1、2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 157 百万吨乙烯项目裂解气机组干气密封国产化 百万吨乙烯项目裂解气机组干气密封国产化 王 伟1，陈晓林2（1宁博恒奕工程管理有限公司；2恒逸实业（文莱）有限责任公司，浙江 杭州 311200）摘 要：摘 要：介绍了 100 万吨/年乙烯项目裂解气压缩机组干气密封国产化的选型、设计、密封控制系统配置、调试、试车、开车、运行情况。该项目填补了无国产大型裂解气机组干气密封的技术空白，对其国产化进行了技术分析和经验总结，为今后更大规模乙烯装置裂解气机组干气密封的国产化和项目建
2、设提供了借鉴意见。关键词：关键词：乙烯；裂解；密封 近些年，随着乙烯装置单套产能的逐步扩大，乙烯装置核心设备裂解气机组的轴功率从 12000kW 增加至接近86000kW，密封轴径也从 120mm 扩大到了 300mm。由于乙烯装置裂解气机组能否稳定、长周期运行直接影响到乙烯装置的“安、稳、长、满、优”运行。面对这种高要求，低容错率的情况，乙烯装置裂解气机组关键部件干气密封的国产化之路走的较为坎坷。随着 2020 年底“中科炼化 80 万吨/年乙烯装置”和万华化学 100 万吨/年乙烯装置”的顺利投产和稳定运行，标志着百万吨级乙烯装置裂解气机组干气密封的国产化工作取得了突破性进展。1 干气密封
3、的结构和原理 1 干气密封的结构和原理 1.1 干气密封的结构 图 1 干气密封本体示意图 图 1 干气密封本体示意图 图 2 双向旋转动压槽 图 2 双向旋转动压槽 干气密封的典型结构如图 1 所示，通常由一个可以轴向浮动的静环和一个固定在轴套上的动环构成。静环背后安装弹簧对其施加闭合作用力，动环随压缩机转子做高速旋转。动环表面加工有一定数量的流体动压槽，其深度在 815m 以内，如下图 2 所示。1.2 干气密封的原理 干气密封工作的主要原理是流体静压力和流体动压力的平衡。高速旋转的动环产生的粘性剪切力带动气体进入流体动压槽内，由外径朝中心运动，密封坝提供流动阻力，节制气体流向低压侧，于是
4、气体被压缩压力升高，密封面分开，形成一定厚度的气膜。当流体的静压力和弹簧负载的闭合力等于气膜内产生的开启力时，就形成了径向面之间的稳定间隙，由此密封实现非接触运转。密封面间形成的气膜具有一定的刚度，保证了密封运转的稳定性。气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度的变化之比，气膜刚度越大，表明密封的抗干扰力越强，密封运行越稳定。Fo=Fs+Fp 闭合力=Fs+Fp 开启力=Fo Fs-弹簧作用力，Fp-介质作用力，Fo-气膜反力 2 裂解气机组干气密封的选型与设计 2 裂解气机组干气密封的选型与设计 2.1 干气密封的选型 图 3 带有中间迷宫的串联式干气密封 图 3 带有中间迷宫的串联式干气密封
5、过程控制与装备 过程控制与装备 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.068158 王 伟：百万吨乙烯项目裂解气机组干气密封国产化 常见的干气密封形式共有四种：单端面干气密封；双端面干气密封；串联式干气密封；带有中间迷宫的串联式干气密封，如图 3 所示。带有中间迷宫的串联式干气密封，一级密封主气源采用裂解气压缩机出口的工艺气，机组长周期运行过程中不会对工艺系统产生任何影响。二级密封采用低压氮气作为密封气源，使第二道密封起到了安全密封的作用，可以完全阻止了工艺气漏向大气侧。这种大型机组在轴向上有充足的空间，可以满足气密封的安装需求。因此带有中间迷宫的串联式干气密封在裂解
6、气机组上使用较为适合。2.2 前置密封气 对于带中间迷宫的串联式干气密封是否设置前置气，国内与国外干气密封设计的思路有所不同，国内选择设置前置气，并在前置气的腔内进行引压监控压力值，避免在系统内压力低的情况下，一级密封气全部流入机体，无法实现一级密封气气膜形成，从而造成开车过程中干气密封干磨损坏。通过增加前置气的流量和压力，能够满足压缩机在系统敞开或者系统内无法充压的情况下进行开车。国外选择不设置前置气，通过增大一级密封气注入管线的管径，增大一级密封气的流量来实现同样的功能，但不便于现场观察确认。2.3 干气密封旋向选择 随着乙烯装置规模大型化的趋势，装置在设计、配管的过程中，单向阀后至机组壳
7、体的容积较大，设计上无法避免此问题，也存在单向阀故障无法正常关闭的风险。在停车过程中机组有反向转动的风险，因此单向旋转密封槽在大型压缩机组上劣势较为明显。双旋向密封槽虽然有气膜刚性稍差、抗干扰能力低的缺点，但是双旋向的容错能力更突出。所以，在该类机组干气密封的旋向上须选择双旋向密封槽。2.4 干气密封的设计数据 螺旋密封槽的深度对密封的气膜刚度、承载能力、泄漏量、刚漏比有影响，研究表明当螺旋密封槽深为设计气膜厚度的 3.5 倍【1】左右时，密封的气膜刚度、刚漏比以及承载能力最大。该机组干气密封的密封槽设计深度在 8um左右、设计气膜厚度为 3um 时，气膜刚漏比最大。以 100万吨/年裂解气机
8、组为例，国产干气密封的设计条件如下表1 所示。表 1 裂解气压缩机组的设计条件 表 1 裂解气压缩机组的设计条件 项目 低压缸 中压缸 高压缸 工艺介质 裂解气 最大连续转速 4600 跳闸转速 5100 压力（入口、出口）0.015/0.143 MPaG 0.117/0.797 MPaG 0.762/3.963 MPaG 温度（入口、出口）30.5/78.81 C 36.6/86.57 C 36.9/75.19 C 滞止压力 0.35 MPaG 0.35 MPaG 2.9 MPaG 机组转向 顺时针 3 干气密封控制系统的基本配置 3 干气密封控制系统的基本配置 3.1 干气密封盘站的布置
9、干气密封盘站的布置应在不影响检修和操作空间的情况下，尽可能距离压缩机近一些。还应考虑在主密封气进气管线上配置伴热和保温，防止重组分介质在盘站输送内因温度衰减而冷凝导致密封气带液。每个缸体应配置独立的干气密封控制盘站，方便现场操作和运行管理工作。3.2 密封气源的配置 密封气源在经过多次的实践后，总结了出较为成熟的配置方案。3.2.1 主密封气源 压缩机五段出口工艺气在经过了碱洗和干燥、脱丙烷之后，其洁净程度较高、带液风险很低，压力和温度适中，是比较完美的一级密封主气源。顺序分离工艺流程的乙烯装置可以考虑使用裂解气干燥器之后的工艺气作为一级密封主气源。3.2.2 备用一级密封气源 备用密封气源则
10、应选择高压氮气，并且应该在盘站设置电磁阀，满足主密封气源压力不足时电磁阀能快速反应、备用气自动切入，以确保一级密封的安全。3.2.3 开车气源 原则上一级密封的密封气有主要工作气源和备用氮气气源就能够满足使用的基本需求。在开车时使用备用氮气作为开车气源，待工艺系统稳定后进行气源手动切换。但是在使用过程中发现，开车时使用氮气作为开车气源会导致较多的氮气注入工艺流程，氮气属于不凝气，对工艺系统的操作会产生一定的影响，不凝气的排放也会增加开车过程中的物料损失。因此增加了一条来自乙烯压缩机出口的气象乙烯只作为开车气源。需要注意的是该气源不可设置自动切换阀，应设置手阀，只能用作开车气源，不可替代高压氮气
11、用作一级密封备用气源。因为如果出现干气密封损坏机组联锁停车，备用气源要及时自动切入，阻止工艺气向大气中泄漏。王 伟：百万吨乙烯项目裂解气机组干气密封国产化 159 如果开车气源的气象乙烯此时切入一级密封气，存可燃气向轴承箱侧泄漏的安全风险。3.2.4 其它气源 二级密封气源与后置隔离气气源选用低压氮气即可满足使用需求。图 4 控制系统流程图 图 4 控制系统流程图 4 密封在调试和开车期间注意要点 4 密封在调试和开车期间注意要点 4.1 密封气管路的清理工作 密封气控制盘站上管路的酸洗、吹扫工作应在出厂前完成。盘站前管路应在管网施工全部完成后，再进行吹扫和打靶验收，盘站后至机体前的管路应在配
12、管完成后，下线进行酸洗、吹扫，安装好之后进行打靶验收，机体上的密封气管路应在干气密封安装过程中进行人工清理，清理干净后用洁净的塑料布密封起来。管路的清理工作非常重要，是机组和装置顺利开车，长周期运行的前提条件。4.2 干气密封的安装 密封安装前应做好密封的检查确认工作、密封腔的清理工作、转子工作位置确认和干气密封安装的定位尺寸与图纸的复核工作。安装过程中合理使用专用工具，避免安装过程造成干气密封的损坏，避免两侧密封装反。4.3 干气密封的安装时机 正常情况下乙烯装置会在裂解气压缩机安装完成无负荷试车后、利用裂解气压缩机组进行系统吹扫、干燥工作，经过实践验证在压缩机无负荷试车和空气吹扫过程中，裂
13、解气机组使用试车密封较好。虽然机组在出厂前一般会进行单缸或者联动的机械运转试验，但在现场安装后，有又多项干扰因素介入，机组在现场安装后的机械性能未经过检验。利用裂解气机组进行空气吹扫，一般情况下会有一周左右运转时间，在这一周机组有负荷因素介入，可以较好地验证机组在安装后的机械性能。待机组机械性能得到检验之后，再进行干气密封的安装，之后利用裂解气机组进行系统干燥还可以较好的检验干气密封的运转状况和密封性能。一般在工艺系统干燥合格之后很快就会进入投料试生产环节，如果干气密封此时安装出现了问题，会对项目开车进度产生比较严重的影响。因此，在空气吹扫后、系统干燥前进行干气密安装工作较为合理。笔者有幸全程
14、参与了第一套百万吨乙烯装置国产干气密封的顺利投入运行。5 结束语 5 结束语 2020 年底烟台某百万吨级乙烯项目裂解气机组国产干气密封的顺利安装和之后一年多的稳定运行，标志着国产大尺寸裂解气机组干气密封技术的成熟，大型乙烯工业中关键设备部件干气密封的国产化不仅可以打破国外密封厂商的垄断，而且可以推动国内干气密封技术的发展，为今后更大规模的乙烯装置裂解气机组干气密封国产化奠定了基础。对推动国内乙烯工业的发展具有积极的社会效益，对国家制造业的发展具有重要的战略意义。参考文献 参考文献 1 王玉明.高速透平压缩机的轴端密封J.石油化工设备技术,2000,21(4):62-66.2 顾永泉.流体动密封M.山东:石油大学出版社,1999:268-271.