「系统动静」合成压缩机干气密封系统升级改造

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摘要：干气密封是合成气压缩机的核心部件，其运行状态的好坏直接影响到整个机组的长周期运行。由于作为一级密封气的合成气压缩机出口气本身含液量较多，是干气密封长周期运行的潜在威胁。本文介绍了通过增加分液系统，对原干气密封系统进行升级改造的技术方案，并介绍了改造方案实施后的效果。
关键词：甲醇装置、压缩机、干气密封、控制系统、升级改造

0、前 言
甲醇合成气压缩机是甲醇装置的心脏设备，其运行状态的好坏直接影响到整个装置的生产运行。该压缩机组的参数如下：
压缩机制造商/型号：沈鼓/3BCL455；
工艺介质：甲醇合成气；
入口压力：5.5Mpa(A)；入口温度：40℃；
出口压力：8.3Mpa(A)；出口温度：58℃；
额定转速：9154 r/min；最大连续转速：9611 r/min；跳闸转速：10572 r/min；
主轴旋向：从驱动侧看顺时针；
密封轴径：130mm；平衡直径：168mm。
干气密封是压缩机的关键零部件，也是易损件，其运行可靠性的高低直接决定了机组能否长周期稳定运行。它是一种干运转、气体润滑、非接触式机械轴端密封，正常运转情况下，干气密封的动静环间由于流体动压效应，产生3-5μm的气膜，使动静环端面打开，实现动静环端面不接触运转。原机组采用的干气密封形式为带中间迷宫的串联式干气密封TM02D，配套的密封系统为标准配置的带中间迷宫的串联式干气密封系统。该装置自2007年11月开始投产以来，基本上机组每年停车检修一次，每次机组检修需要更换干气密封，换下来的干气密封送回密封厂家维修后作为备件备用。
干气密封是气体润滑的非接触式机械密封，密封正常工作时动静环间的间隙即膜厚极薄，只有3～5μm，因此对密封气的洁净度要求很高，不能含有固体颗粒、也不能含有液滴。干气密封系统的功能之一就是给干气密封提供洁净、干燥的密封气。对于标准配置的串联式干气密封系统，主要是通过两个并联布置的过滤器来完成对主密封气（即一级密封气）的净化处理。
2010年7月初装置检修期间，密封厂家售后服务人员及国宏公司的技术人员在更换干气密封的同时，将密封气过滤器滤芯进行了更换。当打开过滤器时，发现滤芯底部由于长期泡在液体内而与滤芯筒体脱离，可以说过滤器已失去其作用。在拆下的密封表面也发现有大量液体污染痕迹。
2010年7月7日合成气机组开车后，通过过滤器底部的排液阀能排出大量液体，说明密封气源仍然含有大量液体。任何过滤器的处理能力都有一定限制，据此判断，密封气的含液量已大大超过过滤器的处理能力，如不及时对密封气源进行处理，不能保证密封气不带一定量的液体进入干气密封。干气密封在这种状况下运行是十分危险的，随时可能导致密封损坏。任何密封厂家，对在这种状况下运行的干气密封，都不可能保证其无故障连续长周期运行。

1、干气密封系统升级改造的必须性
前面介绍过，干气密封是一种干运转、气体润滑、非接触式机械轴端密封，正常运转情况下，干气密封的动静环间由于流体动压效应，产生3-5μm的气膜，使动静环端面打开，实现动静环端面不接触运转。因而，理论上说，这种密封寿命是无限的。所谓干气是指密封气必须是干燥、洁净的气体，对密封气的温度通常要求高于露点20℃以上，密封气不带液，颗粒度要求为1μm。
而检修更换下来的密封送到密封厂家，密封拆解检测发现：
（1）密封腔体有油迹，内弹簧座有锈迹；
（2）一级密封进油，动环及静环表面存在明显的运转磨痕，密封面及弹簧座内有大量油，静环清洗后密封面有多处蝴蝶状花斑，放置一段时间后静环工作面有油析出；
（3）二级密封进油，动环及静环表面存在明显的运转磨痕，密封面及弹簧座内有大量油，静环清洗后密封面有多处蝴蝶状花斑，放置一段时间后静环工作面有油析出。
上述情况说明，干气密封在使用中带液现象相当严重。如果密封气长期带液或颗粒度较大，将会带来如下危害：
（1）动环表面的螺旋槽（正常情况下只有几个μm）会由于颗粒或工艺气积碳积聚而变浅，达不到设计要求，最终由于动压效应减弱甚至消失而形不成气膜；动静环没有气膜形成而打不开，造成动静环密封面干磨而引起密封失效，甚至可能引起动静环碎裂，造成灾难性事故；
（2）干气密封在运转时由于密封面间气体的粘性剪切及旋转件与气体的高速搅拌而产生热量，正常情况下这部分热量通过密封气向机内的流动以及密封气的泄漏而带走，保持密封端面温度在一定范围内。但如果密封气中含液，由于液体的粘度比气体的粘度大一到两个数量级，这种剪切和搅拌产生的热量将会大增，导致密封动静环温度过高，引起密封面的过度变形和与动静环接触的O形圈老化、热烈，最终导致密封失效。
综上所述，对原有干气密封系统进行升级改造，采取有效措施彻底解决密封气源带液问题，对于国宏的甲醇装置的长周期运行来说，确实是十分必要和紧迫的。

2、干气密封系统升级改造的总体技术方案
干气密封系统的升级改造的总体方案是，在取自压缩机出口的一级密封气进入原标准配置的串联式干气密封系统盘架之前，先经过一专门设计的干气密封分液系统，通过分离罐除去密封气中的液体组份后，再进入密封系统盘架。通过系统盘架中的过滤单元的过滤和密封气控制单元的压力调节和流量控制后进入干气密封本体，这样就能保证密封气的高品质。
该分液系统具有如下特点：
（1）分液罐能除掉密封气源中的液体；
（2）分液罐大容积的存液空间有利于收集液体；
（3）液位监控，及时提醒操作人员排液；
（4）差压检测用于监控除液元件寿命；
（5）可以提供自动排液。
该分液系统的核心是带有内件的分液罐，内件为特殊的凝聚式过滤元件，可以除掉气体中的微粒、油、水和其他液态的气雾，其分液原理为：当密封气源经过过滤元件时，由于速度降低，较低的速度使其浸润过滤元件，形成较多的液滴。这些液滴在过滤元件中从内向外移动，在过滤元件外表面聚集，靠重力作用，排放到分液罐的底部。

3、控制系统升级改造后的使用效果
新上的分液系统于2010年10月19日正式投入使用。正常情况下分液系统应接至机组出口与干气密封系统间的一级密封气源管线上。但由于机组密封气带液现象比较严重，特别是考虑到在装置分离系统出现工艺波动时密封气带液现象可能更甚，从工艺操作的角度希望尽早将分液系统投入使用，以确保密封的长周期稳定运行；另一方面，当时机组又不能停车。根据现场的实际情况，我们和密封厂家反复探讨，提出了一种不停车在线进入分液系统的巧妙方案。在不停车的情况下，利用原系统中并联过滤器一开一备的特点，先将分液系统通过备用过滤器接入干气密封系统；待后来有机会停车时再作正式连接。

4、结语
自从分液系统投入以来，密封过滤器再也没有出现过大量排液的现象，这说明分液系统有效地排除了密封气中的液体组份，为密封提供了一个更理想的工作环境，干气密封顺利地连续使用到三年以上，2013年5月干气密封拆检，动静环无明显磨损。这说明干气密封系统的升级改造是成功的。