离心式压缩机干气密封污染原因分析

叶庆凡，王佳，张越

(陕西省天然气股份有限公司，陕西 西安 710000)

0 引言

随着我国石油天然气行业的快速发展，天然气作为清洁能源已被广泛应用，而输送天然气所使用的离心式压缩机发挥着重要作用。离心式压缩机作为天然气输送、加压的高速旋转透平设备，其轴端密封在经历迷宫密封、浮环密封、油膜机械密封等三代密封形式后，已进入第四代密封——气体润滑端面密封，简称干气密封，其属于非接触式气体润滑机械密封[1-13]。某天然气公司输送管线上3个压气站共有6台燃驱离心式压缩机组，于2016年投产运行，其压缩机运行时间集中在冬季供暖期间，为某省民生用气发挥着至关重要的作用。基于此，文中对天然气离心式压缩机干气密封污染原因进行分析并提出优化的方案[14-15]。

1 干气密封概述及运行工况

1.1 干气密封概述

干气密封作为离心式压缩机的重要组成部分，其主要用来密封压缩机内部天然气，防止压缩机腔内高压天然气泄漏至外界环境，同时通过隔离气对润滑油进行阻隔，避免润滑油进入干气密封组件[1，4]。压缩机用干气密封一般分为单端面、双端面、串联式、带中间迷宫密封的串联式4种类型，其中天然气离心式压缩机使用带中间迷宫密封的串联式干气密封较多，文中以该类型干气密封研究为主。

带中间迷宫密封的串联式干气密封一般主要由动环、静环、密封O型圈、弹簧、弹簧座、迷宫、轴套、调整垫等组成，其典型结构如图1所示。其工艺流程为：高压天然气从一级密封气进入介质侧，起到密封压缩机腔内天然气的作用，同时进入干气密封侧对弹簧产生作用力，将动静环分离，动环随着压缩机主轴高速旋转，产生的少量泄漏气体进入一级泄漏气通道至高处放空火炬，实现了密封天然气的作用；二级密封气口采用密封法兰盲死；压缩后的空气进入隔离气入口，阻止大气侧空气及润滑油窜入干气密封内，同时进入二级泄漏气与部分高压端天然混合后进入低位放空火炬，又可将二级泄漏处的动静环分离。其中动环结构如图2所示，采用双向旋转式，可正反转，减少了反转导致密封损坏的可能性。该干气密封具有使用寿命长、运行稳定性高、损耗低、运行及维护费用成本低等优势。

图1 带中间迷宫密封的串联式干气密封结构

图2 动环结构

对某压气站离心式压缩机干气密封的工作条件进行简单描述，压缩机工作介质主要为天然气，额定转速为10859 r/min，最大连续转速为11402 r/min，压缩机进口压力为4.0 MPa，出口压力为8.0 MPa，干气密封设计压力为8.0 MPa，设计温度为-20～150 ℃，静态泄漏量小于5.76 Nm3/h，动态泄漏量小于6 Nm3/h。

1.2 干气密封运行工况

某压气站离心式压缩机干气密封系统运行工况如下。

(1)压缩机配置专用干气密封撬体，主要包括密封气聚结器、增压泵、过滤器、自力式调压阀、压力及流量变送器、加热器、密封气及隔离气管路、放空火炬等。压缩机密封气气源取自压缩机出口汇管聚结器，经过3次过滤，精度达到1 μm，经过1次调压后，一级密封气压力较平衡管压力大0.2 MPa左右，隔离气气源来自空气压缩机，经过2次过滤后，精度达到5 μm，压力为0.4 MPa左右。

(2)压缩机在运行过程中，润滑油进入轴承前需进行调压，为确保润滑效果良好，各轴瓦温度在合理范围之内，润滑油压力一般要求为0.1～0.12 MPa。

2 干气密封污染现象及原因分析

2.1 干气密封污染现象

某压气站离心式压缩机自投产时，运行约200 h后,一级泄漏放空火炬出现滴油现象，表面附着大面积油渍，如图3所示，同时将泄漏连接管道法兰断开，发现存在润滑油堆积现象，但压缩机干气密封一级放空量为0.125 Nm3/h，放空压力为129 kPa，运行数据均在正常范围之内。

图3 一级泄漏放空火炬附着大面积油渍

2019年压缩机干气密封使用年限达3 a，累计运行时间达6000 h后，由厂家人员对干气密封进行维保，当从压缩机主轴端移除后，发现密封外观存在油渍，拆解后发现密封气侧密封动、静环表面有轻微的运转磨痕，副密封有杂质聚集，如图4所示，隔离气侧密封动、静环表面有轻微的运转磨痕，工作面有油渍，如图5所示。

图4 密封气侧动环及副密封处存在杂质

图5 隔离气侧动、静环外观附着油渍

2.2 原因分析

针对干气密封一级泄漏放空火炬存在滴油现象，介质侧及大气侧存在油渍及杂质现象，需对产生原因进行逐项排查，查明污染来源。

一级泄漏放空火炬滴油现象原因一般为介质密封气存在油污或隔离气失效导致润滑油窜入一级泄漏点。根据原因逐项进行排查，首先对介质密封气洁净度进行检查，因干气密封撬装上安装有两道过滤器，遂对粗滤和精滤进行检查，发现过滤器均未失效，精滤外表面干净、无污染，如图6所示。同时将密封气撬至压缩机连接法兰处的管线进行拆除，检查管道及压缩机内孔是否存在油渍及污物，结果均未发现有异物。因此，排除介质密封气存在油污导致干气密封被污染的可能性。其次，对隔离气失效进行排查，查看历史运行记录，在每次启机前，均先投运隔离气源，停机待润滑油系统停运15 min后关闭隔离气源，在机组运气期间未出现隔离气低报现象，同时检查隔离气精滤，发现过滤器未失效，表面干净、无污染，如图7所示。

图6 密封气过滤器表面

图7 隔离气过滤器表面

当介质密封气无油污，隔离气未失效，导致产生滴油现象，则可能是润滑油压力过大或干气密封设计不足导致。由于离心式压缩机采用可倾瓦轴承，其在高速旋转过程中通过在叶轮主轴与轴瓦之间形成0.3 mm厚度的油膜以达到支撑作用，同时带走运转产生的热量，为确保压缩机轴瓦温度及振动数据正常，按照设计要求，润滑油压应在0.1～0.12 MPa，对现场油压进行检查均在合理范围内，未出现超压运行现象[6,9,12]。

检查润滑油运行状态，由于压缩机非驱动端共有3组轴承，分别为支撑轴承、主推力轴承和副推力轴承，故有3根供油管路，驱动端共有1组轴承，为支撑轴承，有1根供油管路。润滑油供油管路采用下端供油喷射润滑方式，瞬时油量过大，初步判断可能存在润滑油飞溅，回油不畅导致油位超过干气密封的迷宫密封，致使部分润滑油窜入干气密封内，长期运行会污染干气密封动静环，致使一级泄漏放空火炬出现滴油现象，如图8所示[9-10]。

图8 润滑油液位高于干气密封迷宫密封示意

3 干气密封优化及测试

根据以上原因分析，进行干气密封的优化改造。为避免润滑油飞溅或回油液位超过迷宫密封，通过给干气密封外侧增加隔油挡板的方式实施保护，如图9所示[3,5,8]。

图9 干气密封隔油挡板安装

隔油挡板设计要求：(1)采用四氟乙烯的材质，其稳定性好，化学稳定性好，易加工，可塑性较好；(2)其与压缩机主轴采用间歇配合，其外圆最低点要求低于回油液位，形成良好隔油作用；(3)其表面要有较好的光洁度，确保与干气密封端面有良好贴合。

现场安装干气密封隔油挡板，对压缩机进行启停机测试、调整压缩机运行负荷，检查干气密封放空压力及流量，并对压缩机一级放空火炬进行持续观察，结果如表1所示。

表1 干气密封系统运行数据

通过以上数据分析可知：(1)安装挡板对干气密封的一级放空压力及流量数据并无明显影响；(2)压缩机一级放空火炬未存在滴油现象，未造成设备的环境污染，同时降低了油气混合的可能性。本次改造避免了干气密封润滑油的窜入导致动静环的污染，对设备的稳定运行有一定的实用价值，优化具有可操作性。

4 结语

文中针对干气密封污染原因进行了分析，查明了干气密封一级放空火炬滴油现象原因，并提出详细的解决方案及优化对策。干气密封系统是离心式压缩机安全运行的重要设备，在长期运行过程中，我们应当做好如下工作：①定期检查干气密封系统中的过滤设备，保障密封气及隔离气的干洁度；②润滑油的喷射角度及回油能力对干气密封的污染有重要影响，合理的设计或有效的防护措施，可以保护干气密封不受污染，提升使用寿命，降低维保成本；③在设备运行过程中要善于总结，查找问题根源，才能对系统优化及提升运行平稳性起到帮助作用。