葉慶凡，王佳，張越

(陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著我國石油天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，天然氣作為清潔能源已被廣泛應用，而輸送天然氣所使用的離心式壓縮機發(fā)揮著重要作用。離心式壓縮機作為天然氣輸送、加壓的高速旋轉(zhuǎn)透平設備，其軸端密封在經(jīng)歷迷宮密封、浮環(huán)密封、油膜機械密封等三代密封形式后，已進入第四代密封——氣體潤滑端面密封，簡稱干氣密封，其屬于非接觸式氣體潤滑機械密封[1-13]。某天然氣公司輸送管線上3個壓氣站共有6臺燃驅(qū)離心式壓縮機組，于2016年投產(chǎn)運行，其壓縮機運行時間集中在冬季供暖期間，為某省民生用氣發(fā)揮著至關重要的作用?；诖?，文中對天然氣離心式壓縮機干氣密封污染原因進行分析并提出優(yōu)化的方案[14-15]。

1 干氣密封概述及運行工況

1.1 干氣密封概述

干氣密封作為離心式壓縮機的重要組成部分，其主要用來密封壓縮機內(nèi)部天然氣，防止壓縮機腔內(nèi)高壓天然氣泄漏至外界環(huán)境，同時通過隔離氣對潤滑油進行阻隔，避免潤滑油進入干氣密封組件[1，4]。壓縮機用干氣密封一般分為單端面、雙端面、串聯(lián)式、帶中間迷宮密封的串聯(lián)式4種類型，其中天然氣離心式壓縮機使用帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封較多，文中以該類型干氣密封研究為主。

帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封一般主要由動環(huán)、靜環(huán)、密封O型圈、彈簧、彈簧座、迷宮、軸套、調(diào)整墊等組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工藝流程為：高壓天然氣從一級密封氣進入介質(zhì)側(cè)，起到密封壓縮機腔內(nèi)天然氣的作用，同時進入干氣密封側(cè)對彈簧產(chǎn)生作用力，將動靜環(huán)分離，動環(huán)隨著壓縮機主軸高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的少量泄漏氣體進入一級泄漏氣通道至高處放空火炬，實現(xiàn)了密封天然氣的作用；二級密封氣口采用密封法蘭盲死；壓縮后的空氣進入隔離氣入口，阻止大氣側(cè)空氣及潤滑油竄入干氣密封內(nèi)，同時進入二級泄漏氣與部分高壓端天然混合后進入低位放空火炬，又可將二級泄漏處的動靜環(huán)分離。其中動環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用雙向旋轉(zhuǎn)式，可正反轉(zhuǎn)，減少了反轉(zhuǎn)導致密封損壞的可能性。該干氣密封具有使用壽命長、運行穩(wěn)定性高、損耗低、運行及維護費用成本低等優(yōu)勢。

圖1 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封結(jié)構(gòu)

圖2 動環(huán)結(jié)構(gòu)

對某壓氣站離心式壓縮機干氣密封的工作條件進行簡單描述，壓縮機工作介質(zhì)主要為天然氣，額定轉(zhuǎn)速為10859 r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速為11402 r/min，壓縮機進口壓力為4.0 MPa，出口壓力為8.0 MPa，干氣密封設計壓力為8.0 MPa，設計溫度為-20～150 ℃，靜態(tài)泄漏量小于5.76 Nm3/h，動態(tài)泄漏量小于6 Nm3/h。

1.2 干氣密封運行工況

某壓氣站離心式壓縮機干氣密封系統(tǒng)運行工況如下。

(1)壓縮機配置專用干氣密封撬體，主要包括密封氣聚結(jié)器、增壓泵、過濾器、自力式調(diào)壓閥、壓力及流量變送器、加熱器、密封氣及隔離氣管路、放空火炬等。壓縮機密封氣氣源取自壓縮機出口匯管聚結(jié)器，經(jīng)過3次過濾，精度達到1 μm，經(jīng)過1次調(diào)壓后，一級密封氣壓力較平衡管壓力大0.2 MPa左右，隔離氣氣源來自空氣壓縮機，經(jīng)過2次過濾后，精度達到5 μm，壓力為0.4 MPa左右。

(2)壓縮機在運行過程中，潤滑油進入軸承前需進行調(diào)壓，為確保潤滑效果良好，各軸瓦溫度在合理范圍之內(nèi)，潤滑油壓力一般要求為0.1～0.12 MPa。

2 干氣密封污染現(xiàn)象及原因分析

2.1 干氣密封污染現(xiàn)象

某壓氣站離心式壓縮機自投產(chǎn)時，運行約200 h后,一級泄漏放空火炬出現(xiàn)滴油現(xiàn)象，表面附著大面積油漬，如圖3所示，同時將泄漏連接管道法蘭斷開，發(fā)現(xiàn)存在潤滑油堆積現(xiàn)象，但壓縮機干氣密封一級放空量為0.125 Nm3/h，放空壓力為129 kPa，運行數(shù)據(jù)均在正常范圍之內(nèi)。

圖3 一級泄漏放空火炬附著大面積油漬

2019年壓縮機干氣密封使用年限達3 a，累計運行時間達6000 h后，由廠家人員對干氣密封進行維保，當從壓縮機主軸端移除后，發(fā)現(xiàn)密封外觀存在油漬，拆解后發(fā)現(xiàn)密封氣側(cè)密封動、靜環(huán)表面有輕微的運轉(zhuǎn)磨痕，副密封有雜質(zhì)聚集，如圖4所示，隔離氣側(cè)密封動、靜環(huán)表面有輕微的運轉(zhuǎn)磨痕，工作面有油漬，如圖5所示。

圖4 密封氣側(cè)動環(huán)及副密封處存在雜質(zhì)

圖5 隔離氣側(cè)動、靜環(huán)外觀附著油漬

2.2 原因分析

針對干氣密封一級泄漏放空火炬存在滴油現(xiàn)象，介質(zhì)側(cè)及大氣側(cè)存在油漬及雜質(zhì)現(xiàn)象，需對產(chǎn)生原因進行逐項排查，查明污染來源。

一級泄漏放空火炬滴油現(xiàn)象原因一般為介質(zhì)密封氣存在油污或隔離氣失效導致潤滑油竄入一級泄漏點。根據(jù)原因逐項進行排查，首先對介質(zhì)密封氣潔凈度進行檢查，因干氣密封撬裝上安裝有兩道過濾器，遂對粗濾和精濾進行檢查，發(fā)現(xiàn)過濾器均未失效，精濾外表面干凈、無污染，如圖6所示。同時將密封氣撬至壓縮機連接法蘭處的管線進行拆除，檢查管道及壓縮機內(nèi)孔是否存在油漬及污物，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有異物。因此，排除介質(zhì)密封氣存在油污導致干氣密封被污染的可能性。其次，對隔離氣失效進行排查，查看歷史運行記錄，在每次啟機前，均先投運隔離氣源，停機待潤滑油系統(tǒng)停運15 min后關閉隔離氣源，在機組運氣期間未出現(xiàn)隔離氣低報現(xiàn)象，同時檢查隔離氣精濾，發(fā)現(xiàn)過濾器未失效，表面干凈、無污染，如圖7所示。

圖6 密封氣過濾器表面

圖7 隔離氣過濾器表面

當介質(zhì)密封氣無油污，隔離氣未失效，導致產(chǎn)生滴油現(xiàn)象，則可能是潤滑油壓力過大或干氣密封設計不足導致。由于離心式壓縮機采用可傾瓦軸承，其在高速旋轉(zhuǎn)過程中通過在葉輪主軸與軸瓦之間形成0.3 mm厚度的油膜以達到支撐作用，同時帶走運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，為確保壓縮機軸瓦溫度及振動數(shù)據(jù)正常，按照設計要求，潤滑油壓應在0.1～0.12 MPa，對現(xiàn)場油壓進行檢查均在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)超壓運行現(xiàn)象[6,9,12]。

檢查潤滑油運行狀態(tài)，由于壓縮機非驅(qū)動端共有3組軸承，分別為支撐軸承、主推力軸承和副推力軸承，故有3根供油管路，驅(qū)動端共有1組軸承，為支撐軸承，有1根供油管路。潤滑油供油管路采用下端供油噴射潤滑方式，瞬時油量過大，初步判斷可能存在潤滑油飛濺，回油不暢導致油位超過干氣密封的迷宮密封，致使部分潤滑油竄入干氣密封內(nèi)，長期運行會污染干氣密封動靜環(huán)，致使一級泄漏放空火炬出現(xiàn)滴油現(xiàn)象，如圖8所示[9-10]。

圖8 潤滑油液位高于干氣密封迷宮密封示意

3 干氣密封優(yōu)化及測試

根據(jù)以上原因分析，進行干氣密封的優(yōu)化改造。為避免潤滑油飛濺或回油液位超過迷宮密封，通過給干氣密封外側(cè)增加隔油擋板的方式實施保護，如圖9所示[3,5,8]。

圖9 干氣密封隔油擋板安裝

隔油擋板設計要求：(1)采用四氟乙烯的材質(zhì)，其穩(wěn)定性好，化學穩(wěn)定性好，易加工，可塑性較好；(2)其與壓縮機主軸采用間歇配合，其外圓最低點要求低于回油液位，形成良好隔油作用；(3)其表面要有較好的光潔度，確保與干氣密封端面有良好貼合。

現(xiàn)場安裝干氣密封隔油擋板，對壓縮機進行啟停機測試、調(diào)整壓縮機運行負荷，檢查干氣密封放空壓力及流量，并對壓縮機一級放空火炬進行持續(xù)觀察，結(jié)果如表1所示。

表1 干氣密封系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)分析可知：(1)安裝擋板對干氣密封的一級放空壓力及流量數(shù)據(jù)并無明顯影響；(2)壓縮機一級放空火炬未存在滴油現(xiàn)象，未造成設備的環(huán)境污染，同時降低了油氣混合的可能性。本次改造避免了干氣密封潤滑油的竄入導致動靜環(huán)的污染，對設備的穩(wěn)定運行有一定的實用價值，優(yōu)化具有可操作性。

4 結(jié)語

文中針對干氣密封污染原因進行了分析，查明了干氣密封一級放空火炬滴油現(xiàn)象原因，并提出詳細的解決方案及優(yōu)化對策。干氣密封系統(tǒng)是離心式壓縮機安全運行的重要設備，在長期運行過程中，我們應當做好如下工作：①定期檢查干氣密封系統(tǒng)中的過濾設備，保障密封氣及隔離氣的干潔度；②潤滑油的噴射角度及回油能力對干氣密封的污染有重要影響，合理的設計或有效的防護措施，可以保護干氣密封不受污染，提升使用壽命，降低維保成本；③在設備運行過程中要善于總結(jié)，查找問題根源，才能對系統(tǒng)優(yōu)化及提升運行平穩(wěn)性起到幫助作用。