合成气压缩机干气密封一级放空流量异常上涨原因分析

付加辉

(呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506)

呼伦贝尔金新化工有限公司(以下简称呼伦贝尔金新化工)5080项目合成氨装置于2012年7月生产出合格合成氨产品。合成气压缩机是合成装置核心设备，采用双出轴，双缸15级，高压抽汽冷凝式透平驱动，由三菱重工制造，压缩机双缸的轴封均采用了约翰克兰生产的28XPBD型串联式干气密封。

2014年6月，合成气压缩机高压缸驱动端干气密封一级放空流量FI11568出现上涨，从之前的25～26Nm3/h上涨至29～30Nm3/h。通过调整干气密封二级进气、一级密封气与参考气压差、合成气压缩机转速等方式后，未见好转。经过分析合成气压缩机干气密封一级泄漏气流量上涨原因，认为干气密封二级进气和隔离气中断可能是造成一放流量上涨幅度大的主要原因，干气密封的一级密封存在故障，干气密封检修需要合成装置停车，将会对企业造成极大损失，经过风险评估后，合成气压缩机继续运行。利用合成气压缩机停车机会，对合成气压缩机高压缸驱动端干气密封进行了更换，彻底消除了隐患。

1 干气密封系统流程

合成气压缩机干气密封系统包括一级密封气进气、二级密封气进气、隔离气进气、一级密封放空、二级密封放空、一级密封导淋、二级密封导淋及轴承润滑烟气放空系统。

合成气压缩机干气密封一级进气采用高压端引出的高压工艺气，经过精度为2μm过滤器后，用针型阀控制一级进气流量，用压差调节阀控制密封气进气与参考气压差，一级进气大部分进入压缩机缸体内，少量气体经过一级密封动静环排放至一级密封放空系统。

合成气压缩机干气密封一放系统包括一级密封泄漏和二级密封进气，通过梳齿密封泄漏的氮气，一级密封放空系统原设计排至火炬，干气密封系统监测一级密封排放流量，以此判断干气密封一级密封是否发生损坏，但是实际运行过程中，火炬背压升高造成干气密封一级放空流量下降，试车阶段直接将一级密封放空改为高点排放。

正常情况下，来自低压氮气管网的低压氮气经过精密过滤器(精度2μm)后，用自力式减压阀PCV11588减压至0.25MPa(g)，分成两股：一股做二级密封进气，二级进气经过针型阀控制流量后，进入干气密封二级密封腔室，大部分二级进气通过梳齿密封排放至一级密封放空系统，少量气体经过二级密封动静环排放至二级密封放空系统；第二股做隔离气，隔离气经过φ2.3孔板后直接进入隔离气密封腔，一部分与二级泄漏气混合排放至二级放空系统，一部分进入轴承箱与润滑油烟气混合，然后通过轴放管线放空。

在低压氮气管网异常的情况下，来自中压氮气缓冲罐的中压氮气经PV04483减压成低压氮气，并入干气密封系统低压氮气管网，保证干气密封系统低压氮气压力不低于0.38MPa(g)。

在二级密封放空正常的情况下，二级密封泄漏气和隔离气泄漏气混合气体的主要成分是氮气，设置为高点排放。

轴承箱放空系统正常为隔离气泄漏气和轴承油烟混合气，设置为高点排放。

2 干气密封结构

合成气压缩机采用28XPBD型串联式干气密封，动环密封槽形设计为双向树形槽，干气密封为中间带梳齿密封的串联密封，正常情况下，全部负荷或大部分负荷由一级密封承担，二级密封作为一级的备用密封，承担极少部分负荷或者不承担负荷，起到阻塞作用，避免危险介质泄漏至大气中。串联式干气密封结构见图1。

1.一级动环；2.轴套；3.一级静环；4.一级弹簧；5.二级动环；6.固定环；7.二级弹簧座；8.二级弹簧；9.二级静环；10.中间迷宫密封环；11.一级弹簧座；12.静环支撑环；A.一级密封进气；B.一级密封泄漏气；C.二级密封气；D.二级密封泄漏气；E.隔离气

3 干气密封一级放空流量上涨

2014年6月1日，在合成气压缩机运行过程中，中压氮气减低压氮气阀门定位器故障，阀门故障，导致全开，瞬间造成低压氮气管网压力超压，干气密封系统自力式减压阀失效关闭，紧急处理后，干气密封二级进气恢复正常。合成气压缩机干气密封系统二级进气和隔离气中断17min。

随后，合成气压缩机干气密封系统一级放空流量出现了异常上涨，合成气压缩机正常运行时，一级放空流量在24Nm3/h，但是干气密封高压缸驱动端一级放空流量上涨，逐渐增大到2.85Nm3/h。干气密封一放流量上涨趋势见图2。

4 干气密封一级放空流量上涨原因

(1)仪表故障。干气密封一级放空流量共有3块流量计(FI11568A/FI11568B/ FI11568C)，干气密封根据一级放空流量采用3选2的方法判断干气密封运行是否正常，运行中3块流量计同时出现上涨，趋势完全一致，所以判定仪表指示正确。

(2)合成气压缩机高压缸、低压缸的干气密封汇总至一根排放总管，如果其中一套干气密封损坏，气体泄漏大时，容易将污染的脏空气反窜至其他干气密封一放腔室，所以干气密封一级放空管线均安装弹簧式止回阀。止回阀阀芯生锈卡涩会造成干气密封一放气体异常波动，拆卸止回阀进行检查，阀芯干净，排除阀芯卡涩影响。

(3)合成气压缩机转速变化造成干气密封一级泄漏气增大。干气密封动压槽内，密封气体随动环做旋转运动，同时也沿着密封槽从外端向里端运动(见图3)，根据伯努力方程得出：

(1)

式中，P1为动压槽里端气体压力，Pa；P2为动压槽外端气体压力，Pa；V1为动压槽里端气体绝对速度，m/s；V2为动压槽外端气体绝对速度，m/s；γ为流体密度，kgf/m3；Z1、Z2为单位质量流体的位置高度，m。

由于干气密封动压槽里端和外端处于相对旋转轴位置，可以认为是Z1=Z2；绝对速度粗略计算等于气体线速度，则V=U=2πnr。

所以，干气密封动环里端压力与动环外端压力关系式简化为：

(2)

式中，n为动环转速，r/s；r1为动环槽里端到旋转轴中心的距离，m；r2为动压槽外端到旋转轴中心的距离，m。

根据公式(2)可得，干气密封动静环密封气体压力与密封气源压力、动环转速、槽型结构等有关，在合成气压缩机干气密封气源压力稳定的情况下，转速越高，干气密封动压效应越强，气膜厚度也越大，泄漏量增大，但是在合成气压缩机降低转速，一级泄漏量出现略微下降，判断一级泄漏量增大，不是压缩机转速调整导致。干气密封一放流量随转速的变化见表1。

图3 气体运动速度分析图

表1 干气密封一放流量随转速的变化

转速/(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：时间为2014年。

(4)干气密封二级进气流量上涨。干气密封一级放空包括一级密封泄漏和二级密封进气，通过梳齿密封泄漏的氮气，干气密封二级进气与隔离气所用的低压氮气经过自力式减压阀后，压力稳定在0.25MPa，现场通过针型阀控制二级进气流量，从现场检查二级进气流量一直稳定，所以判定跟二级进气量关系不大。

(5)干气密封二级动静环发生故障。根据公式(2)，二级密封气进气中断，会造成二级密封处静压大幅下降，二级密封动静环腔室气体成分由氮气变为一级泄漏出来的合成气，气体分子量从28减为8，导致二级气膜不稳，动静环可能接触，二级动静环发生故障，造成二级密封泄漏量增大，干气密封一级泄漏量减少，与此现象不相符。

(6)干气密封一级密封压力上涨造成一级泄漏量增大，从公式(2)可知，如果动环外端压力P2大幅上涨，同样会造成动环内端P1压力上涨，干气密封动静环密封泄漏量会增大，合成气压缩机高压缸设置平衡盘，高压缸干气密封一级密封腔室压力一直为高压缸一段进气压力，压力未发生变化，所以排除压力对干气密封泄漏的影响。

(7)干气密封一级动静环发生故障。合成气压缩机正常运行时，高压缸循环段出口的高压合成气经过滤器后做一级密封气，如果有杂质带入一级动静环，可能造成一级密封密封环卡涩，一放流量发生上涨。合成气压缩机合成气中带有3.5%左右的氨，所以对一级放空气中的氨含量进行分析，结果发现，合成气压缩机转速在9 550r/min运行时，氨含量出现明显上涨。干气密封一放氨含量分析见表2。

表2 干气密封一级放空氨含量分析

综上所述，合成气压缩机高压缸驱动端干气密封一级泄漏量增大，判断干气密封一级动静环处发生了故障。

5 干气密封风险评估

合成气压缩机干气密封如果拆卸检修处理，合成装置必须停车，经济损失巨大。认真对干气密封结构、检修数据进行研究，判定干气密封不会短期内突然失效，合成气压缩机继续运行，择机处理。以下列出风险评估。

(1)合成气压缩机均采用带中间迷宫的串联式干气密封，第一级为主密封，第二级为备用密封，第一级失效后，第二级会变成主密封。

(2)干气密封一级放空FI11568设置流量高联锁，如果一级密封发生损坏，一级放空流量高联锁能联锁合成气压缩机及时停车，防止事故扩大。

(3)合成气压缩机运行中，一级动静环处于正常打开状态，现场干气密封二级导淋处于全开。干气密封二级密封气和隔离气中断，造成少量油烟穿过隔离气密封达到二级密封腔室，造成二级动静环处带油，二级动静环处气膜不稳定，二级动静环发生故障，可能造成二级泄漏气量增大，干气密封一级泄漏气量减少，甚至流量降为0。

(4)干气密封二级密封气中断，二级动静环处气膜不稳定，可能发生摩擦，产生粉末，二级密封进气恢复过程中，粉末可能吹至一级密封腔室，造成一级密封发生卡涩，预计短期内一级动静环不会发生突然失效。

6 干气密封拆解检查

2014年7月，气化装置抢修，合成气压缩机短暂停车，公司对合成气压缩机高压缸驱动端干气密封进行了更换检查，干气密封解体检查情况如下。

(1)壳体及轴套密封O圈有不同程度的老化变形；干气密封二级排气口有大量碳粉及油污。

(2)二级动静环处进油严重、端面明显磨损；密封圈老化变形(见图4、图5)。

图4 干气密封二级动环带油

二级动静环端面被油膜覆盖，而且静环背部及弹簧座都有可见油迹；动环为碳化硅材质，端面有明显的环形磨痕。静环为石墨材质，端面有较深的环形磨痕；在动环端面内缘、压紧套、推环及弹簧座等处，都可见石墨粉尘和油的堆积污垢(见图6)。

干气密封二级动静环四氟蓄能密封圈老化变形，推环四氟蓄能密封圈有划伤；压紧套密封O圈老化变形。

图5 干气密封二级静环带油

图6 干气密封二级推环

(3)干气密封一级动、静环端面有明显磨损，密封圈老化变形。动环碳化硅、静环石墨环端面都有明显磨痕，一级推环、一级密封动环座等处都有磨损、碳粉堆积；动、静环四氟蓄能密封圈发黄、老化变形。

(4)弹簧座、推环等金属部件除有少量磨损外基本完好，弹簧完好。

综上分析，合成气压缩机高压缸驱动端干气密封二级密封气中断，造成二级密封动静环处气膜不稳，动静环发生了摩擦，产生了大量碳粉，同时，润滑油油烟泄漏到二级动静环处，动静环端面累积了油污。

二级进气恢复时，将静环磨损产生的碳粉吹到了一级密封静环的推环处，造成静环的弹簧卡涩，一级动静环打开不流畅，导致一级泄漏气泄漏增大。

考虑到中压氮气减低压氮气阀故障，造成了合成气压缩机4套干气密封二级密封气和隔离气中断，其他3套干气密封也可能存在隐患，2016年大修，合成气压缩机干气密封进行了全部更换，目前合成气压缩机运行良好。

7 干气密封操作优化措施

为了保护干气密封良好运行，结合现场操作经验，提出下列措施。

(1)编制标准化作业指导书，投用干气密封时，确保员工按照一级密封气、二级密封气、隔离气的顺序依次投用，在油系统启动前30min投用，防止油烟泄漏至二级密封动静环处。

(2)干气密封密封气气源必须保证干燥、洁净，干气密封系统开车前也要全面吹扫，保证进气的露点<-60℃，防止氮气带水。

(3)按照干气密封操作要求，二级密封导淋阀定期打开排凝，但是发生隔离气中断，润滑油很容易穿过隔离气密封到达二级密封排气腔室，很容易造成二级密封动静环处进油，所以干气密封二级密封导淋保持全开，如出现润滑油可及时排出。

(4)严格控制主密封气与参考气压差，保证一级密封动静环处于正流程，杜绝反压现象发生。二级密封气流量也必须达到设计值，保证二级密封动静环处于正流程。

(5)为了保证合成气压缩机干气密封低压氮气管网不超压，低压氮气管网增加安全阀，设定压力为0.5MPa，如果PV04483发生故障，低压氮气管网可以及时泄压，保证干气密封二级进气和隔离气不中断。

(6)隔离气进气管增加精密压力表，定期检查，防止隔离气进气管孔板发生堵塞，造成隔离气压力降低或者中断。

8 结语

本文对合成气压缩机高压缸驱动端干气密封一级放空流量异常上涨的现象进行了描述，且分析了原因，找到了一放流量异常上涨的原因，同时对干气密封运行进行全面风险评估，为了避免再次出现类似故障，提出了干气密封优化措施。