乙烯制冷压缩机高压缸非驱动端干气密封运行问题

王培歌,刘洋

(中韩(武汉)石油化工有限公司发展技术部,湖北 武汉 430082)

武汉80万t/a乙烯是采用国内具有自主知识产权ST技术的首套装置,乙烯热泵/制冷压缩机K-601(“以下简称K-601”)是蒸汽透平驱动的四段离心式压缩机系统,乙烯精馏塔与乙烯制冷压缩机组成开式热泵系统,它提供-62,-80,-101 ℃三个冷冻级位。

1 K-601干气密封系统简介

2020年乙烯装置脱瓶颈改造中,K-601压缩机干气密封系统对更换为福斯流体控制有限公司(福斯公司)干气密封。

该干气密封本体采用带中间迷宫的串联集装式干气密封,隔离密封为迷宫密封,旋转方式为双向旋转,干气密封最高工作压力至少为滞止压力。

密封本体的主要部件为:动环(材料为碳化硅)、静环(材料为特种石墨)、密封圈(材料为氟橡胶/PTFE)、静止/旋转金属件(材料为1.4313)、弹簧(材料为哈氏合金C)等。

压缩机配独立的干气密封控制盘,以及密封器正常用压缩机出口气(17 ℃,1.79 MPaG),当压缩机出口压力低时自动切换中压氮气(2.5 MPaG)。

低压缸一级密封气供气配差压调节阀,取主密封气与平衡管差压及主密封气的差异值低选后做参考自动调节。高压缸一级密封气配差压调节阀,区主密封气与平衡管压差自动调节。火炬背压正常0.02 MPaG,最大0.05 MPaG。二级密封气和隔离气采用低压氮气(0.6 MPaG),二级密封气配自力式减压阀控制,两端配流量变送器。隔离气配自立式减压阀控制,配压力变送器和限流孔板。一级密封气泄漏气两端配一个压力变送器和三个流量变送器(见图1～2)。

图1 乙烯压缩机K-601低压缸干气密封系统

图2 乙烯压缩机K-601高压缸干气密封系统

每套密封性能指标见表1。

表1 乙烯压缩机K-601干气密封指标

2 K-601干气密封运行情况和处理过程

乙烯压缩机K-601在2020年脱瓶颈改造更换干气密封投用运行后,整体上运行较为平稳。但2022年7月26日和10月4日,高压缸非驱动端干气密封一级密封气泄漏量出现增大现象。

2.1 2022年7月26日运行情况及处理过程

2.1.1 运行情况

2022年7月26日5∶10,高压缸非驱动端干气密封泄漏流量由原来的12.5 Nm3/h增大到15.3 Nm3/h,二级密封气进气量由9.86 Nm3/h降至8.23 Nm3/h(图3):

图3 2022年7月26日K-601高压缸非驱动端一级密封气泄漏情况

2.1.2 处理过程

经检查发现:2022年7月26日,由于天降大雨,二级密封气低压氮气温度出现下降,非驱动端一级密封气泄漏量出现增大(图4)。

图4 一级密封气泄漏流量与二级密封气温度关系

处理过程:对二级密封气过滤器进行切换,更换新的滤芯(图5);一级密封气入口过滤器增加电伴热,伴热带功率为50 W/m,实测温度21 ℃(图6)。

图5 二级密封气过滤器更换滤芯

图6 一级密封气过滤器增加电伴热

2.2 2022年10月4日运行情况及处理过程

2.2.1 运行情况

2022年10月4日凌晨1:10高压缸非驱动端泄漏流量增大到19.6 Nm3/h,二级密封气降至最低4.53 Nm3/h(图7)。

2.2.2 处理过程

考虑2022年10月4日天气气温变化较大(32 ℃降至14 ℃),由将一级密封气盘站至缸体增加临时蒸汽伴热,泄漏流量降低至17.6 Nm3/h,二级密封气流量4.53 Nm3/h增大至7.23 Nm3/h(图8)。

图8 一级密封气盘站至缸体增加临时蒸汽伴热

3 原因分析

3.1 密封气不干净、不干燥影响

影响干气密封泄漏量上升的主要因素为密封气不干净、不干燥。这两点会对干气密封产生致命的影响。

密封气带液或带杂质主要对动静环端面造成磨损,影响气膜的建立。同时杂质还会对干气密封的动态密封组件造成破坏,即使动静环气膜还在,密封气也有可能从动态密封组件处泄漏出去。

针对中韩石化乙烯压缩机高压缸的非驱动端的泄漏曲线图(图9),经联系福斯公司,以福斯公司的经验判定,动静环和动态密封组件没有破坏,给出理由如下。

图9 高压缸非驱动端一级干气密封泄漏曲线图

如果密封气带液或带杂质,破坏了动静环端面,一般直观的体现为泄漏曲线会出现瞬间的降低(因为气膜的消失,动静环会在一瞬间内贴合在一起,泄漏量会突然降得很低)后立即升高。从目前的曲线图上未发现泄漏量瞬间降低的现像。

(1)排除了密封气带液或带杂质的因素,我们也可以排除动态密封组件失效的情况。如果动态密封组件失效,泄漏量也会瞬间上升,而且是不可逆的。

(2)液体或颗粒物对密封端面及动态密封未造成破坏,不代表未污染动态密封组件。

若密封气存在细微的杂质颗粒物,经过长时间的运行,杂质颗粒物可能会堆积在动态密封组件处。K-601机组干气密封的动态密封组件采用的是PTFE J-ring形式,可以有效的抵抗杂质颗粒物的污染,但是由于杂质颗粒物的累计,会增加动态密封组件的滑移摩擦系数,影响轴向运动,导致静环面不能及时补偿,远离动环,造成泄漏量升高。

3.2 密封气温度影响

密封气的温度也会影响一定的泄漏量,气体的粘度随温度的升高而增大,液体则反之(图10)。

图10 密封气泄漏质量与温度关系

由于非驱动端的密封靠近压缩机入口侧,密封气从盘站注入密封腔体,非驱动侧的密封气受到压缩机入口侧工艺气温度的影响,实际注入密封端面的气体温度低于驱动侧。

非驱动侧的密封气温度低,气体的黏度也随之降低,在同样的供气压力下,流速必定加快,这就导致了泄漏量偏大。

4 下一步措施

(1)增加保温伴热措施,防止因环境温度或雨天大风等因素造成密封气温度再次降低影响泄漏量。

(2)增加强制加热功能,由于密封气的流速为25 m/s左右,伴热保温对密封气无实际加热功能,非驱动侧受压缩机入口侧工艺气温度的影响,福斯建议对密封气进行强制加热,以避免温度的影响。福斯专利的蒸汽加热器(图11),利用现场蒸汽对干气密封的一级密封气进行强制加热。该方案在乙烯压缩机现场,很难实现在线安装,在检修停机时安装强制加热装置。

图11 福斯公司专利蒸汽加热器

(3)如果泄漏量达到高报警值后且经过多次操作和评判均无法降低至高报警值以下后,福斯公司提供如下应急操作方案:

①对密封端面强制冲压:在一级泄漏达到高报时,观察泄漏曲线,如果没有瞬间下降后再升高的情况,可以尝试对一级密封端面进行反复冲压。

一般福斯干气密封的动静环开度为3～5 μm。非驱动端泄漏量升高,泄漏气体流速增大,动静环开度肯定高于驱动端。对密封端面反复冲压的目的是让动静环面恢复原本的开度。会后福斯提供密封端面强制冲压的注意事项。

② 福斯提供压缩机转速与密封泄漏量的计算书,用户可通过调节压缩机转速来调节动静环面的开度,最终来调整泄漏量。

注意事项:如转速降低,泄漏量有明显下降,则可以判定密封没有失效。反之,可判定干气密封已经失效。

(4)根据目前的运行数据,非驱动端密封的泄漏量并未达到高报警值,福斯公司在满足装置的安全运行前提夏,更新泄漏联锁值设定,目标设定值≤35 Nm3/h。

(5)考虑温度对泄漏量的影响,变更K-601干气密封一级主密封气气源,考虑引用外送乙烯管线(30 ℃,3.5 MPa)。

(6)要求对二级密封气放空处进行定期检测可燃气组分含量,进一步判断一级密封气泄漏组成和变化。

(7)对福斯公司工厂近期拆解相类似密封,到现场一起交流密封内部结构,进一步判断密封受损的位置,提供后期备件改造提供依据。

5 结语

当前在保证K-601安稳运行情况下,通过更换密封气滤芯、高压缸主密封气管线保温,在入口管线增加套管换热器,使得密封气管线温度稳定;将干气密封一级泄漏量联锁值由29 Nm3/h更改到33 Nm3/h;定期在二级密封气放空处,检测可燃气组分含量;变更一级主密封气气源,并制定干气密封检修更换方案等能够采取的系列措施,有效地缓解高压缸一级泄漏量增大趋势,避免了大机组停车。