MAN压缩机干气密封一级排气管分开铺设探讨

MAN压缩机干气密封一级排气管分开铺设探讨

王定国

(西部管道兰州输气分公司涩北压气首站) 

摘要:目前干气密封在天然气管道离心式压缩机中应用越来越广泛，作为天然气离心压缩机的核心组件,其密封效果与压缩机的安全平稳运行息息相关。本文从MAN压缩机干气密封的结构和原理、干气密封系统失效原因及产生的危害，以涩宁兰输气管道涩北压气首站为例，结合现场干气密封系统具体流程和使用情况，分析目前存在的问题，并提出了具体的优化措施，确保干气密封系统高效运行。

关键词：天然气  压缩机  干气密封  驱动端与非驱动端

1 前言

兰州输气分公司所管辖的涩宁兰天然气管道4个压气站场，使用的是德国MAN(曼透平)生产的RV05/02、RV05/04型离心式压缩机，而压缩机使用是Flowserve（福斯）干气密封，采用的是两级密封串联，密封气体直接引用压缩机出口的天然气，隔离气采用的干燥清洁的空气。驱动端与非驱动端一级排放为天然气，直接排入放空火炬，二级排放为天然气和空气的混合物，天然气浓度极低，直接排放至大气中。

2 MAN压缩机干气密封结构及工作原理

下面以涩北压气首站RV05/02型压缩机做说明，采用的二级串联干气密封，具体结构如下图1所示：

图1干气密封剖面图

1——动环，2——静环，3——推环，4——弹簧所在空间（弹簧未画出），A——密封气进气口，B——一级密封气排气口，C——未使用，D——隔离气排气口（二级密封泄露的少量密封气亦从此通道排除），E——隔离气进气口。

干气密封主要由动环（1）、静环（2）、弹簧组件（4）、密封圈和轴套组成【1】。压缩机不运转时，在弹簧力的作用下，动环与静环之间的端面紧贴而无间隙。但是压缩机运转时密封工作，密封气通过A孔进入动环上的螺旋型流道，当流体动压力与作用在密封上的气体静压力以及弹簧力平衡时，就在两端面之间形成并维持一层极薄的气膜，气膜厚度大约3～5微米【2】。通常，从A孔进入的密封气压力高于压缩机平衡管的压力，该气体一部分进入压缩机内阻挡机内脏的介质气；另一部分从动静环之间的气膜泄漏到下游的腔室内，从而形成对压缩机内工艺气的密封。由于气膜厚度非常小，泄漏出的气体量也非常小。

该密封包括两级相同的密封，两者为串联布置。第一级密封即主密封，密封气体是经过过滤的天然气，第二级密封的密封气体是从一级密封中泄漏出来的天然气。在主密封正常工作时，二级密封作为主密封的安全备用密封，加强密封的安全性，当主密封出现故障而不能正常工作时，二级密封就替代主密封，保证干气密封正常发挥密封功能和压缩机安全停机检修。

在靠近压缩机内侧（图1中的右侧），迷宫密封位于干气密封的前端，作为前置密封。通过对密封气压力的调节使得从A孔进入的密封气压力高于迷宫密封内侧工艺气体的压力（此压力实际为压缩机平衡管压力），从而保证压缩机内脏的天然气不会向干气密封侧流动，保证干气密封始终在干燥、干净的气氛中运行。

在靠近轴承的一侧（图1中的左侧），采用了以空气作为密封气体的隔离密封，该密封俗称“碳环密封”，与浮环密封同样的原理，碳环密封也是非接触式密封，具有寿命长、安全可靠的优点，通入的空气以10米/秒的速度从碳环与轴套之间的间隙中吹出，阻止了润滑油向干气密封一侧流动，保护干气密封。

3 MAN压缩机干气密封工艺系统现状

下面以涩宁兰天然气管道涩北压气首站RV05/02型压缩机为例，说明干气密封工艺系统。其主要由密封气过滤系统、密封气供应差压控制系统、干气密封一级排放系统、隔离气供气系统等【3】，下面主要说明后两者系统工作情况。

3.1 MAN压缩机干气密封系统

MAN压缩机干气密封系统采用的是两级密封串联，轴承端采用的是迷宫密封。干气密封气引用的是压缩机出口天然气，一级排放气体直接排入放空火炬。干气密封一级排放系统（见图2），主要监控密封气体的泄漏，图中流量计4、5用来测量一级泄漏的气体流量，孔板用于形成管道背压，压力表5、6用来测量一级泄漏气体的压力，驱动端与非驱动端排放管最后汇集到U形管一起排放至放空火炬。

图2：干气密封一级排放系统

3.2 MAN压缩机隔离密封系统

MAN压缩机隔离密封系统采用的是干燥清洁的空气，确保压力略大于轴承处润滑油的压力即可。，二级排气为天然气和空气的混合物，直接排放到大气。隔离供气系统（见图3），压力表4显示的是隔离气供气压力，隔离气密封后，经过二级放空管路排放到大气中。

图3：隔离供气系统

4 MAN压缩机干气密封系统存在问题及原因分析

根据RV05/02型压缩机运行要求，驱动端与非驱动端干气密封一级排气流量小于7Kg/h，排气压力小于300KPa，二级排气温度小于80℃。正常情况下一级排气流量约为2.20～2.80Kg/h，压力为2～4KPa，二级排气温度大约为25～35℃。

4.1干气密封系统工艺系统存在的问题

目前，涩宁兰天然气管道涩北压气首站2#压缩机干气密封系统存在以下问题，与正常情况相比，一是驱动端一级排放量太小；二是非驱动一级排放压力较高；三是驱动端二级排气温度偏高，见图4。

图4：干气密封排放参数正常      干气密封排放参数异常

4.2 原因分析

现场打开驱动端干气密封一级排气管接头，发现有气体流出，流量显示正常，说明驱动端干气密封本体排放正常，但是与非驱动排气管连接到一起，流量显示异常。

通过上述现场打开排气管接头实测法，以及干气密封排放参数正常与异常对比，分析其原因为：驱动端与非驱动一级排气管汇集到U形管一起，非驱动端一级排放压力比驱动端高，形成背压，阻止了驱动端一级排气无法顺畅的排出，而是经过二级排放管线排出，于是出现了驱动端二级排放温度比驱动端较高的现象。

4.3 产生的危害

4.3.1干气密封一级排放流量过大，说明机械密封已经失效；流量过低会造成机械密封温度过高，缩短使用寿命，增加维修费用，对压缩机平稳运行带来安全隐患。

4.3.2如果驱动端干气密封一级排气不畅，长期运行，对于两级串联式干气密封而论，其一级气体大部分泄漏进入二级腔体，造成二级动、静环严重分离，于是形成泄漏通道，一级排放气体进入二级排放管线。这样一旦干气密封一级出现问题，二级无法起到保护作用，造成干气密封失效。

4.3.3由于干气密封二级排放为天然气与空气的混合物，如果一级排气大部分通过二级排放管，造成二级排放气体中可燃气体浓度偏高，很容易达到爆炸极限范围内，影响安全生产。

5 采取的优化措施

为了彻底消除上述干气密封系统出现的问题以及安全隐患，建议将压缩机驱动端与非驱动端干气密封一级排放管分开铺设，如下图5所示：

图5：驱动端与非驱动端干气密封一级排放管分开铺设

通过分析涩北压气首站2#压缩机干气密封系统存在问题的原因，以及产生的危害，得出驱动端与非驱动端干气密封一级排放管分开铺设有以下优点：

（1）驱动端与非驱动端干气密封一级排放管分开铺设，驱动端与非驱动端单独排气，相互之间无影响，可以避免上述出现“一级排气无法顺畅时经过二级排放管线排出”的现象，减少诸多的安全隐患，确保两端的干气密封完好运行。

（2）驱动端与非驱动端干气密封一级排放管分开铺设，检测干气密封一级排气流量和压力数值更准确。

（3）如果干气密封流量和压力产生大幅波动，则能快速判断是驱动端还是非驱动端发生问题，从而减少了处理故障的时间。

针对目前涩宁兰输气管线涩北压气首站压缩机干气密封运行情况,通过分析存在的问题,提出了一些优化措施,对于类似的压缩机站场,可以借鉴,优化干气密封排放管线,确保干气密封完好运行。

参考文献：

【1】吴邦定.螺旋槽干气密封.化工设计，1996,1:25-29

【2】D.Bonneum,J.Huitric，B.Tournerie. Finite element analysis of grooved gas thrust bearings and grooved gas face seala.Transaction of the ASME,1993,7:348-354

【3】刘培军 杨默然. 干气密封在离心式压缩机中的应用，油气储运，2007,26（7）51～54

作者简介：王定国，工程师，1987年出生，2009年毕业于兰州城市学院油气储运专业，经过专升本学习，2012年毕业于中国石油大学油气储运工程专业，现在西部管道兰州输气分公司主要从事天然气长输管道安全生产工作。

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