天然气增压站干气密封氮气工况机械运转技术措施

谌登旭 范琪琪 刘正军(四川郝斯特油气技术有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

目前，天然气长输管线压缩机基本采用干气密封作为轴端密封，以机组口端工艺气经密封控制系统过滤、调压后作为干气密封的工作气体。其系统过滤器的过滤精度通常为3μm 甚至更高，可以满足正常运行期间针对相对清洁的天然气去除杂质的要求。但在天然气输气站刚建成时，由于施工原因不可避免地造成天然气管道内残留有污水、焊渣和大量砂石类的杂质，如果在其首次开车时将天然气经压缩机出口端引入干气密封控制系统，极易造成系统过滤器迅速失效，继而可能损坏密封导致危险，因此管道压缩机在首次开车时通常使用外部洁净氮气作为干气密封气源[1]。

1 干气密封的特点及工作原理

(1)干气密封是一种新型的无接触轴封，用它来密封旋转机器中的气体或液体介质，与其他密封相比，干气密封具有泄露量小，磨损小，寿命长，能耗低，操作简单可靠，维修量低，被密封的流体不受油污染等特点。因此，在压缩机引用领域，干气密封已成为旋转机械中密封的首选，取代了浮环密封、油润滑机械密封。干气密封使用的可靠性和经济性已被许多工程应用实例所证实；(2)干气密封动环端面开有气体槽，气体槽深度仅有几微米，端面间必须有洁净的气体，以保证在两个端面之间形成一个稳定的气膜使密封端面完全分离。气膜厚度一般为几微米，这个稳定的气膜可以使密封端面间距保持一定的密封间隙，间隙太大，密封效果变差；而间隙太小会使密封面发生接触，因干气密封的摩擦热不能散失，端面间无润滑接触将很快引起密封端面的变形，从而使密封失效。氮气通过密封间隙时靠节流和阻塞的作用而被减压，从而实现气体介质的密封，几微米的密封间隙会使气体的泄露率保持最小[2]。

2 压缩机干气密封氮气工况不间断机械运转测试的目的

(1)成套机组的机械安装质量良好；(2)各子系统组成的整个机组整体性完好、各橇间及机组与系统的所有连接完整和正确；(3)轴系和设备各部位无异常的振动；(4)各个法兰连接处等静密封点无润滑油、氮气或者空气的泄漏；(5)控制和保护系统完整，功能有效。

3 利用氮气代替天然气作为干气密封系统气源的优势

(1)在天然气压缩机投产试车过程中，氮气作为惰性气体较为天然气更加安全可控，危险性低；(2)由工业液氮转化的氮气纯度可达到99.99%，可以利用氮气先对压缩机干气密封系统吹扫，作为压缩机不间断机械运转测试干气密封气源较天然气洁净；(3)由于干气密封系统不断向压缩机系统充气，当压力过高时氮气较天然气泄压排放更为方便安全；(4)氮气气源作外接系统，注气压力方便控制，有利于控制干气密封系统和压缩机本体系统的压差，同时也可不依赖干气密封系统增压泵独立运行。

4 干气密封氮气工况机械运转流程

4.1 搭建氮气气源系统

采用工业液氮运输设备，连接液氮增压设备和汽化装置，配合气体缓冲装置作为整个氮气气源外接系统，如图1所示。

图1 氮气气源流程图

4.2 利用氮气对干气密封系统吹扫

针对新建天然气压缩机场站特点，建议在压缩机试车24小时不间断机械运转测试前先通过高纯度氮气对测试机组管路进行彻底吹扫，排除新建管路中可能存在的杂质，防止管道内焊渣等固体杂质进入密封腔，一般吹扫流程如下：干气密封增压撬→压缩机→压缩机入口管线→防喘振管线→空冷器→空冷器出口管线阀门→空冷器出口汇管。

4.3 干气密封系统升压

为了保证在试车阶段干气密封主密封气有单独的不间断的氮气源供应，且压力要大于压缩机进口压力，即干气密封控制盘上的主密封气与平衡气管的差压要一般大于300kPa(根据各压缩机组参数确定)；故应先先对干气密封系统进行升压至0.3～1.2MPa后，再开始压缩机运转，开始进行压缩机24小时机械测试。

4.4 压缩机24小时不间断械运转测试步骤

(1)确认机组启动前的所有检查确认内容均已经完成；(2)启动机组，在机组达到怠速转速稳定后，记录机组主要运行参数；(3)监测所有的参数，确认机组所有参数在正常范围内，调整压缩机转速至最低负载转速并开始计时；(4)按照压缩机24小时机械运转测试转速设定方案，根据调度指令，调整压缩机转速到要求的转速或在压缩机最低负载转速稳定运行20小时后，调整机组转速到最大连续运行转速，保持该转速稳定运行4小时，每小时记录一次完整的工艺和机械数据；(5)在最大连续运行转速下稳定运行4小时后，按紧急停机按钮，机组紧急停机，记录机组由超速停机到转速降至500rpm 之间的振动频谱信息(波特图、相位、转速等)参数；(6)根据机组实际控制程序，修改压缩机24小时机械运转测试转速变化图，如图2所示。

图2 压缩机机械测试转速控制示意图

5 干气密封氮气工况机械运转技术控制措施

5.1 干气密封系统与压缩机系统压差控制技术措施

(1)因干气密封系统较压缩机系统管道容积小，所以在开启压缩机系统进气口阀门由干气密封系统向压缩机系统供气时候，干气密封系统压力会快速下降，干气密封系统和压缩机系统压差也会快速下降，可能突破最小压差限定；故应在开启压缩机系统进气口阀门正式启动压缩机前对干气密封系统利用氮气冲入较高的压力，同时在正式开启压缩机系统进气口阀门时提高氮气气源排量，保证压差，待干气密封系统和压缩机系统压差稳定后再启动压缩机，同时降低氮气气源排量，使干气密封系统和压缩机系统压差达到动态平衡；(2)压缩机干气密封氮气工况机械测试中应保持干气密封增压撬入口进行持续注氮，保持压差，设专人通过系统压力表观察干气密封系统压力与压缩机系统的压力，尽量保持干气密封系统压力大于压缩机系统压力0.6～1.5MPa；当观察人员发现压差缩小至0.6MPa 以下时，通过减小压缩机系统的注氮流量，保持压差；当观察人员发现压差大于1.5MPa 时，通过减小干气密封系统的注氮流量，缩小压差，确保干气密封系统压力始终处于合理范围之内；(3)氮气系统作为外接气源，且由于干气密封系统管道容积较小，所以氮气气源排量变化容易影响到干气密封系统，导致压力波动，不利于对于干气密封系统和压缩机系统的压差保持；所以应在氮气气源系统中设置缓冲罐，通过加大容积，减小因为氮气气源排量的波动而引起压差的变化的速率，达到更好控制干气密封系统和压缩机系统压差的目的。

5.2 氮气安全防控技术措施

(1)压缩机运行过程中，要求干气密封系统注入氮气量较小，在压缩机机械测试启停和运转过程中，若氮气气源注入氮气量高于系统所需氮气量，造成压差高于要求时，或者需要对压缩机系统进行排放泄压时；宜将放空位置选在空冷器放空口，机械测试运转前，提取与放空口配套法兰制作临时放空管线，临时放空管线连接于设备放空口，并加设截止阀，放空口保持垂直，将临时放空管线与设备放空口连接后，将放空管线固定，准备泄压前，将空冷器打开，放空过程中，保证放空出的氮气散于高空；(2)干气密封在使用过程中，非常忌讳带液、机械杂质和气体倒流，因干气密封的密封端面间隙一般只有3～5μm，任何带液和机械杂质都直接可能损害密封端面，因此，在氮气进入压缩机系统之前，必须将撬装液氮设备所有管路用氮气进行吹扫一次，确保无任何机械杂质后再介入压缩机预留注氮口。并且在氮气出口设置温度计，充入氮气温度不得低于25℃，安排专人检查注氮入口温度，若温度下降较快，减小氮气流量，以保证管道入口处氮气温度不低于25℃为准。

6 干气密封氮气工况机械运转资源及设备选型要求

6.1 液氮汽化设备选型

液氮汽化设备要将加热装置氮气出口温度范围设置在25～30℃。根据注氮速度及温度要求，液氮槽车配备与液氮汽化设备匹配的加热设施及其它附属设施，一般压缩机干气密封氮气工况机械运转过程中，要求通过干气密封系统注入压缩机气量为150～500Nm3/h 左右，所以氮气气源系统中液氮汽化设备宜选择额定最大排量1000～2000Nm3/h 的设备，同时要求可满足最小排量要求，防止供气量过大，同时也可以在压差过低时快速提高排量稳定压差；在升压时通过液氮汽化设备自带压力控制系统进行调节，保证注氮口压力始终高于压缩机系统压力0.8～1.2MPa 之间。

6.2 氮气缓冲装置选型要求

为了降低干气密封系统供气压力波动影响压差控制，应在氮气供气系统中设置气体缓冲罐，缓冲罐容积过小会因为氮气气源排量变化导致系统压差波动大，缓冲罐容积过大会造成气源的浪费且不利于泄压排放；根据干气密封系统管道容积，宜选择气体缓冲罐容积为2～5m3；根据一般天然气压缩机额定最大工作压力，选择氮气缓冲装置额定工作压力不低于天然气压缩机额定最大工作压力，一般选择氮气缓冲装置工作压力为10MPa。

6.3 液氮资源配置要求

氮气供气系统中氮气来源采用液氮，现场经气化后成为氮气，氮气按1个标准大气压、5℃状态计算，1吨液氮转化为1个标准大气压、5℃状态下的气体体积为800m3；根据压缩机干气密封氮气工况机械运转时间及干气密封系统对气源供气排量的要求，同时留出富裕量，在测试前进行液氮资源需求量的计算，现场准备足够的液氮资源，防止因液氮资源不够导致的系统停车。

7 结语

利用氮气进行天然气压缩机干气密封氮气工况机械测试运转，是检测天然气压缩机运行情况的一种常见方式，为天然气压缩机的安全稳定运行奠定了基础保障。