□張燕莉 薛新巧 賈國棟
化工企業(yè)MTO裝置分別由甲醇制烯烴生產(chǎn)單元、烯烴分離生產(chǎn)單元兩部分組成,其中的甲醇制烯烴單元主要包括反應(yīng)再生系統(tǒng)及取熱系統(tǒng)、急冷和汽提系統(tǒng);烯烴分離單元中包括進料氣壓縮、廢堿液處理系統(tǒng)以及酸性氣體脫除單元,而其中的進料氣壓縮是非常重要的一個環(huán)節(jié)。MTO裝置的核心設(shè)備是離心式壓縮機組,當(dāng)壓縮機的故障原因造成停機時,會造成生產(chǎn)的被迫停止和巨大的能耗。離心式壓縮機主要的故障是干氣密封系統(tǒng)產(chǎn)生的故障,故障的產(chǎn)生不僅會產(chǎn)生部分裝置的停機,嚴重的會引起全系統(tǒng)的停車,給生產(chǎn)造成巨大的損失。因此離心式壓縮機稱為工廠的“心臟”,本文針對離心式壓縮機中干氣密封的故障原因分析、解決措施及技術(shù)改造對實際的問題進行了分析。壓縮機工藝流程如圖1所示。
圖1 MTO壓縮機工藝流程圖
MTO裝置壓縮機是多級式離心式壓縮機,壓縮機中間設(shè)有級間冷卻器。氣體反應(yīng)后經(jīng)過各級壓縮機、級間冷卻器以及級間緩沖罐進行反復(fù)壓縮,冷卻、冷凝達到汽-液分離的目的。干氣密封是20世紀60年代末建立在氣體的動壓軸承和機械密封的基礎(chǔ)上,對機械密封進行根本性改造而研發(fā)出的一種非接觸式密封,實際上就是通過在機械密封上增加了一條動壓槽以及輔助系統(tǒng),從而實現(xiàn)了端面密封的目的。在英國的70年代末期,約翰克蘭公司率先在海洋平臺的氣體壓縮機輸送設(shè)備上使用干氣密封并獲得了成功,解決了高速多級離心式壓縮機易泄漏的問題,將軸向密封改造為軸端密封,而且密封面屬于非接觸式運行,因此密封的摩擦副所使用的材料不受PV值所限,因此特別適合作為高速及高壓設(shè)備的軸端密封裝置。干氣密封原理如圖2所示。
圖2 干氣密封原理圖
寧夏寶豐能源集團烯烴項目中的MTO裝置為三段式離心式壓縮機,采用干氣密封作為離心式壓縮機的軸端密封,采用Flowserve公司生產(chǎn)的單旋向螺旋槽串聯(lián)干氣密封,從而達到密封的目的。
離心式壓縮機組因蒸汽系統(tǒng)問題造成停車,經(jīng)過大于8min的時間壓縮機組的轉(zhuǎn)速降至0rpm,而此時壓縮機的非驅(qū)動端干氣密封第一級密封氣體排放壓力顯示為12kpa左右。
干氣密封主密封段排放壓力觸發(fā)了排放壓力低聯(lián)鎖值,因此無法再次啟動壓縮機組。在第二級密封進氣流量相同的情況下,非驅(qū)動干氣密封的第一級排放壓力達到0.01MPa,此時與驅(qū)動端的壓力相差比較多,當(dāng)離心式壓縮機停車的時候,驅(qū)動端的干氣密封的各個參數(shù)均顯示為正常。第一級排放的氣體的成分主要為二級進入的氣體。在保證干氣密封驅(qū)動端以及干氣密封非驅(qū)動端二級供汽流量均達到25kg/h,對于干氣密封第一級的排放口處進行檢查,此時干氣密封非驅(qū)動端的以及排放口無氣體排出,但是第二級干汽密封排放口氣體的排放量大約為干氣密封驅(qū)動端二級密封氣體排放量的兩倍。因此初步分析得出離心式壓縮機干氣密封非驅(qū)動端已損壞。經(jīng)過對干氣密封進行解體后發(fā)現(xiàn),干氣密封損壞主要發(fā)生在密封部件,且損害嚴重。
干氣密封工作原理是采用一種潤滑氣膜流體的動環(huán)、靜環(huán)相結(jié)合的非接觸式的機械密封和氣體的阻塞密封的結(jié)合體。在動環(huán)的表面上通過精加工出一條直線或螺旋槽并進行研磨并拋光處理,槽深大概為2.5μm~10μm,螺旋槽一般為對數(shù)螺旋線。在靜止不動時,動靜環(huán)是相對靜止的,靜環(huán)在靜壓力和彈性元件的彈力作用下將靜環(huán)貼緊在動環(huán)上。在設(shè)備運行狀態(tài),沿著動環(huán)旋轉(zhuǎn)的方向,密封氣體流經(jīng)螺旋槽,在被壓縮時又收到密封堰的阻擋,氣體的壓力逐漸升高從而將動靜環(huán)推開,這部分力成為開啟力,作為流體的動壓力。干氣密封故障原因產(chǎn)生有以下幾種。
(一)離心式壓縮機如果發(fā)生緊急停車。離心式壓縮機如果發(fā)生緊急停車,在制動時會引起系列故障。在制動時會引起軸向推力的增加,勢必會造成壓縮機推盤上的鎖定螺母和離心式壓縮機上的止推軸承損壞,壓縮機上的止推軸承會承受巨大的負荷,增加的軸向推力部分又會反作用在壓縮機內(nèi)部的各個部件,使干氣密封系統(tǒng)損壞。
式中,Ds——葉輪輪蓋的直徑,單位為m
Dm——葉輪入口輪轂的直徑,單位為m
di——葉輪隔板密封處直徑,單位為m
Po——葉輪入口處的壓力,Pa
式中,Ds——葉輪輪蓋的直徑,單位為m
P2——葉輪出口的壓力,單位為Pa
dm——葉輪入口輪轂的直徑,單位為m
di——葉輪隔板密封處直徑,單位為m
Po——葉輪入口處的壓力,Pa
大致近似取Ds=dm=di,推導(dǎo)出P單(單個葉輪產(chǎn)生的軸向推力)
C.平衡盤的軸向力計算:
式中,Dp1——壓縮機平衡盤輪轂直徑,單位為m;Dp2——壓縮機平衡盤外徑,單位為m
P1——平衡盤后壓強,單位為Pa;P2——平衡盤前壓強,單位為Pa
根據(jù)計算結(jié)果進行比較分析,離心式壓縮機產(chǎn)生故障后,由于壓縮機的平衡管的堵塞會造成軸向推力的增加,如果在離心式壓縮機正常運行時不會出現(xiàn)太多的問題,但是如果一旦離心式壓縮機發(fā)生了聯(lián)鎖跳車,會增加更多的軸向力,這樣將會對離心式壓縮機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)造成巨大的損害。
離心式壓縮機的主要部件高壓缸上的止推軸承的設(shè)計負荷較大,當(dāng)壓縮機發(fā)生跳車時,轉(zhuǎn)子的負荷會產(chǎn)生較大的變化,造成軸向推力的增加。軸向推力的增加,勢必會造成壓縮機內(nèi)部的止推軸承內(nèi)部損壞,止推軸承內(nèi)部瓦塊中的最小油膜會在軸向推力異常增加的過程中被破壞,由于摩擦產(chǎn)生的熱量極速增加,造成了止推軸承瓦塊的溫度急速升高,導(dǎo)致止推軸承的瓦塊磨損。壓縮機在發(fā)生因故障引起的跳車時也容易造成高壓缸止推軸承溫度瞬間上升,說明壓縮機跳車的瞬間產(chǎn)生了巨大的軸向力,同時也造成了止推盤上的鎖母發(fā)生變形,造成止推盤發(fā)生偏離。這時,過量的軸向推力將會造成離心式壓縮機轉(zhuǎn)子竄向高壓端,直接作用在干氣密封部件上,造成部件的損壞。干氣密封的過盈間隙的設(shè)計量為2.5mm,但是在當(dāng)離心式壓縮機出現(xiàn)故障時,間隙變?yōu)?.6mm,位移范圍大大超過了干氣密封允許的位移范圍。原因是離心式壓縮機在發(fā)生故障停車時,干氣密封承受了軸向推力的原因,受到了擠壓,內(nèi)部的動靜環(huán)受到了因軸向推力引起的擠壓。離心式壓縮機軸向推力增大,是因為高壓缸平衡盤的作用失效,因此造成高壓缸轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向推力過大所造成的干氣密封的損壞。要解決這個問題就要對離心式壓縮機平衡盤的平衡氣管線、返回氣、密封裝置等進行排查,找到問題的原因。同時,由于軸向推力造成止推盤的鎖母發(fā)生了形變,軸向位移設(shè)置的探頭的測點位置設(shè)在止推盤的外部,造成了止推盤的松動。
(二)MTO壓縮機組在一定轉(zhuǎn)速運行時,動靜環(huán)的閉合力與動靜環(huán)的開啟力之間應(yīng)達到一種平衡狀態(tài)。在動靜環(huán)之間可形成具有一定厚度和剛度的密封氣膜,達到穩(wěn)定運行的非接觸式密封。但是MTO壓縮機組停車的過程會存在倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,因此干氣密封動靜環(huán)的開啟力趨近于零,動環(huán)與靜環(huán)處于閉合的狀態(tài),動靜環(huán)之間缺乏減少摩擦的一定剛度的氣膜,會使動靜環(huán)直接摩擦造成損壞,從而使干氣密封發(fā)生泄漏。
(三)離心式壓縮機干氣密封的氣源必須保證足夠清潔。必須經(jīng)過高精度過濾后才可以使用,否則會造成密封氣源不清潔,過濾器遭到破壞,管網(wǎng)被腐蝕,造成大的顆粒物進入密封腔,導(dǎo)致密封面受到損壞;在開車時,要對針型閥的開度進行調(diào)整,氣源內(nèi)不可夾帶液體,否則會使過濾器的壓差快速增加。如果更換下來的濾芯發(fā)現(xiàn)有棕色的污漬或是水漬,就說明一次氣供氣氣源夾帶液體且不潔凈。
(四)由于安裝人員在安裝期間操作不當(dāng),導(dǎo)致密封面受到一定的污染。由于介質(zhì)中存在輕烴的組分,在冷卻后形成凝液,當(dāng)離心式壓縮機高速運轉(zhuǎn)的時候,如果液滴發(fā)生了液化或者汽化,或者是烴類產(chǎn)生了炭化,都會造成密封面的動環(huán)與靜環(huán)之間氣膜厚度的破壞,對密封面的剛性氣膜產(chǎn)生影響,從而失去密封效應(yīng),造成密封面的干摩擦,直接接觸會造成巨大的摩擦熱的產(chǎn)生,熱量無法在短時間散去,造成密封面的動靜環(huán)發(fā)生變形,密封失效,直接導(dǎo)致泄漏或者引發(fā)火災(zāi)事故、爆炸等,造成重大的經(jīng)濟損失。
(五)密封系統(tǒng)的不穩(wěn)定,也會造成干氣密封系統(tǒng)失效。離心式壓縮機在運行時較易發(fā)生喘振的現(xiàn)象,壓縮機的喘振會造成工藝氣的流量振動,使工藝參數(shù)受到影響而產(chǎn)生波動,使密封系統(tǒng)受到干擾,導(dǎo)致干氣密封失效。當(dāng)出現(xiàn)此類故障,要全面檢查密封系統(tǒng),通常如果沒有發(fā)生嚴重的損壞,不需要更換新的零件,進行修復(fù)即可二次使用。
(六)隔離氣要在加入潤滑油之間切斷,以免操作不當(dāng)潤滑油進入密封面。在離心式壓縮機正常的操作情況下,隔離氣要求在加入潤滑油之間就進行切斷,如果操作的不正確會發(fā)生潤滑油進入密封面的現(xiàn)象,造成密封面污染,如果出現(xiàn)這個現(xiàn)象,需要拆除密封原件,進行更換。更換后檢測壓縮機組缸體,如果沒有問題,可以重新啟動干氣密封系統(tǒng),對于拆除的受到污染的干氣密封原件,需要進行維修,以便二次使用。
(七)干氣密封面的干摩擦?xí)?dǎo)致泄漏。如果平衡管出現(xiàn)了問題,一次氣的供氣壓力主要取決于壓縮機平衡盤腔室內(nèi)壓力的大小。當(dāng)離心式壓縮機高壓缸轉(zhuǎn)子的平衡盤位于非驅(qū)動端時,為保證密封氣體的供氣壓力,必須保證平衡管上端的進氣壓力大于下端的進氣壓力,才能使壓縮機兩端的供氣要求達到要求。如果高壓缸軸向力的平衡系統(tǒng)出現(xiàn)了故障,在運行過程中,平衡管的壓差過大,密封面無法正常打開,使動靜環(huán)之間無法形成一定剛度的氣膜。當(dāng)壓縮機干氣密封的供氣壓力差降到0時,不但無法形成一定剛度穩(wěn)定的氣膜,甚至還會造成壓縮機缸體內(nèi)部工藝氣體的壓力高于干氣密封氣腔室的壓力,造成工藝氣體反流。
(八)密封氣的氣源中斷造成的密封失效。這類故障較少出現(xiàn),壓縮機單元工作異常,蓄能器也出現(xiàn)問題的情況下,最終造成密封氣的氣源被迫中斷,動靜環(huán)的密封面無法形成氣膜,進而造成干摩擦,導(dǎo)致密封失效。
(九)操作失誤造成密封失效。在正常運行一段時間之后,各級參數(shù)會處于比較穩(wěn)定的狀態(tài),但是依然會發(fā)生DCS報警。在經(jīng)過認真分析后得出結(jié)論,干氣密封一級密封泄漏量出現(xiàn)了波動。離心式壓縮機在停車后,由于一次密封氣的供氣來自于壓縮機出口氣體或者是備用氣源,中途可能會出現(xiàn)供氣的中斷。壓縮機裝置停車一般都伴隨火炬氣的放空,火炬管網(wǎng)內(nèi)壓力大大高于干氣密封一次氣排放時的壓力。在一次氣排放的掛線單向閥泄漏的狀況下,火炬的放空氣可能會發(fā)生回流的現(xiàn)象。回流時攜帶管道中的雜質(zhì)、水分等,流到干起密封腔中造成干氣密封的動靜環(huán)中進入雜質(zhì),發(fā)生磨損。針型閥開度不夠大,干氣密封在放火炬時排放的不及時,導(dǎo)致干氣密封密封腔內(nèi)的壓力增高,并最終造成聯(lián)鎖故障情況出現(xiàn)。
在停產(chǎn)檢修時對離心式壓縮機的出口止回閥進行檢修或更換,確保其在壓縮機組停車時不發(fā)生泄漏的情況;將干氣密封的動環(huán)的密封槽的形式進行改進,改為T型槽,保證壓縮機組在正向或是反向運轉(zhuǎn)時動靜環(huán)之間能夠始終形成一定壓力的穩(wěn)定的氣膜,避免造成動靜環(huán)直接進行接觸發(fā)生磨損的現(xiàn)象。要確保壓縮機進氣的質(zhì)量,控制好密封氣的壓力差,從而避免干氣密封發(fā)生泄漏及干磨的情況。在設(shè)備正常運行期間,要關(guān)注干氣密封相關(guān)參數(shù)的變化情況,分析判斷干氣密封存在的故障隱患,找到合理的解決方法。做好記錄,發(fā)現(xiàn)干氣密封系統(tǒng)運行的規(guī)律,研究干氣密封的操作,調(diào)試工況至正常范圍,能夠降低離心式壓縮機出現(xiàn)干氣密封泄漏的概率,保證壓縮機組可以長周期穩(wěn)定的運行,減少維修量,提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。
通過離心式壓縮機干氣密封故障產(chǎn)生的原因進行分析,研究了壓縮機轉(zhuǎn)速、供氣溫度及供氣壓力對密封氣壓力的影響,深入地分析了干氣密封系統(tǒng)在運行過程中的影響因素,為下一步干氣密封的技術(shù)分析和改造提供了依據(jù)。