張江平 沈順弟

（上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海201507）

上海賽科石油化工有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱上海賽科）烯烴裝置，2005年原設(shè)計(jì)乙烯生產(chǎn)能力為 950 kt／a，2009年改擴(kuò)建后提升為1 190 kt／a，改擴(kuò)建項(xiàng)目中包括了裂解氣壓縮機(jī)11C2000M及蒸汽透平11CST2101M的增量改造，新增二元制冷壓縮機(jī)組11C3401N。2014年又在裂解氣壓縮機(jī)前增加了11C1901N裂解氣增壓機(jī)系統(tǒng)。

目前乙烯裝置共有7臺(tái)壓縮機(jī)組（共10缸）裝備了John Crane干氣密封系統(tǒng)（計(jì)20套），其中11C2000M和11C1901N的密封氣目前為甲烷冷媒壓縮機(jī)提供的甲烷氣（原設(shè)計(jì)為乙烯），其余壓縮機(jī)組采用自身循環(huán)密封氣。

1 干氣密封應(yīng)用原理

干氣密封系統(tǒng)由集裝式干氣密封（包括隔離氣密封）和現(xiàn)場(chǎng)控制盤系統(tǒng)組成［1］。

利用流體動(dòng)力學(xué)原理，通過在密封端面上開設(shè)動(dòng)壓螺旋槽而實(shí)現(xiàn)非接觸運(yùn)行。由于具備使用壽命長(zhǎng)、功率消耗低、不會(huì)產(chǎn)生油氣污染、工藝氣體泄漏少等特點(diǎn)，干氣密封技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類高速運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)。

壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封氣由外徑朝中心被吸入動(dòng)壓槽內(nèi)，徑向分量朝密封壩流動(dòng)。密封壩產(chǎn)生流動(dòng)阻力，節(jié)流作用使得進(jìn)入密封面的氣體被壓縮。氣體的壓力升高，使密封面被脫離接觸，流動(dòng)的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜。槽型有雙向和單向兩種，單向槽型密封在遭遇機(jī)器反轉(zhuǎn)時(shí)極易損壞。典型干氣密封的原理和結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 典型干氣密封的原理和結(jié)構(gòu)示意

如圖1所示，一次密封氣壓力高于機(jī)體內(nèi)工藝氣體取樣點(diǎn)的壓力，以保證工藝氣體不會(huì)向外泄露。緩沖氣（或二次密封氣）和隔離氣為N2，一次密封泄漏的密封氣和緩沖氣通過一次密封排氣口排到干火炬系統(tǒng)。隔離氣和隔離氣密封，用于防止?jié)櫥颓秩敫蓺饷芊狻?/p>

干氣密封控制系統(tǒng)以壓差控制方式供給密封氣，也有其他壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用密封氣供給流量控制的方式。

2 干氣密封系統(tǒng)故障

長(zhǎng)期以來，上海賽科乙烯裝置干氣密封系統(tǒng)出現(xiàn)過多種故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車。在此通過多個(gè)典型案例進(jìn)行說明和剖析。

2.1 低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)一次密封排氣流量高高，裂解氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖停車

2005年3月18日，上海賽科乙烯裝置正式開始試運(yùn)行，裂解氣壓縮機(jī)組首次實(shí)氣開車。3月19日，低壓缸（以下簡(jiǎn)稱LP）驅(qū)動(dòng)端氣密封一次密封排氣流量11FIT22076高高，壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，LP密封的一次和二次密封排氣口有大量石墨粉，確認(rèn)石墨密封面嚴(yán)重磨損，見圖2。運(yùn)行參數(shù)表明，11FIT22076流量先異常波動(dòng)，然后流量為零，最后突然高流量，觸發(fā)高高報(bào)警（HH）聯(lián)鎖（18.2 m3／h）。

圖2 密封排氣口石墨粉

為此進(jìn)行專題討論和分析，認(rèn)為L(zhǎng)P驅(qū)動(dòng)端干氣密封的第二級(jí)密封已經(jīng)損壞失效，但是第一級(jí)密封基本正常。密封損壞的原因可能有：密封氣中的顆粒垃圾會(huì)損壞密封面；由于管線伴熱不良后密封氣供給管線溫度偏低，外表面結(jié)露），密封氣中夾帶液相，破壞氣膜造成密封面摩擦；壓縮機(jī)啟動(dòng)過程中，密封氣壓力偏低，可能形成反壓。

串聯(lián)式干氣密封可看作兩套干氣密封，按照相同的方向首尾相連而構(gòu)成。當(dāng)?shù)谝患?jí)密封失效時(shí)，第二級(jí)密封可以起到輔助安全密封的作用，工藝介質(zhì)向大氣泄漏的量不大。而在第二級(jí)密封失效的情況下，如果第一級(jí)密封再失效，正常泄漏的裂解氣和密封氣（乙烯）會(huì)排放到二次密封排氣口（現(xiàn)場(chǎng)高空排放），可能引起嚴(yán)重安全事故。

如果要更換新的干氣密封，至少需要2～3周，對(duì)上海賽科的整體影響巨大。經(jīng)過對(duì)壓縮機(jī)干氣密封原理進(jìn)行研究與分析，認(rèn)為第二級(jí)失效后，如果對(duì)干氣密封運(yùn)行情況進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，使第一級(jí)密封的泄漏量仍在監(jiān)視之中，保證第一級(jí)密封失效時(shí)能馬上監(jiān)視到，該干氣密封仍可以維持運(yùn)行。3月20日，壓縮機(jī)重新開車，恢復(fù)乙烯裝置試運(yùn)行。

為了確保機(jī)組安全運(yùn)行，鑒于LP驅(qū)動(dòng)端的干氣密封存在故障狀態(tài)，制定下述特別措施：

（1）每12 h測(cè)量LP驅(qū)動(dòng)端的第2次密封放空管線外表溫度，并與中壓缸（MP）的溫度數(shù)據(jù)及該管線歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（正常情況下溫度值相差不大）。

（2）每12 h對(duì)低壓缸的干氣密封2次密封放空氣體進(jìn)行測(cè)爆，監(jiān)測(cè)放空氣體內(nèi)可燃性氣體含量；對(duì)裂解氣壓縮機(jī)周圍環(huán)境進(jìn)行一次測(cè)爆。

（3）1次密封排氣每班現(xiàn)場(chǎng)采樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行乙烯含量分析。

（4）在隔離氣流量不變的情況下將LP驅(qū)動(dòng)端的緩沖氣流量從10 m3／h增加到15 m3／h。

在一系列特別監(jiān)護(hù)措施下，伴隨著LP干氣密封這種缺陷狀態(tài)，裂解氣壓縮機(jī)一直維持運(yùn)轉(zhuǎn)，直到2009年的計(jì)劃大檢修。

2.2 MP驅(qū)動(dòng)側(cè)一次密封排氣流量高高，裂解氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖停車

2009年9月29日上午9∶34裂解氣壓縮機(jī)組聯(lián)鎖跳車，ITCC記錄為MP次密封排氣流量HH高高報(bào)。分析討論情況如下。

（1）LP、MP壓缸的多個(gè)密封氣流量在聯(lián)鎖停車前已出現(xiàn)高報(bào)警，其中MP的流量出現(xiàn)高高聯(lián)鎖。

（2）壓縮機(jī)密封氣系統(tǒng)的乙烯密封氣及火炬管線壓力沒有明顯的波動(dòng)。

（3）2009年裂解氣壓縮機(jī)組改擴(kuò)建中，二次密封緩沖氣N2的壓力自調(diào)閥進(jìn)行了更新。

（4）緩沖氣自調(diào)閥閥后壓力值為488 kPa，高于正常設(shè)定值340 kPa。

現(xiàn)場(chǎng)檢查：在聯(lián)鎖解除的情況下，現(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)整緩沖氣N2自調(diào)閥的開度來確認(rèn)密封氣排放流量的波動(dòng)情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)順針向轉(zhuǎn)動(dòng)自調(diào)閥兩圈半，N2壓力和緩沖氣流量無明顯變化。

最后分析認(rèn)為，造成壓縮機(jī)停車的主要原因是緩沖氣N2自調(diào)閥的失效。隨后，采取了更換該自調(diào)閥的措施。

3 干氣密封控制系統(tǒng)

3.1 MP密封緩沖氣N2轉(zhuǎn)子流量計(jì)故障，導(dǎo)致次密封排氣量異常

2017年5月25日4∶30起，MP驅(qū)動(dòng)端一次密封排氣流量異常11FIT22080A／B／C，從正常的10 m3／h逐漸下降到最低 4.3 m3／h。

MP的緩沖氣由LP的隔離氣過濾器后供給，通過自調(diào)閥控制壓力340 kPa，然后由針型閥控制緩沖氣給流量，設(shè)計(jì)流量為10 m3／h。轉(zhuǎn)子流量計(jì)11FG22232只有現(xiàn)場(chǎng)指示功能，流量計(jì)沒有旁路（見圖3）。

圖3 轉(zhuǎn)子流量計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，緩沖氣N2進(jìn)氣的轉(zhuǎn)子流量計(jì)指示值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。反復(fù)調(diào)整針型閥開度，緩沖氣流量11FG22232指示與1次密封排氣流量11FIT22080A／B／C指示同步發(fā)生變化。在幾次針型閥調(diào)整穩(wěn)定后，這兩個(gè)流量值在2～3 h后又快速下跌到異常低值。初步判斷為緩沖氣進(jìn)氣管路堵塞所致。

在進(jìn)一步檢查時(shí)，輕輕敲擊轉(zhuǎn)子流量計(jì)，發(fā)現(xiàn)緩沖氣流量恢復(fù)正常值。配合其他檢查，判斷為轉(zhuǎn)子流量計(jì)故障，通過流量計(jì)時(shí)的節(jié)流導(dǎo)致進(jìn)氣流量減少。緩沖氣流量減少，會(huì)降低二次密封面中N2的流速，影響二次密封的正常工作。

（1）由于11FG22232流量計(jì)沒有旁路管線，在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間無法進(jìn)行檢驗(yàn)或更換，計(jì)劃到2018年大修時(shí)安排更換，并對(duì)同類儀表安排檢查。

（2）臨時(shí)措施：外操對(duì)MP非驅(qū)端的N2轉(zhuǎn)子流量計(jì)（11FG22233）每6 h現(xiàn)場(chǎng)抄表，報(bào)內(nèi)操記錄；內(nèi)操關(guān)注一次密封排氣流量11FI22079趨勢(shì)變化。

3.2 丙烯壓縮機(jī)密封緩沖氣壓力自調(diào)閥故障，導(dǎo)致一次密封排氣量異常

2008年11月30日13：48，在裝置重新開車時(shí)，發(fā)現(xiàn)丙烯壓縮機(jī)兩端干氣密封的一次排氣量異常上升，其中最大排氣量11FI37073指示達(dá)到24.8 m3／h。設(shè)計(jì)高報(bào) H為 23.6 m3／h，高高聯(lián)鎖HH為 27.4 m3／h。

此時(shí)的1次密封排氣量已經(jīng)超過高報(bào)值，如果達(dá)到高高值，壓縮機(jī)將聯(lián)鎖停車。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，緩沖氣壓力自調(diào)閥鎖緊螺母松動(dòng)，引起緩沖氣N2流量遠(yuǎn)超過正常的20 m3／h，干氣密封現(xiàn)場(chǎng)控制盤自調(diào)閥見圖4。

圖4 緩沖氣自調(diào)閥

4 干氣密封管線系統(tǒng)

4.1 裂解氣壓縮機(jī)首次空氣開車，干氣密封損壞

上海賽科乙烯裝置安裝完成后，于2004年10月6日首次空氣開車［2］，此后壓縮機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)，為裝置系統(tǒng)吹掃服務(wù)。22∶48發(fā)現(xiàn)MP驅(qū)動(dòng)端的一次密封排氣無流量，后來LP非驅(qū)動(dòng)端也指示為零。

壓縮機(jī)吹掃結(jié)束停車后，馬上進(jìn)行簡(jiǎn)單檢查，打開壓縮機(jī)本體MP驅(qū)動(dòng)端和LP非驅(qū)動(dòng)端的一次和二次密封排氣口，發(fā)現(xiàn)大量石墨粉。由此判斷干氣密封已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞。干氣密封拆卸和拆解表明，MP驅(qū)動(dòng)端和LP非驅(qū)動(dòng)端的干氣密封已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，其他密封也受到一定程度的污染損壞（見圖5）。所有干氣密封返回日本工廠修復(fù)后重新安裝。

圖5 干氣密封嚴(yán)重?fù)p壞

干氣密封損壞后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查。發(fā)現(xiàn)主要原因是密封氣、隔離氣管線大量垃圾，過濾器濾芯破裂后固體垃圾進(jìn)入干氣密封，導(dǎo)致密封嚴(yán)重磨損所致［3］。圖6為密封氣過濾器檢查情況。

圖6 干氣密封過濾器濾芯

4.2 二元制冷壓縮機(jī)安裝時(shí)，干氣密封管線有殘液

2009年 6月，新增二元制冷壓縮機(jī)組11C3401N安裝結(jié)束，對(duì)干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控參數(shù)異常。

拆開密封氣、緩沖氣、過濾器管線、干氣密封接口后發(fā)現(xiàn)水和鐵銹（見圖7）。為了確保壓縮機(jī)開車安全，重新更換了全部4個(gè)干氣密封。經(jīng)分析，其可能原因?yàn)椋?］：

（1）密封安裝前，密封腔內(nèi)沒有清理干凈；

（2）干氣密封與控制盤之間的不銹鋼預(yù)制管線，在酸洗后沒有處理干凈，殘留液體進(jìn)入密封。

圖7 干氣密封過濾器

5 干氣密封應(yīng)用中其他重要注意事項(xiàng)

5.1 新建裝置和新機(jī)組

（1）壓縮機(jī)周圍管線和密封控制盤內(nèi)的管線，由供應(yīng)商提供。這些管線一般是經(jīng)過良好處理并密封防護(hù)的，安裝時(shí)要注意外界的污染，包括墊片質(zhì)量和安裝狀態(tài)，防止垃圾進(jìn)入密封。

（2）干氣密封與控制盤之間的管線，一般為施工單位現(xiàn)場(chǎng)配管。密封氣供給管線配管時(shí)要有低點(diǎn)排放導(dǎo)淋，以便檢查密封氣的狀態(tài)。不銹鋼管線酸洗后必須排干凈積液達(dá)到干燥狀態(tài)。密封氣管線應(yīng)該配備有效的伴熱方式以免液相積聚。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液體會(huì)使密封面接觸并發(fā)熱，而且液體的突然侵入，容易使密封座受熱沖擊而開裂。

（3）干氣密封控制盤上游管線，包括裝置內(nèi)和界區(qū)外公用工程N(yùn)2管線。因此投用前，在控制盤接入法蘭處脫開，充分吹掃，避免外界垃圾進(jìn)入系統(tǒng)。

5.2 機(jī)組大修

（1）大修前，備用密封需要經(jīng)過檢查保養(yǎng)。

（2）干氣密封進(jìn)氣管線，必須經(jīng)過清洗吹掃。

（3）大修中，干氣密封控制盤內(nèi)的流量計(jì)、壓力控制閥等儀表需要校驗(yàn)或更換。

（4）試車前，通過密封監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)密封進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。

（5）大修后開車階段，N2、密封氣壓力可能不穩(wěn)定，要密切關(guān)注，保證供給。壓差控制方式下，密封氣壓力要高于工藝氣體0.03 MPa；流量控制方式下，在迷宮最大間隙處，密封氣流速不低于3m／s。

5.3 機(jī)組停開車

（1）壓縮機(jī)組投入氣體前，必須首先投入一級(jí)密封氣，以防機(jī)內(nèi)氣體污染一級(jí)密封端面；當(dāng)壓縮機(jī)停運(yùn)時(shí)，機(jī)內(nèi)氣體排凈之后才允許關(guān)閉一級(jí)密封進(jìn)氣。

（2）壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低速不利于干氣密封的運(yùn)行，因此要注意盤車時(shí)間不能過長(zhǎng)。裝置實(shí)際運(yùn)行中，可能會(huì)很長(zhǎng)時(shí)間待命啟動(dòng)。要充分注意密封和氣體的干凈度，在盤車階段任何顆粒垃圾將會(huì)加速損壞密封面。

（3）壓縮機(jī)開車成功穩(wěn)定后，要檢查密封氣等旁路閥門是否及時(shí)關(guān)閉。

（4）由于系統(tǒng)波動(dòng)，管線內(nèi)積存垃圾可能會(huì)進(jìn)入控制盤，開車過程中要嚴(yán)密監(jiān)視過濾器壓差，及時(shí)更換（可能很頻繁），防止濾芯破碎。

5.4 運(yùn)行中的檢查

（1）裂解氣中含水及各種液相（洗油等），雜質(zhì)多，如果侵入則極易污染干氣密封，因此要嚴(yán)防裂解氣壓縮機(jī)的密封氣形成反壓，特別是在開車階段。

（2）定期檢查密封排氣管線導(dǎo)淋，是否有潤(rùn)滑油侵入。

（3）認(rèn)真對(duì)待每個(gè)參數(shù)的報(bào)警和異常趨勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行細(xì)致檢查。

6 結(jié)語(yǔ)

干氣密封系統(tǒng)作為壓縮機(jī)組的重要部件，價(jià)格昂貴，檢修周期很長(zhǎng)（需要裝置停車，整個(gè)系統(tǒng)處理合格）。干氣密封的運(yùn)行狀態(tài)，直接影響壓縮機(jī)組和乙烯裝置的安全、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。乙烯裝置中，裂解氣壓縮機(jī)由于工藝側(cè)組分復(fù)雜、雜質(zhì)多，而且外供密封氣管線長(zhǎng)，又先于其他機(jī)組開車，干氣密封系統(tǒng)故障較易發(fā)生。

文章簡(jiǎn)要說明了干氣密封系統(tǒng)的原理和控制，并通過歷年來賽科乙烯裝置壓縮機(jī)組干氣密封應(yīng)用中的多個(gè)典型案例，總結(jié)了部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用建議，并覆蓋了從密封、管線、過濾器到控制系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)，從新建裝置、新機(jī)組投用、大修、開車到日常運(yùn)行的各個(gè)階段，對(duì)今后的壓縮機(jī)組干氣密封的運(yùn)行和維護(hù)具有較強(qiáng)的借鑒意義。