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    合成蒸汽流量計低壓缸干氣密封流量增加原因分析

    合成蒸汽流量計低壓缸干氣密封流量增加原因分析

    時間:2019-11-07 11:09:39
    摘 要 :介紹串聯式干氣密封結構及工作原理,分析造成低壓缸干氣密封一級泄漏氣流量增大的原因及解決方法。
    1 概述
    中海石油華鶴煤化有限公司“3052”裝置生產規模為年產30萬 t 液氨、52萬 t 大顆粒尿素。自 2015年 6月投產至2018年7月,合成蒸汽流量計低壓缸干氣密封一級泄漏氣流量有持續走高的趨勢并逐漸接近報警值,已威脅機組的平穩運行和公司的穩定生產。因此探究干氣密封的使用規律、采取正確的維護手段顯得尤為重要。
    2 合成蒸汽流量計組工藝流程介紹
    合成蒸汽流量計主體由透平汽輪機、壓縮機低壓缸、壓縮機高壓缸三部分組成,均由日本三菱公司生產制造,壓縮機低壓缸將液氮洗單元送來的新鮮合成氣進行壓縮。壓縮后的新鮮合成氣,在高壓缸與合成單元返回的循環合成氣混合壓縮至14.25MPa、56.9℃,以294 393m 3 /h 的流量送合成單元進行合成氨反應。合成蒸汽流量計驅動裝置汽輪機的抽汽系統,為蒸汽管網提供4.3MPa、437℃、50.4t/h 的過熱中壓蒸汽。排汽由表冷器冷凝后形成合格的蒸汽冷凝液,經加壓送往水處理單元回收再利用。
    3 合成蒸汽流量計組干氣密封工作原理介紹
    合成蒸汽流量計軸端密封使用的是由約翰克蘭(JOHNCRANE)公司生產的串聯式螺旋槽干氣密封。螺旋槽干氣密封的結構如圖1所示。
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    在密封面上加工有一定數量的螺旋槽,其深度一般為3μm。隨著動環組件的旋轉,螺旋槽里的氣體被剪切,從外緣流向中心(即低壓側),而密封堰對氣體的流出有抑制作用,限制氣體流向低壓側,使得氣體流動受阻,氣體壓力升高,這一升高的壓力將撓性安裝的靜環與配對動環分開 ;當氣體壓力與彈簧恢復力平衡后,維持一個#小的間隙。氣體隨著螺旋槽截面形狀的變化被壓縮,在槽根部形成局部的高壓區,使端面分開形成一定厚度的氣膜,使得在一般動力運行條件下端面能保持分離、因此不易磨損。閉合力 F C 是氣體壓力和彈簧力的總和。開啟力 F O 是端面間的壓力分布對端面面積積分而形成的。在正常的平衡條件下閉合力 F C = 開啟力 F O ,運行間隙約為3μm ;如果由于某種干擾使密封間隙變小,則端面間壓力就會升高這時開啟力 F O > 閉合力 F C ,端面間隙自動加大直到平衡為止。如果某種干擾使密封間隙增大,則端面間壓力就會降低這時閉合力 F C > 開啟力 F O ,端面間隙會自動減小直到新的平衡為止,見圖2~ 圖4。 [1]
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    4 干氣密封流程介紹(以低壓缸為例)
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    4.1 一級密封氣流程
    正常運行時機組高壓缸出口氣(開車前用高壓氮氣、停車用增壓泵氣)經過濾器 F1和 F2(過濾精度1μm),再經氣動薄膜調節閥PDCV04419將壓力穩定在高于平衡管壓力0.1MPa,然后經流量計 FI04405、FI04406下游的節流閥將流量控制在164m 3 /h 分別進入低壓缸低壓端的一級密封腔和低壓缸高壓端的一級密封腔,一級密封氣絕大部分經機組迷宮密封返回到機內,阻止機內氣體外漏污染密封,少量氣體經過密封端面泄漏至一級密封排氣腔。
    4.2 二級密封氣流程
    0.45MPa 氮氣經過濾器 F4和 F5(過濾精度1μm)后分為四路,其中兩路作為二級密封氣源分別經流量計 FI04482、FI04483進入二級密封腔 ;大部分二級密封氣經中間迷宮后與一級密封泄漏氣混合后放火炬,少量經二級密封端面泄漏后安全放空。
    4.3 隔離氣流程
    0.45MPa 氮氣經過濾器 F4和 F5過濾后再經自勵式調節閥將壓力穩定在0.15MPa 的另外兩路經音速孔板分別進入低壓缸低壓端的隔離氣室和低壓缸高壓端的隔離氣室,一部分經后置迷宮的前端后與二級密封端面泄漏氣體混合,引至安全地點放空 ;另一部分經后置迷宮的后端,通過軸承回油放空口就地放空,此部分氣體是為了阻止潤滑油污染密封端面。
    4.4 放火炬氣流程
    一級密封泄漏氣與大部分二級密封氣混合經流量計FI04407、FI04408 后 放 火 炬。 當 一 級 密 封 損 壞 時 流 量 計FI04407、FI04408數值增加。當二級密封損壞時,流量計FI04407、FI04408數值減少(見表1)。
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    5 干氣密封運行存在問題及處理措施
    合成蒸汽流量計低壓缸干氣密封一級泄漏氣流量自2015年4月原始開車至2018年6月有持續走高的趨勢,如果不及時采取措施任憑其繼續增加會給機組運行帶來隱患,嚴重時會發生聯鎖跳車事故。
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    公司決定利用2018年7月大修機會檢查壓縮機低壓缸的低壓端和高壓端的干氣密封內部情況。機組停車后降溫合格、停盤車、停油路系統,維修人員打開軸端密封大蓋后,抽出干氣密封組件發現一級密封氣部位有大量黑色碳粉(見圖4)。
    6 干氣密封使用中造成密封積碳、失效的原因
    在壓縮機開機前,必須將一次密封氣、二次密封氣、隔離氣投用,并控制好密封氣壓差和供氣流量,才能確保機組沖轉后有充足的干氣密封氣源,使動環旋轉后形成足夠剛度的氣膜,防止動、靜環干摩擦燒毀密封面。由于干氣密封是以企業微信截圖_20191107111250.jpg動壓力迫使密封面脫離接觸,而低速旋轉產生的動壓力卻不能使密封面分離,所以機組要確定達到能使密封面分離所需動壓力的轉速以上。頻繁的開停車必然要經過長時間的極低盤車(25r/min)和低速暖機(l 000r/min)。據統計合成氣機組自2015年6月至2018年7月運行期間,已經開停車已接近30次,每次開車前的主蒸汽管線暖管需要進行1.5h、停車后透平缸體溫度降至50℃需要進行盤車8.5h、低速暖機需要2h,累積時間達到360h以上,在以上工況期間轉子都處于低速旋轉狀態,可見動環與靜環長時間處于干摩擦狀態,由此找到了密封失效原因。
    經過以上分析可以得出,碳粉的形成就是干氣密封的動環與靜環磨損造成的。由于動環材質是硬質合金碳化鎢、靜環材質是碳化硅,動環硬度大于靜環硬度,靜環被磨損產生碳粉,碳粉遇液體或者氣體中重組分物質黏結在靜環的 O 型圈上,阻礙靜環的運動造成卡澀,進而造成低壓缸干氣密封一級泄漏氣流量自原始開車以來持續上升。此現象印證了當一級密封損壞時流量計 FI04407、FI04408數值增加這一說法。
    7 解決方法及效果
    既然開停車次數過于頻繁是導致干氣密封失效的主要原因,我們無法干預外界因素,但是作為操作人員應該從減少低速盤車時間和低速暖機的時間著手去解決問題。既要縮短開車前主蒸汽管線暖管時間又要保證暖管質量,打開全部就地導淋和消音器放空閥、微開主蒸汽副線閥進行暖管在控制升溫升壓速率不超標情況下盡早打開主蒸汽大閥進行暖管。
    如果機組處于極冷態啟機低速暖機時間可以控制在1.5h以內 ;如果機組處于冷態啟機低速暖機時間可以控制在1h 以內。如果機組處于熱態啟機低速暖機時間可以控制在0.5h以內。
    1)每次停車后保持熱井補水閥#大流量流通以將缸體內熱量盡快帶走,進而及早停止軸封蒸汽和盤車。
    2)每次停車后將主蒸汽閥門關閉、全開就地導淋和消音器放空從而降低缸體溫度。
    3)#為重要的是在機組停車1h 內采取連續盤車方式,隨后在透平缸體降至50℃以前采取間斷盤車(0.5h 盤車5min)的方式。
    4)2018年7月干氣密封廠家技術人員本次對干氣密封組件進行更換,合成氣機組干氣密封運行一直平穩正常、各項指標均在正常范圍內,機組運行穩定。
    8 結束語
    頻繁的開停車,特別是觸發聯鎖緊急停車后,對干氣密封的損傷較大,這就需要嚴格控制頻繁的開停車、在停車期間的規范維護中應避免以上可能導致干氣密封失效的因素發生,從而增強干氣密封的安全保障。針對該壓縮機存在的問題進行完善,從而為企業帶來了經濟效益。
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