往復(fù)壓縮機(jī)填料放空與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

1 引言

填料是往復(fù)壓縮機(jī)的重要密封元件，又是機(jī)組的易損部件。填料泄漏是機(jī)組運(yùn)行中不可避免的常見問(wèn)題。往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)填料泄漏的氣體必須設(shè)計(jì)放空系統(tǒng)，將泄漏氣體引至安全區(qū)或火炬系統(tǒng)放空[1-2]，但目前很少對(duì)填料的泄漏程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]，不能預(yù)知填料的維修和更換時(shí)間。為提高和完善往復(fù)壓縮機(jī)工作的自動(dòng)化程度，保障壓縮機(jī)的安全高效運(yùn)行，有必要對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)填料的放空和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

填料的泄漏量增大會(huì)造成機(jī)組的效率低下，過(guò)量泄漏預(yù)示著填料的故障；填料的故障將造成機(jī)組停車，占機(jī)組故障停車的40%以上；大量天然氣排放也會(huì)造成大氣的污染，所以對(duì)填料的泄漏量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可計(jì)劃性地維修和更換填料，亦可減少泄漏氣體無(wú)節(jié)制地排放造成大氣污染。

2 填料的工作原理

填料是密封氣缸和活塞桿間隙的元件，阻止氣缸內(nèi)的氣體通過(guò)氣缸和活塞桿之間的間隙泄漏，保證壓縮機(jī)的正常運(yùn)行和安全生產(chǎn)?，F(xiàn)在的填料都是自緊式的，其密封原理利用阻塞和節(jié)流兩種作用相組合，它靠被密封的氣體本身的壓力和拉簧產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用在密封環(huán)的外徑，使密封環(huán)的內(nèi)徑與活塞桿外徑緊密貼合[5-6]（圖1）。

3 填料放空系統(tǒng)

由于壓縮機(jī)填料不可避免的氣體泄漏，必須將壓縮機(jī)中體隔室泄漏的氣體引至安全區(qū)域排放。填料的放空包括泄漏氣體和污油的排放，將各氣缸填料上部泄漏氣體和下部排放的污油通過(guò)管線連接匯集到油氣分離罐，油氣靠自重經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單分離，氣體從分離罐上部引至大氣排放系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)或排放回收系統(tǒng)，污油從分離罐下部排掉。典型填料放空系統(tǒng)流程如圖2所示。

填料放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝技術(shù)要求如下：

（1） 磨損或損壞的填料會(huì)導(dǎo)致高排氣流量并增加排氣管線上的背壓。選擇足夠的排放管線尺寸，避免壓縮機(jī)中體隔室上的背壓超過(guò)25 psi（1.7 bar）[7]。

（2） 在連接到火炬系統(tǒng)時(shí)，要考慮火炬的惡劣工況，其他設(shè)備可以形成一個(gè)大的火炬壓力從而對(duì)中體隔室產(chǎn)生背壓。

（3） 為避免暫短的火炬壓力形成的背壓，要在放空系統(tǒng)和火炬（油氣分離罐下游） 之間的主排放管線上安裝單向閥。

（4） 放空管線引至安全區(qū)對(duì)空排放的排放口應(yīng)高出建筑物頂部或平臺(tái)3.5 m以上[8]。

（5） 各氣缸放空管線并接在一起時(shí)，合并后的管線尺寸應(yīng)等于接入的2條管線的面積和。例如，如果2條3/4英寸管線并接，在連接后的適宜管線尺寸為1英寸。

（6） 排污管線尺寸要足夠大，確保管線在不具備足夠傾斜度情況下的正常排污。

（7） 不要降低填料放空系統(tǒng)壓縮機(jī)廠家要求的管線規(guī)格尺寸，無(wú)其他要求，其公稱直徑不小于DN20[7]。

（8） 安裝時(shí)拆下壓縮機(jī)中體隔離室蓋以確認(rèn)內(nèi)部接管類型和位置的正確性。

4 填料放空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

壓縮機(jī)組系統(tǒng)和易損件的維護(hù)至關(guān)重要。由于填料裝配問(wèn)題、彈簧失效、填料潤(rùn)滑不充分以及填料過(guò)度磨損等原因[9-11]，隨著機(jī)組的運(yùn)行，填料的泄漏量會(huì)越來(lái)越大。目前市場(chǎng)上的壓縮機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很少對(duì)填料的泄漏量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為了定期對(duì)填料進(jìn)行維護(hù)，需對(duì)填料的泄漏量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解填料的使用情況，必要時(shí)停機(jī)維修或更換新的填料[12-15]。

圖1 一種單作用填料結(jié)構(gòu)圖

圖2 典型填料放空系統(tǒng)流程

4.1 間接監(jiān)測(cè)法

填料的泄漏量增大，放空管線中的溫度或壓力會(huì)隨之發(fā)生變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)其溫度和壓力，可反應(yīng)其泄漏量的變化。該方法費(fèi)用低，裝置安裝簡(jiǎn)單。

（1） 填料盒外的填料排氣溫度或壓力監(jiān)測(cè)中體外填料排氣管線的溫度或壓力，泄漏速率越快，溫度或壓力越高。如果為了測(cè)量排氣溫度將測(cè)溫元件浸入排氣管線中，需要將該測(cè)溫元件安裝成可以防止管線中的高溫油與溫度探頭接觸的形式，否則監(jiān)測(cè)到的溫度會(huì)偏高。

（2） 填料溫度在填料盒內(nèi)安裝溫度元件，通過(guò)監(jiān)測(cè)填料溫度亦可反應(yīng)出填料的泄漏量，以代替手動(dòng)監(jiān)測(cè)填料排氣溫度或放空管線的溫度。若填料的泄漏量增大，填料的溫度會(huì)升高。

（3） 吹掃氣與排放氣體的壓差有的壓縮機(jī)填料需配置吹掃氣，填料的吹掃氣和填料放空管線上的壓差可表明填料泄漏量的變化，填料的過(guò)量泄漏會(huì)對(duì)吹掃氣壓力產(chǎn)生更多的背壓。

4.2 直接監(jiān)測(cè)法

在填料的放空系統(tǒng)安裝合適的流量計(jì)，監(jiān)測(cè)填料的泄漏流量可直觀反應(yīng)填料的使用狀況。美國(guó)ARIEL壓縮機(jī)公司發(fā)布了填料泄漏速率范圍[7]（表1），通過(guò)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，可判斷填料是否需要維修或更換。填料泄漏量測(cè)量需考慮填料排氣和排污管線中的油，測(cè)量之前去除管線中的油，或者在一段沒有油影響的較大管線中安裝一個(gè)合適的流量計(jì)。

（1） 三通閥

在每個(gè)填料的排放管線上安裝一個(gè)三通閥，操作人員可將需檢測(cè)放空管線與其它管線隔開，從而可逐個(gè)檢測(cè)各填料的泄漏量。操作人員定期檢測(cè)每個(gè)填料的泄漏量，需要一些技巧和經(jīng)驗(yàn)，從通風(fēng)口判斷氣體的排放量，從而判斷是正常排放還是過(guò)量排放。這種方案盡管還不太成熟，但直觀有效。

（2） 轉(zhuǎn)子流速計(jì)

在填料排放管線上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)子流速計(jì)，測(cè)量排放的氣量。正常情況下，轉(zhuǎn)子流速計(jì)可測(cè)量管線的排氣量。當(dāng)泄漏量增大時(shí)，流速計(jì)的聲音會(huì)變得大，并發(fā)出明顯的“口哨聲”，操作人員即可知道填料的泄漏量過(guò)大，需對(duì)填料進(jìn)行維修或更換。

（3） 質(zhì)量或體積流量計(jì)

在填料放空管線上安裝一個(gè)流量計(jì)，可直接測(cè)量放空氣體的流量，進(jìn)而判斷填料的放空量是否正常放空。流量計(jì)可選擇質(zhì)量流量計(jì)或體積流量計(jì)，選擇成本低且易安裝的流量計(jì)。有的流量計(jì)可現(xiàn)場(chǎng)顯示，有的流量計(jì)帶遠(yuǎn)傳功能，可將測(cè)量值通過(guò)通訊電纜遠(yuǎn)傳至控制單元。當(dāng)填料過(guò)量排放時(shí)，控制單元會(huì)發(fā)出報(bào)警。

據(jù)了解，F(xiàn)luid Components International LLC（FCI國(guó)際公司） 的CMB型科里奧力質(zhì)量流量計(jì)可適用于填料放空氣體的監(jiān)測(cè)。該類型的流量計(jì)適用于液體和氣體，流量范圍可到60000 kg/h，測(cè)量精度±0.015%，帶一體化或遠(yuǎn)傳型安裝的變送器，適用于DN6至DN50的管徑，同時(shí)該流量計(jì)防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，防爆設(shè)計(jì)，適用于油氣開采與處理的危險(xiǎn)區(qū)[16-17]。

5 應(yīng)用實(shí)例

某壓縮機(jī)站的5臺(tái)壓縮機(jī)的填料放空管線安裝了流量計(jì)[18]。流量計(jì)監(jiān)測(cè)的填料放空量數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制盤。當(dāng)放空過(guò)量時(shí)，控制盤會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示操作人員需檢查填料的泄漏情況。在每個(gè)填料的放空管線上安裝了隔離閥，操作人員可逐個(gè)關(guān)閉和打開隔離閥確定每個(gè)填料的放空量，并確定填料是否需要維修或更換。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本低且安裝操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了填料放空監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)填料的放空量，可預(yù)知壓縮機(jī)填料的運(yùn)行趨勢(shì)，有效地防止了機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)和泄漏氣體的無(wú)節(jié)制排放。填料放空量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，為填料的故障監(jiān)測(cè)與分析提供了理論基礎(chǔ)，也為填料備件的合理經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)備提供了依據(jù)。

表1 填料泄漏排放速率

6 結(jié)語(yǔ)

填料泄漏是壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的，天然氣壓縮機(jī)填料必須設(shè)計(jì)填料泄漏放空系統(tǒng)，將泄漏氣體引至安全區(qū)域放空。

填料放空系統(tǒng)設(shè)置測(cè)溫、測(cè)壓、流速計(jì)、流量計(jì)等裝置或儀表，可對(duì)填料的放空量進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，保障設(shè)備的安全高效運(yùn)行，預(yù)防非計(jì)劃性停機(jī)，合理經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)備填料備件，亦可減少泄漏氣體對(duì)大氣的污染。