能够紧密贴合，从而形成静密封。当压缩机开始旋转时，干气密封的动环随着轴与轴套同时转动，密封器从环外进入，气体被吸进密封螺旋槽内，从外环的外径流向中心，从而在整个圆周的螺旋槽上形成密封堰，密封堰会阻止气体的流动。当被引入的气体压力变大之后，动环与静环之间便会分离，产生气膜，而气膜对气体的流动产生阻力，气膜的厚度介于3～10 μm。压缩机在连续运转的过程中，由于气膜的弹性与稳定性较好，因此能够避免动密封与静密封之间进行接触，从而能够保证密封效果。

2 干气密封控制系统

图2 所示的为干气密封控制系统。实际工作时，首先外部的氮气会经过减压阀与过滤器，之后分成两条支路，一条支路当作缓冲器，通过限流孔板到达干气密封的介质端，其压力略微超出平衡管处的工艺气压力0.1 MPa左右，使得掺有焦粉等杂质的工艺气不能够流入密封端面；另一条支路当作主密封气进入干气密封的腔体，主要负责阻止气体进入，利用系统的自立式压力调节阀，对进口的压力进行调整，使进口压力大于介质端缓冲气压力0.2 MPa左右。主密封气流入密封腔后，如果想要向介质端和大气中泄漏，只能通过密封端面，所以其流量就是两端密封实际的泄漏量，一般介于0.6～0.9 Nm3/h之间。部分泄漏气经介质侧的密封端面进入到工艺气当中，剩下的经大气侧的密封端面进入外置的迷宫密封腔中。此时，通过引入部分的氮气当作隔离气，使其进入到迷宫密封的密封腔中，对其进口压力进行调整，使其压力略微大于轴承箱的油压20 kPa，从而可以形成较为稳定的阻塞密封，使得轴承箱中使用的润滑油不会流入到干气密封中。因为干气密封中使用的为氮气，因此对大气环境不会造成污染，能够直接进行排空操作，因此密封器部分进入到轴承箱中，其余的通过干气密封的大气侧密封端面进行排出，完成整个密封的循环[1]。

图2 干气密封控制系统

在对干气密封的工作状态进行判断时，通常是对主密封气流量进行检测，根据监测的实际情况进而进行相应的判断。当干气密封正常工作时，主密封气入口段的流量是两端的泄漏量总和，在实际测量时利用的是金属转子流量计，并将测得的结果输送到控制室中，这个数值通常比较稳定并且较小。当两端任何一段的干气密封出现失效的情况时，流量会迅速增大，如果超过规定值，则控制室会发出信号报警，相关人员必须及时进行处置。

干气密封系统相关的测量仪器在对现场相关数据进行监测的同时，对于较为关键处采集到的信号会输送到中控室ESD系统中，并进行高低限位报警以及联锁设置，从而使中控室的操作人员能够对密封件的工作情况进行实时的掌握，确保系统能够稳定可靠的运行。在实际设置的过程中，应满足以下几点要求：

(1)对主密封气的氮气流量进行报警装置的设置，当密封的泄漏量超过3 Nm3/h时，系统要进行自动报警，确保设备的运行安全；

(2)对主密封气和缓冲器之间的压差进行报警装置的设置，当PDI低于10 kPa时进行低报警，当PDI低于50 kPa时进行连锁停车；

(3)对主密封气的过滤器压差进行报警装置的设置，当PDI超过60 kPa时，进行高报警；

(4)对密封气的入口压力进行报警装置的设置，当PDI低于0.4 MPa时，进行低报警，同时氮气瓶的气源自动启动。

密封系统所使用的测量仪器、过滤器以及阀门等装置都需要与干气密封的仪表盘相连，其中压力、流量等输出的是4～20 mA的模拟信号，经过隔离转换模块后将信号输送到PLC中。如果信号出现超限的情况，PLC输出信号进行报警，当数值达到连锁停车的数值要求时，需要及时的进行停车，避免产生较大的问题[2]。

3 干气密封的安装

干气密封因为它的机构相对较为精密，因此对现场安装有较高的要求。焦化装置富气压缩机在进行干气密封系统的安装前，应当先将机组的汽轮机以及压缩机进行联动试车，确保合格之后再进行安装，具体的安装过程应按照下列步骤进行：(1)在正式安装前，应根据生产厂家所提供的装配图，对密封件的各项尺寸以及精度进行严格检查，确保能够达到使用要求，同时对相关的密封配件进行清洗，重点需要对橡胶O型圈进行检查，装O型圈前先在其表面涂一层润滑油脂，保证安装完成之后的密封效果达到要求；(2)进行干气密封旋转体部件的组装，整个组装过程对环境有较为严格的要求，应确保干净整洁，确保不会混入杂质。主密封采用的是集装式，具体组装顺序为：旋转件→内弹簧座→外弹簧座→集装式主密封→后置密封→确定调整垫的大小→将集装式主密封装到压缩机内部。在整个安装过程中，需要按照组装流程认真完成每一步的安装。安装时需要借助专用工具，从而确保安装效果，安装完成之后需要进行仔细检查，确保干气密封上标示的旋转方向与实际的主轴旋转方向相同，保证组装的质量能够达到实际的应用要求。

4 干气密封的使用维护

本文中所分析的化工企业，其焦化装置富气压缩机使用的干气密封系统在2006年3月进行第一次试车，实际的密封质量达到要求，效果良好。在后续的使用过程中，压缩机由于其他工艺因素的影响，进行了多次的紧急开车与停车，经历了多次紧急情况后，干气密封依然保持着良好的密封效果。现场记录数据表明，当压缩机组的运行转速低于2 000 r/min时，根据主密封气流量计所显示的结果，两端密封不存在泄漏的情况。而当转速逐渐增大，密封气量也在增大，当转速达到9 000 r/min时，两端的密封泄漏量达到0.85 Nm3/h，存在0.1 Nm3/h的波动，整体基本稳定。此时压缩机组进入平稳运转的状态，密封腔的温度开始增大，两端密封的泄漏量随着温度增大而逐渐减小，最后稳定在0.7～0.8 Nm3/h[3]。

2006—2011年，压缩机在运行过程中，出现过一侧密封泄漏量瞬间报警的现象，出现频率为2次，不过这种情况很快消失了。经过分析发现是因为压缩机组工艺参数出现波动以及部分流量计的质量存在问题所引起的。此外，压缩机还出现多次低速运转以及喘振的情况，但经过及时调整后干气密封系统依然能够保持良好的运行状态，说明干气密封的设计是可靠的，并且能够抵抗较强的干扰，能够满足设备长期使用的要求。

虽然压缩机干气密封系统整体具有良好的运行状态，但随着使用时间的增加，密封气的泄漏量还是有所增大，说明密封系统动环与静环的接触面存在损伤的情况。在2011年进行设备大修时，针对主密封气量增大以及振动过大的情况，对压缩机进行拆卸检查，发现压缩机部件上存在较为严重的焦粉粘结情况，导致压缩机的叶轮大范围结焦，厚度接近2 mm，并呈不均匀分布的状态。此外，压缩机的后端盖上堆积了一层焦粉，而端盖与叶轮间以及吸入隔板与叶轮间由于堆积的焦粉而导致间隙变小，使密封面出现了磨损。经过拆机维修之后，压缩机组又能够继续重新使用，干气密封系统性能稳定，密封效果良好[4]。

5 结语

压缩机运行的可靠性对焦化装置的稳定运行十分重要，因此保证压缩机的密封效果就显得尤为关键。本文以具体案例为对象，对焦化装置富气压缩机的应用维护进行了具体的分析。经过分析，发现干气密封系统具有良好的密封效果，并且具有极强的抗干扰能力，能够进行长周期的运行，保证压缩机的密封质量，从而使得压缩机能够持续稳定的运行，对降低停机次数，提高企业经济效益有非常显著的帮助。