天然氣離心式壓縮機干氣密封失效的原因及對策

王剛

摘 要：目前，天然氣離心式壓縮機在我國石油天然氣生產(chǎn)企業(yè)中的應用越來越廣泛。離心式壓縮機是天然氣初加工裝置的重要組成部分，其運行平穩(wěn)程度直接決定天然氣生產(chǎn)質(zhì)量和效率。基于此，重點分析天然氣離心式壓縮機干氣密封失效的原因并提出對策。

關(guān)鍵詞：天然氣;離心式壓縮機;干氣密封

中圖分類號：TE974.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： At present， natural gas centrifugal compressor is more and more widely used in China’s oil and gas production enterprises. Centrifugal compressor is an important part of natural gas primary processing equipment. Its smooth operation directly determines the quality and efficiency of natural gas production. Based on this， focuses on the causes and put forth countermeasures of dry gas seal failure of natural gas centrifugal compressor.

Keywords： natural gas; centrifugal compressor; dry gas seal

隨著我國科技水平的不斷提升，天然氣工程的發(fā)展進入新階段，這與我國當前天然氣需求量不斷增加有直接關(guān)系。在這樣的行業(yè)背景下，干氣密封系統(tǒng)也在不斷完善。目前，我國天然氣離心式壓縮機在運行過程中依然存在密封面受到污染、電源故障及元件故障等問題，增加了干氣密封失效導致系統(tǒng)停運的可能性，對天然氣企業(yè)的生產(chǎn)效益造成了負面影響。天然氣長輸管道在運行過程中對密封性有嚴格的要求，一旦其密封性受到影響，勢必會威脅天然氣輸送安全。因此，對天然氣離心式壓縮機干氣密封失效的原因進行探索具有重要的意義。

1 離心壓縮機干氣密封系統(tǒng)概述

1.1 干氣密封結(jié)構(gòu)

干氣密封作為流體動壓軸承旋轉(zhuǎn)，能夠在動、靜兩環(huán)斷面非接觸前提下，形成高壓隔離氣膜的非接觸式旋槽端面密封。這種密封是干運轉(zhuǎn)中形成的氣體密封，所以在離心壓縮機密封部件中得以廣泛運用。干氣密封系統(tǒng)包括具備流體動力槽的動環(huán)、石墨材質(zhì)的靜環(huán)、彈簧、軸套及O形圈密封組件等部分。

1.2 干氣密封工作原理

干氣密封在不運行情況下，靜環(huán)貼合軸套中轉(zhuǎn)子固定動環(huán)形成密封端面，動環(huán)會跟隨轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，密封環(huán)外徑位高壓氣體會跟隨流動體壓槽，被泵入動靜兩環(huán)中的密封間隙，在密封壩節(jié)流作用下壓縮。在壓縮過程中，氣壓不斷增高，會極大地增加彈簧座負荷作用力。彈簧產(chǎn)生開啟力，這時逐漸拉開彈簧座靜環(huán)，氣體會在壓縮處理后跟隨動靜兩環(huán)在斷面打開約3 μm氣膜。干氣密封持續(xù)穩(wěn)定下，將補償環(huán)背部氣體靜壓力作為中間介質(zhì)，與彈簧作用力構(gòu)成閉合力，平衡于密封面氣膜壓力，密封兩端面持續(xù)填充于固定厚度氣膜內(nèi)，這樣動靜兩環(huán)就會始終保持非接觸式運轉(zhuǎn)，干氣密封形成的氣膜如圖1所示。

依據(jù)干氣密封工作原理，在正常干氣密封工況條件下，氣膜的開啟力與彈簧、介質(zhì)之間產(chǎn)生靜壓作用力，形成穩(wěn)定閉合力。在出現(xiàn)外力干擾的情況下，干氣密封系統(tǒng)會造成氣膜開啟、閉合作用力失衡如果開啟作用力比閉合作用力大，就會相應地增加彈簧負荷作用力，不斷拉開動靜兩環(huán)的密封間隙，這個間隙也會逐漸擴大至開啟、閉合兩個作用力平衡的位置。如果開啟作用力比閉合作用力小，相應的密封間隙也會隨之減小。

2 天然氣離心式壓縮機干氣密封失效原因分析

2.1 干氣密封系統(tǒng)元件故障

如果壓縮機干氣密封系統(tǒng)元件（見圖2）處于正常運行狀態(tài)，那么其內(nèi)部能量往往會轉(zhuǎn)化為熱能，然后傳遞到各個組織結(jié)構(gòu)。這種方式可以使其內(nèi)部熱量與外部熱量保持一致，以免影響干氣密封系統(tǒng)的使用壽命。部分干氣密封系統(tǒng)的元件之所以會出現(xiàn)故障，主要是因為信號誤發(fā)導致主機和輔機保護誤動。

2.2 電源故障

電源故障是導致壓縮機干氣密封失效的重要原因之一。隨著干氣密封系統(tǒng)在我國石油天然氣企業(yè)中的廣泛應用，其自動化程度不斷提升，并通過在開展熱工保護過程中融入動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的方式來進一步控制電源故障。目前，電源缺相是最常見的電源故障，主要原因在于電源在前期設(shè)計安裝過程中存在故障，導致內(nèi)部部分元件損壞引發(fā)電源故障。接線短路、虛接也是導致電源故障的重要原因[1]。一旦電源出現(xiàn)故障，勢必會影響密封系統(tǒng)的運行，使拒動頻次在短時間內(nèi)大幅提升。此外，電纜老化、接線柱進水及熱控設(shè)備接觸不良等因素也會對干氣密封系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性造成影響。

2.3 密封系統(tǒng)中進入雜質(zhì)

對干氣密封系統(tǒng)來說，系統(tǒng)失效還有可能是密封系統(tǒng)中進入了雜質(zhì)。目前，可侵入密封系統(tǒng)的雜質(zhì)主要有2種，分別為天然氣、水。我國北方地區(qū)冬季較為寒冷，室外溫度通常低于-20 ℃，而水的露點則為10 ℃左右，會有液態(tài)水析出。當其體量達到一定程度后，容易被帶入密封腔中，導致內(nèi)部密封組件生銹，從而影響密封系統(tǒng)的正常運行[2]。

2.4 密封系統(tǒng)氣流供給控制不嚴

在應用天然氣離心式壓縮機的密封系統(tǒng)時，應注意保證端面氣膜開啟與閉合之間的平衡。這需要對壓縮機組的流量穩(wěn)定性進行控制，并且保證其壓強與密封氣流的壓強相適應。目前，影響密封氣供給的因素主要涉及兩個方面。一方面，在壓縮機平穩(wěn)運行過程中，其密封系統(tǒng)內(nèi)部會提供相應的密封氣流，而一旦所應用工藝發(fā)生變化，密封氣流的多項參數(shù)會隨之發(fā)生改變，從而引起氣流泄漏等現(xiàn)象，直接影響密封系統(tǒng)的正常運行。另一方面，可能是壓縮機的設(shè)計問題。壓縮機組的選擇和應用會直接影響密封系統(tǒng)的運行。由于壓縮機的出口壓強應高于入口壓強，因此要注意應用壓差的方式來提升系統(tǒng)的密封壓強[3]。但是，目前一些設(shè)計單位在進行壓縮機設(shè)計時往往將出口經(jīng)過分離的氣體作為密封氣的主要氣源。這樣雖然使整個運行操作更簡便，但容易導致密封氣流的壓強高于0.3 MPa。

3 解決天然氣離心式壓縮機干氣密封失效問題的策略

3.1 改善系統(tǒng)運行環(huán)境

嚴格控制壓縮機密封系統(tǒng)的運行環(huán)境是解決天然氣離心式壓縮機干氣密封失效問題的重要措施之一。密封系統(tǒng)的運行環(huán)境往往比較惡劣，影響系統(tǒng)運行的因素也較多，因此需要對運行環(huán)境進行針對性改善。例如，在選擇密封箱時，應該盡量選擇小孔材料，保證其具有防潮、防雨的基本能力。此外，密封箱的小孔設(shè)計還可以保證箱內(nèi)的空氣流通[4]。在安裝干氣密封系統(tǒng)時，要注意將其安裝到儀表柜內(nèi)部，保證其遠離熱源和輻射，從而提升密封系統(tǒng)運行的安全性。

3.2 運用技術(shù)成熟的干氣密封系統(tǒng)

干氣密封系統(tǒng)的技術(shù)水平往往會直接影響天然氣的輸送效果和輸送安全性。在選擇干氣密封系統(tǒng)時，應選用具有放電管的系統(tǒng)。在實際施工過程中，要注意做好元件的接地工作。技術(shù)成熟的干氣密封系統(tǒng)是保證壓縮機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。保證干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標準化程度，有利于有效體現(xiàn)熱控自動化效果。干氣密封系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。離心式壓縮機在任何一個運行環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能對天然氣的輸送產(chǎn)生影響，尤其要注意選用品質(zhì)良好的熱控設(shè)備，且在設(shè)備容易出現(xiàn)故障的前端和中間位置做好相應保護工作，進而保證密封系統(tǒng)的整體密封效果[5]。

3.3 加強干氣密封系統(tǒng)的后期維護及管理

為了保證干氣密封系統(tǒng)的整體運行穩(wěn)定性，應該定期對密封系統(tǒng)進行檢修維護，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行過程中存在的各種問題，并在第一時間進行處理，從而保證天然氣的輸送效率和企業(yè)的經(jīng)濟效益。天然氣企業(yè)應注意對檢修維護人員進行培訓，使檢修維護人員對當前的干氣密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運轉(zhuǎn)狀態(tài)有更加清晰具體的認知。在系統(tǒng)檢修過程中，應將功能性檢測放在重要位置并展開保護試驗，確定干氣密封系統(tǒng)的運行效果，從而為后續(xù)養(yǎng)護與維修工作的順利開展提供保障。

3.4 天然氣離心式壓縮機干氣密封系統(tǒng)的注意事項分析

離心式壓縮機干氣密封系統(tǒng)往往容易在壓縮機開啟或停運階段出現(xiàn)故障。因此，在應用干氣密封系統(tǒng)時應該盡量避免頻繁啟停。在應用密封工藝之前，要先通過密封檢測和過濾方式保證系統(tǒng)的整潔性。在進行低點排凝操作時，注意要將泄壓速度控制在0.5 MPa/min以內(nèi)，以便有效控制壓強，從而避免O型圈發(fā)生變形或損壞[6]。此外，在壓縮機潤滑油系統(tǒng)啟動的前30 min內(nèi)，要注意運用隔離器，保證其有效發(fā)揮作用，避免潤滑油進入干氣密封系統(tǒng)。當軟化油系統(tǒng)停止運行超過30 min時，要及時切斷隔離器來實現(xiàn)對氣壓的有效隔離，同時充分發(fā)揮潤滑油系統(tǒng)的功能[7]。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國石油天然氣行業(yè)的發(fā)展規(guī)模不斷擴大。在這樣的行業(yè)背景下，天然氣離心式壓縮機的應用越來越廣泛，而壓縮機干氣密封失效現(xiàn)象也時常發(fā)生。想要保證天然氣運輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，需要深入發(fā)掘?qū)е码x心壓縮機干氣密封失效的因素，并采取針對性措施對其進行處理。

參考文獻：

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[7]白新紅.天然氣離心式壓縮機干氣密封失效的原因分析及對策[J].化工設(shè)計通訊，2018（4）：84.

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