離心空壓機(jī)啟動(dòng)干氣密封系統(tǒng)干磨現(xiàn)象及危害分析
1、引言
離心式壓縮機(jī)的密封分內(nèi)密封、外密封兩種。內(nèi)密封的作用是防止氣體在級(jí)間倒流，如輪蓋處的輪蓋密封，隔板和轉(zhuǎn)子間的隔板密封;外密封的設(shè)置是為了減少和杜絕機(jī)器內(nèi)部的氣體向外泄漏，或外界空氣竄入機(jī)器內(nèi)部，如機(jī)器端的密封。即是迷宮密封和干氣密封。
目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)長(zhǎng)輸管道壓氣站壓縮機(jī)都采用干氣密封作為主要密封系統(tǒng)。干氣密封主要有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)端面非接觸，使用壽命較長(zhǎng)，并且具有很高的可靠性;(2)密封時(shí)的功耗低，對(duì)于節(jié)約能源具有重要意義;(3)不需要龐大的密封油系統(tǒng)，占有空間小;(4)對(duì)工藝回路的污染小;(5)運(yùn)行和日常維護(hù)成本低。
2、干氣密封
干氣密封組件安裝在轉(zhuǎn)子上，機(jī)組運(yùn)行時(shí)隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，故靜環(huán)、動(dòng)環(huán)端面均為環(huán)形平面。如圖5示，當(dāng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，將密封氣周向吸入螺旋槽內(nèi)，由外徑朝向中心，徑向方向朝著密封堰流動(dòng)，而密封堰起著阻擋氣體流向中心的作用，于是氣體被壓縮引起壓力升高，此氣體膜層壓力企圖推開(kāi)密封，形成要求的氣膜。此平衡間隙或膜厚h典型值為3。這樣，被密封氣體壓力和彈簧力與氣體靜力荷載達(dá)到力平衡，使氣膜具有良好的彈性即氣膜剛度高，形成穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)并防止密封面相互接觸，同時(shí)具有良好剛度的氣膜可有效的阻止介質(zhì)的泄漏。另外，由于氣膜厚度非常小，泄漏出的氣體量也非常小。
3、氣質(zhì)條件
目前澀寧蘭干氣的供給途徑有3種來(lái)源：
(1)壓縮機(jī)出口匯管;
(2)備用氮?dú)庀到y(tǒng);
(3)機(jī)組正常啟動(dòng)之后，來(lái)自空壓機(jī)出口處。
以上3種氣體任意一種氣體在干氣密封流程中依次通過(guò)干氣密封過(guò)濾器、加熱器、調(diào)壓閥，然后進(jìn)入到壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端干氣密封組件。另外，在加熱器之后加裝保溫層和電伴熱，目的是保持干氣溫度防止液態(tài)物質(zhì)析出破壞干氣密封系統(tǒng)。
4、干磨故障
干磨現(xiàn)象多發(fā)于啟機(jī)階段，同時(shí)如果干磨現(xiàn)象不在短時(shí)間內(nèi)消除，極易引發(fā)干氣密封進(jìn)出口排氣壓差低，最終導(dǎo)致停機(jī)。
在壓縮機(jī)啟機(jī)進(jìn)出口還未建立壓差時(shí)(即：壓縮機(jī)處于空載狀態(tài)，對(duì)天然氣沒(méi)有起壓縮作用)，此時(shí)干氣密封系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，而此時(shí)干氣氣源來(lái)自于壓縮機(jī)出口和出口匯管，在經(jīng)過(guò)圖2的流程之后，干氣進(jìn)入到壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)端與非驅(qū)動(dòng)端的A口(干氣進(jìn)口孔)，進(jìn)而開(kāi)始工作。此時(shí)，在工藝氣與干氣的迷宮密封交匯處，不存在壓差的關(guān)系(迷宮密封右側(cè)工藝氣為來(lái)自平衡管天然氣，壓力為壓縮機(jī)進(jìn)口壓力)，存在著工藝氣向干氣方向溢流的現(xiàn)象或者是干氣全部流向壓縮機(jī)內(nèi)部(這種現(xiàn)象不會(huì)因?yàn)闅赓|(zhì)差把雜質(zhì)帶入干氣密封)。另外，調(diào)壓閥的作用只能是向低的方向調(diào)壓，如圖3所示。
同時(shí)，由于壓差未建立，導(dǎo)致在動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間由于壓力的關(guān)系無(wú)法建立，使得彈簧的彈力和流體的靜力荷載把靜環(huán)壓在動(dòng)環(huán)上，在這一段時(shí)間之內(nèi)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)一直處于接觸狀態(tài)，在機(jī)組啟機(jī)到壓差建立的這段時(shí)間內(nèi)，動(dòng)環(huán)的旋轉(zhuǎn)與靜環(huán)的接觸是沒(méi)有間隙的，也就是干磨狀態(tài)，如圖4所示。如圖5所示，當(dāng)壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，這種狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重地?fù)p壞動(dòng)環(huán)上的凹槽，凹槽的深度達(dá)不到產(chǎn)生足夠氣膜的要求，使得動(dòng)靜環(huán)之間密封失效，最終導(dǎo)致干氣密封系統(tǒng)失效。另外一方面，由于工藝氣的竄入，可能會(huì)帶入一些固體顆粒、液態(tài)烴類，這也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)之間的密封損壞，達(dá)不到最終的密封效果。但是，這種干磨的情況會(huì)在機(jī)組啟動(dòng)之后消失，也就是壓縮機(jī)進(jìn)出口壓差建立，干氣壓差建立的時(shí)候。
5、危害分析
根據(jù)干磨現(xiàn)象分析，得出以下幾種常見(jiàn)故障。
5.1 倒流現(xiàn)象
倒流現(xiàn)象指的是工藝氣竄入到干氣密封系統(tǒng)中，產(chǎn)生一定破壞的現(xiàn)象。在壓縮機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，由于密封管線充壓速度略低于壓縮機(jī)殼體內(nèi)的充壓速度，會(huì)造成壓縮機(jī)殼體內(nèi)的氣體通過(guò)迷宮密封倒流到干氣密封裝置區(qū)域，工藝天然氣中未經(jīng)過(guò)濾的雜質(zhì)也可能隨倒流的天然氣進(jìn)入干氣密封裝置。從圖1來(lái)看是圖右側(cè)的工藝氣在壓力差的作用下經(jīng)過(guò)迷宮密封，進(jìn)入到干氣密封系統(tǒng)。長(zhǎng)期多次對(duì)干氣密封裝置的污染，導(dǎo)致其最終失效。
5.2 干氣密封進(jìn)出口排氣壓差低報(bào)警
在機(jī)組正常帶載之后，干磨現(xiàn)象會(huì)因?yàn)閴翰畹慕⒅饾u消失。在機(jī)組控制系統(tǒng)中，帶載之后允許一段時(shí)間的壓差建立(正常情況下進(jìn)出口排氣壓差在300 kPa左右)，超過(guò)這段時(shí)間如果還沒(méi)有建立壓差有可能引起報(bào)警停機(jī)。這也是干磨造成的一個(gè)較大影響。
5.3 排氣量增加、內(nèi)部雜質(zhì)變多
排氣量增加和雜質(zhì)的增多都是因?yàn)榈沽鞯脑颉?duì)于排氣量，正常情況下一次排氣流量驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端都應(yīng)該小于7kg/h，壓力小于300kPa。
在倒流發(fā)生時(shí)，工藝氣竄入干氣密封系統(tǒng)腔體內(nèi)部，干氣也在進(jìn)氣，此時(shí)二者壓差相差不大，排氣口只能是從動(dòng)靜環(huán)之間，即使現(xiàn)在是干磨狀態(tài)，也會(huì)因?yàn)閴毫^高，大量氣體從動(dòng)靜環(huán)之間流走，導(dǎo)致排氣量顯著增加。一旦一次排氣量超過(guò)停機(jī)值，將會(huì)發(fā)生停機(jī)報(bào)警，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。
對(duì)于內(nèi)部雜質(zhì)增多，主要是由于氣質(zhì)原因，工藝氣竄入干氣密封系統(tǒng)內(nèi)部，將雜質(zhì)也一并帶入到干氣密封系統(tǒng)內(nèi)部，在拐角處、細(xì)縫處這些雜質(zhì)就會(huì)聚集。長(zhǎng)此以往，雜質(zhì)越積越多，最終會(huì)使得動(dòng)環(huán)凹槽被填滿，整個(gè)腔體內(nèi)部被填滿，干氣通過(guò)能力大大降低。
5.4 干氣密封系統(tǒng)損壞
較以上兩種現(xiàn)象，最為嚴(yán)重的結(jié)果就是干氣密封系統(tǒng)的損壞。
對(duì)于干磨現(xiàn)象，導(dǎo)致干氣密封被損壞的直接原因就是動(dòng)靜環(huán)直接接觸磨損，導(dǎo)致動(dòng)環(huán)表面的凹槽被磨平。在正常干氣密封擺脫干磨狀態(tài)之后，會(huì)因?yàn)榘疾鄣娜笔?dǎo)致氣膜無(wú)法建立，無(wú)法起到密封作用。進(jìn)一步來(lái)講，如果氣膜無(wú)法建立，動(dòng)靜環(huán)之間就無(wú)法建立正常的平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致干氣的損壞。干磨無(wú)法避免，所以必須采取一定的方法避免干磨現(xiàn)象加劇。
對(duì)于倒流現(xiàn)象，最為直接的原因?qū)е赂蓺饷芊庀到y(tǒng)被破壞是干氣氣質(zhì)的原因。如果氣質(zhì)不干凈，雜質(zhì)較多，將會(huì)因?yàn)榈沽鳜F(xiàn)象將這些雜質(zhì)帶入到干氣密封系統(tǒng)的內(nèi)部，在拐角處、細(xì)縫處這些雜質(zhì)就會(huì)聚集，長(zhǎng)此以往，雜質(zhì)越積越多。最終會(huì)使得動(dòng)環(huán)凹槽被填滿，整個(gè)腔體內(nèi)部被填滿，干氣通過(guò)能力大大降低。所以這種破壞情況倒流是原因，氣質(zhì)不好是根本。
6、改進(jìn)措施
澀寧蘭整條線上的干氣都是直接采用工藝氣作為干氣氣源，由于青海氣田氣質(zhì)較好，如果倒流發(fā)生，即使是工藝氣竄入到干氣密封系統(tǒng)內(nèi)部，也不會(huì)產(chǎn)生較大的破壞。
這里需要注意是，如果因?yàn)闅馓镌O(shè)備原因，導(dǎo)致氣體處理不干凈，可能會(huì)因?yàn)楦赡ガF(xiàn)象存在，導(dǎo)致液態(tài)水、固體顆粒等進(jìn)入到干氣密封系統(tǒng)，整個(gè)干氣密封系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。下面就干磨等給出一些如下措施：
6.1 加載時(shí)間
機(jī)組正常啟機(jī)執(zhí)行啟機(jī)順序到加載這段時(shí)間都是一樣，無(wú)法改變，這一段時(shí)間干氣密封也正處于干磨狀態(tài)。在啟機(jī)準(zhǔn)備帶載時(shí)，使用自動(dòng)帶載方式，使壓縮機(jī)的負(fù)荷速度更快。在NGP達(dá)到85%左右，將加載方式由自動(dòng)改為手動(dòng)(有些設(shè)置自動(dòng)加載至85%)，這樣能夠有效縮短加載時(shí)間，有利于空壓機(jī)進(jìn)出口壓差能夠迅速建立。
6.2 啟機(jī)次數(shù)
為避免干氣密封系統(tǒng)出現(xiàn)以上的現(xiàn)象，減少啟機(jī)次數(shù)也是一個(gè)有效的措施。非計(jì)劃停機(jī)、非故障停機(jī)盡量減少啟機(jī)次數(shù)。同時(shí)，如果需要切換機(jī)組時(shí)，先讓備用機(jī)組啟機(jī)(運(yùn)行機(jī)組先不要卸載)，準(zhǔn)備帶載，這個(gè)過(guò)程保證了干氣密封干氣壓力高于平衡管壓力，干磨、倒流等現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生。待啟機(jī)成功準(zhǔn)備帶載時(shí)，先卸掉運(yùn)行機(jī)組負(fù)荷，然后停機(jī)，卸掉之后再讓備用機(jī)組帶載。首先保證機(jī)組不會(huì)因?yàn)榱髁啃“l(fā)生喘振現(xiàn)象;其次保證干氣密封氣源有足夠壓力。
6.3 西氣東輸經(jīng)驗(yàn)
相比于澀寧蘭，西氣東輸對(duì)干氣密封系統(tǒng)做了如下改進(jìn)：
(1)采用一個(gè)增壓裝置，在正常運(yùn)行時(shí)此增壓裝置不工作。在啟機(jī)時(shí)，投入使用，可以有效增加干氣壓差，保證在啟機(jī)階段也不會(huì)產(chǎn)生干磨現(xiàn)象;另外一方面，壓差的建立也不會(huì)產(chǎn)生倒流現(xiàn)象，可以有效的防止干氣密封系統(tǒng)因?yàn)闅赓|(zhì)差而被破壞。如圖6所示。
(2)設(shè)置單獨(dú)的氮?dú)飧蓺鈿庠?，氮?dú)庖彩窃趩C(jī)時(shí)使用，同時(shí)氮?dú)庖才鋫溆性鰤貉b置(或者氮?dú)鈮毫σ材軌驖M足干氣壓差的條件)，正常啟機(jī)之后，氮?dú)馔顺鍪褂茫に嚉鉃楦蓺鈿庠赐度胧褂谩?/p>
