催化裂化裝置富氣壓縮機干氣密封優化改造

席歡歡，韓晨陽，馮蕾博

[陜西延長石油（集團）有限責任公司延安煉油廠聯合一車間，陜西延安 727406]

1 前言

干氣密封是從20世紀60年代末期開始進入大家的視線，它是在氣體潤滑軸承的基礎上發展起來的一種非接觸型密封。干氣密封的結構類型與機泵上使用的機械密封較為相似，最大的不同就是干氣密封的某一個密封環上有均勻分布的淺槽，機組運行時氣體進入淺槽中受到壓縮，并在兩個密封環中間形成局部的高壓區，使兩個密封面分離，從而達到能在非接觸的狀態下運轉，從而實現密封的作用[1-2]。

陜西延長石油（集團）延安煉油廠100萬t/a 催化裂化裝置所用富氣壓縮機K-301采用日本EBARA公司產品，型號為38M7I，機組是以蒸汽為動力的汽輪機帶動離心式壓縮機對介質做功，生產重要程度要求很高，且工藝介質為富氣，屬于易燃易爆介質，危險性極大。該壓縮機自1998年以來，采用約翰克蘭公司的串聯式干氣密封，串聯式干氣密封平均使用壽命為3 ～5 a。但是在運行過程中也存在較多的問題，1999年，因為干氣密封系統原因造成富氣壓縮機停機的次數達到驚人的4次。經過多年來探索及改進，雖然情況有所好轉，但干氣密封系統故障依然頻發。為確保富氣壓縮機的運行可靠性，必須對原有干氣密封進行優化，以提高設備的運行可靠性，通過對比不同結構的干氣密封形式，雙端面式干氣密封結構形式更適合現有設備運行工況。

2 串聯式干氣密封

2.1 串聯式干氣密封結構

串聯式干氣密封就是將兩套單端面干氣密封按照同一方向首尾相連組成的一套密封[3]。它與單端面干氣密封結構類似，主要以催化吸收干氣作為主密封氣。如圖1所示，這種干氣密封結構適用于工藝介質干凈且少量工藝介質允許泄漏到大氣中的情況，例如化工企業所用的氫氣壓縮等設備。

圖1 串聯式干氣密封結構

富氣壓縮機采用的串聯式干氣密封端面的氣體槽采用單旋向槽型。對于單旋向槽型就是只有按照正確的方向旋轉才可產生開啟力，若機組反轉則不會產生開啟力，從而導致兩個密封環直接接觸，使得密封損壞，因此對干氣密封的安裝方向有嚴格的要求。

2.2 干氣密封控制系統

干氣密封控制系統采用獨立的干氣密封站進行完成。第一級密封的緩沖氣經過3 μm 級的過濾器過濾后，再經過減壓閥減壓進入密封腔內，減壓閥主要用來控制緩沖氣的壓力，使得緩沖氣的壓力高于密封腔內介質壓力的100 kPa 左右。緩沖氣進入密封腔后（如圖1），絕大部分經梳齒密封進入密封腔內，與被壓縮的工藝介質混合，剩余少量的氣體進入動靜兩個密封端面之間，在動靜密封面之間形成穩定的氣膜，達到密封的作用。從這里排出的少量氣體流經孔板被輸送到火炬系統中進行燃燒，在孔板前設置壓力監測，根據壓力大小來判斷第一級密封是否運行正常，并在此設聯鎖停機值。第二級密封則是作為備用密封，當第一級密封發生泄漏時，第二級密封可在短時間內發揮作用。在第二級密封環外側設置迷宮密封，在此控制吹入一定量[25 m3（標）/min]的凈化空氣，起隔離作用，從而阻斷潤滑油進入干氣密封中去，污染干氣密封，導致密封壽命降低，也起到阻斷緩沖氣進入軸承箱的作用。

2.3 串聯式干氣密封故障分析

2.3.1 干氣密封一級排氣壓力高

干氣密封一級排氣壓力高有兩方面因素造成，一是由于富氣壓縮機輸送的富氣中含有較多雜質，介質中的細微顆粒物進入密封腔內，然后被帶入動靜密封面內，使氣膜不能形成或形成的氣膜不穩定，從而使得第一級密封發生短暫失效，造成大量工藝氣體泄漏至火炬線，造成一級排氣壓力升高，這是主要原因，在以往富氣壓縮機運行過程中，每個周期都會出現此類情況。二是干氣密封一級排氣與火炬系統連接，容易受后路火炬系統內壓力影響，一級排氣背壓高，不利于密封環中氣膜的形成。

2.3.2 檢修質量影響干氣密封的運行可靠性

由于壓縮機干氣密封的氣體槽采用單旋向槽型，必須在正確的旋向下干氣密封才能正常使用，且富氣壓縮機在驅動端和非驅動端各設置一套干氣密封，面對面安裝，旋向正好相反，這就導致干氣密封有裝反的風險，從而影響富氣壓縮機的正常開機，并導致干氣密封損壞。例如，2017年6月，富氣壓縮機在裝置大檢修完成開機時，發現密封失效，排查原因為干氣密封裝反，導致損壞兩套干氣密封，富氣壓縮機推遲兩天開機的情況發生。

2.3.3 環境污染

一是串聯式干氣密封一級排氣與火炬系統連接，泄漏出的富氣進入火炬系統，增加了火炬系統的碳排放量；二是二級密封泄漏出的工藝氣體直接排入大氣，造成環境污染。因此，串聯式干氣密封已經不能和目前的環保政策相匹配，必須進行改造。

3 雙端面式干氣密封

3.1 雙端面式干氣密封結構

近年來，隨著安全環保的要求越來越嚴格，針對類似于液化氣介質的密封泄漏要求也越來越嚴格。因此，催化裂化裝置富氣壓縮機干氣密封不允許工藝氣體向大氣泄漏，通過對比各種類型的干氣密封結構，雙端面干氣密封正是有這方面的優勢。

顧名思義，雙端面式干氣密封就是將兩套單一的干氣密封按照面對面的方式進行安裝，一個雙端面干氣密封設置有兩個獨立的動環，它不需要與火炬系統相連。雙端面干氣密封與串聯式干氣密封相比，主要不同在于雙端面干氣密封首先將過濾減壓后的氮氣引入干氣密封第一級密封腔內，作為緩沖氣用來阻斷工藝介質與干氣密封面的直接接觸，防止工藝介質污染密封面而造成密封面夾雜失效。另一路氮氣則引入第一級和第二級密封之間作為主密封氣，由于主密封氣壓力比緩沖氣壓力高0.2～0.3 MPa，機組在運行時工藝介質不會通過密封泄漏至大氣，而主密封氣則始終會向工藝介質方向和大氣方向有少量泄漏，這就提高了干氣密封運行的可靠性[4]。

此外，為解決原干氣密封由于旋向錯誤造成干氣密封失效的問題，通過對比單向槽型和雙向槽型的優缺點，由于雙旋向槽型適用于工藝氣體壓力低，機組轉速高的情況，它不受設備旋轉方向影響，因此決定使用雙向槽型。

3.2 控制系統

雙端面式干氣密封同樣由集中的干氣密封站完成，具體流程如圖2所示。

圖2 干氣密封流程圖

（1）主密封進氣流程：0.5 MPa（G）低壓氮氣（或1.5 MPa（G）中壓氮氣），經過減壓閥 PCV-521減壓至0.45 MPa（G）后，經過濾器 F1、F2(或 F3、F4)過濾達到1 μ 精度，然后分為四路，其中兩路作為主密封氣，分別經流量計FT-523、FT-524 進入非驅動端、驅動端主密封腔[5]。壓縮機高速運轉時，憑借動環端面上的螺旋槽的泵送作用，使得主密封氣打開動靜密封端面，同時起潤滑、冷卻端面作用[6]。一套主密封氮氣的正常消耗量大約為1 m3（標）/h[7-8]。

（2）緩沖氣流程：經過濾器 F1、F2( 或 F3、F4)過濾后的另兩路作為緩沖氣，分別經孔板組件SO3、SO4 限流后進入非驅動端、驅動端前置密封腔。進入前置密封腔經過內過濾后的氣體，主要是防止機內介質氣污染密封端面[7]，一套密封正常工況下消耗前置緩沖氣7 m3（標） /h（注：由于無法獲取機組前置迷宮參數，前置緩沖氣消耗量為按軸徑估算值）。

（3）隔離氣流程：正常運行時采用經減壓閥PCV-521減壓后的氮氣，經過濾器 F5（或F6）過濾達到 1 μ 精度，分為兩路作為后置隔離氣，分別經孔板組件 SO1、SO2 限流后進入非驅動端、驅動端后置密封腔。進入后置密封腔體內的氮氣通過迷宮后經軸承放空口放空，這部分氣體主要是防止潤滑油污染密封端面[8]。限流孔板組件SO1、SO2 控制氮氣的消耗量[5]，一套后置密封氣體消耗量約為22 m3（標） /h。0.5 MPa（G） 儀表風作為備用后置隔離氣，流程同上[4]。

主密封氣與緩沖氣的差壓PDT-522A/B 差壓變送器用來測量驅動端主密封氣與緩沖氣的差壓，差壓正常值高于0.2 MPa，開車前高于0.11 MPa 時允許開車；報警值0.1 MPa，聯鎖值0.05 MPa，采用二取二聯鎖停機。

4 改造效果評價

通過前期分析論證，干氣密封系統改造項目自2019年開始，于2020年4月裝置大檢修期間實施，通過理論與實踐相結合，雙端面式干氣密封系統具有以下優勢：

1）與原串聯密封相比，改造雙端面式干氣密封工程量小，只需將原有一級排氣改成現有主密封氣進氣，工期較短；

2）改造后的干氣密封，緩沖氣和主密封氣使用氮氣，工藝氣達到零泄漏，且由于緩沖氣和主密封氣的保護作用，工藝氣不會接觸密封端面，可以防止雜質進入污染密封面；

3）改造后干氣密封為雙旋向，安裝簡單，杜絕因為人為安裝因素導致密封裝反的情況發生。

4）工藝氣不會進入火炬系統及大氣中，減少碳排放及大氣污染。

5 總結

富氣壓縮機干氣密封改造后，機組于2020年5月份開機一次成功，介質2023年4月運行良好。雙端面式干氣密封的成功應用，減少了因干氣密封原因導致的非計劃停機事件發生的問題，提高設備運行可靠性，為裝置長周期運行提供保障，減少了工藝氣向大氣和火炬系統的排放，降低了碳排放及環境污染，也為公司同類型機組的密封改造提供了可借鑒的經驗。