重油加氫裝置液力透平的幾種密封方案

重油加氫裝置液力透平的幾種密封方案

根據(jù)重油回收裝置的過程，高壓反應(yīng)產(chǎn)生的油必須降壓到熱壓縮縮的系統(tǒng)。高壓下胺液可進入再生系統(tǒng)。為了從此處獲得的降壓能量，裝置中的反應(yīng)輸入泵或窮人專用泵調(diào)整了液力。表1為重油加氫裝置中液力透平的運行參數(shù),入口為高壓、出口為低壓。液力透平也稱為反轉(zhuǎn)式泵,和普通離心泵的結(jié)構(gòu)基本相同,重油加氫裝置中的透平為API610規(guī)定的BB5形式,多級雙殼體,介質(zhì)從葉輪輪緣進入,從葉輪中心流出,密封腔壓力與出口壓力基本相同。其軸端密封存在多種選擇,下面分別進行討論。1反應(yīng)進料泵液力透平的密封性能單端面機械密封結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉、維修容易,在普通離心泵中被廣泛應(yīng)用,也有個別的煉油廠將單端面密封應(yīng)用到了液力透平上。不過重油加氫裝置反應(yīng)進料泵液力透平輸送的是加氫生成油,介質(zhì)中富含H2S并溶解有大量的輕烴和氫氣,如表1,反應(yīng)進料泵液力透平有2%的液體在出口汽化成氣相介質(zhì),氣體占總體積流量的6%～10%,此類介質(zhì)通過密封面,會立即在密封面造成干摩擦。因此,若選擇單端面機械密封,應(yīng)配以可靠的清潔介質(zhì)作為外沖洗源,以保證密封面的液膜環(huán)境。反應(yīng)進料泵液力透平的操作溫度,遠遠超出了介質(zhì)的自燃點(～230℃),為防止介質(zhì)泄漏著火,必須在機封外側(cè)設(shè)置全浮動節(jié)流襯套,增加蒸汽急冷措施。急冷蒸汽的功能不僅可以降低密封失效后介質(zhì)自燃的風(fēng)險,也可以將密封面與大氣隔離,避免密封的正常泄漏產(chǎn)生氧化和結(jié)焦。波紋管的承壓能力較低,且隨著軸徑的增大而減小。單層波紋管的承壓極限約為2.0MPa;雙層波紋管的承壓稍高一些,當(dāng)軸徑大于110mm時,其承壓不超過2.8MPa。由于透平的出口壓力非常高,波紋管難以承受密封腔與大氣之間的壓差,因而大軸徑透平往往選擇彈簧式單端面密封,濕式密封面并帶有節(jié)流襯套,根據(jù)API682的定義,其沖洗方案為C2A1A3262,結(jié)構(gòu)代碼為1CW-FL。反應(yīng)進料泵液力透平選擇單端面彈簧式密封存在下面兩個風(fēng)險,在設(shè)計中應(yīng)進行充分的評估:(1)若密封失效,高含量的毒性介質(zhì)將直接排入大氣,導(dǎo)致自燃;(2)如果外沖洗液失壓,介質(zhì)中的氣相成分將經(jīng)密封腔擴散至密封面,有可能導(dǎo)致密封面很快失效。另外,介質(zhì)的傳導(dǎo)熱也會加速“O”形圈的老化。對于貧胺液泵液力透平,若選擇單端面彈簧式密封,沖洗方案為C2A1A3262,結(jié)構(gòu)代碼為1CW-FL,其外沖洗(PLAN32)的目的是阻止含氣的泵送介質(zhì)通過密封面。貧胺液泵液力透平與反應(yīng)進料泵透平一樣存在密封失效后介質(zhì)中的大量H2S將直接排入大氣的風(fēng)險。無論是反應(yīng)進料泵透平還是貧胺液泵液力透平,裝置中均沒有合適的外沖洗液,只能設(shè)置專門的增壓泵,將清潔介質(zhì)升壓之后做為沖洗介質(zhì)。2緩沖液密封沖洗液無壓串聯(lián)機械密封的安全性較強,無論哪一級密封系統(tǒng)失效,另一級會及時起到備用的作用,阻止介質(zhì)排入大氣,因此該密封被大量地應(yīng)用于含毒性的介質(zhì)和輕烴類介質(zhì)。二級密封由于運行在低溫、低壓且清潔的緩沖液環(huán)境,運行壽命相對于首級密封高很多,根據(jù)API682定義,此類密封的沖洗方案為C2A2A3252,結(jié)構(gòu)代碼為2CW-CW,兩級均為濕式密封面,這種密封可以應(yīng)用于反應(yīng)進料泵液力透平和貧胺液泵液力透平。選擇此類密封同樣存在風(fēng)險,當(dāng)外沖洗液失壓時,溶解有大量氣體的泵送介質(zhì)很快造成首級密封失效,而進入到緩沖液系統(tǒng),導(dǎo)致緩沖液罐的液位立即上升,引發(fā)高液位報警。不過,泵送介質(zhì)仍然封裝在緩沖液系統(tǒng)中,不會馬上泄漏至大氣。因此,此類密封的安全性能比單端面密封要高很多。為了使密封有良好的安全性,選擇無壓串聯(lián)密封必須提供足量可靠的外沖洗液。3雙壓力機械密封3.1各方案性能分析有壓雙機械密封有多種沖洗形式,按照API682,分為PLAN53A、PLAN53B、PLAN53C、PLAN54四種,以下就各方案的性能進行闡述。(1)不同壓力下氮氣的溶解度根據(jù)密封設(shè)計規(guī)定,有壓雙密封的隔離液壓力應(yīng)高于密封腔0.14～0.41MPa。如果液力透平選擇PLAN53A的沖洗方案,需要在隔離液罐的頂部施加壓力為2.84～3.11MPa的惰性氣體。煉油廠的常供氮氣壓力系統(tǒng)一般只有2.5MPa和0.8MPa兩個等級,而且當(dāng)壓力超過2.0MPa后,氮氣在液體中的溶解度急劇上升。因此,PLAN53A的方案只適用密封腔壓力為1.0～1.4MPa的場合,而無法應(yīng)用于液力透平的機械密封。(2)充填材料方案比選對于PLAN53B的沖洗方案,在透平靜止狀態(tài)時,隔離液由皮囊式蓄能器加壓至3.0MPa左右,此時兩級密封均承受3.0MPa的差壓,有的煉油廠選擇兩級密封均為波紋管式,在隔離液充壓階段便出現(xiàn)了端面泄漏。因此,PLAN53B方案的首級密封和二級密封應(yīng)優(yōu)先選擇彈簧式密封。貧胺液泵液力透平的操作溫度較低,適宜彈簧式密封,且首級密封不需要專門設(shè)計外部沖洗,根據(jù)API682定義,沖洗方案為C2A3A0253B。對于反應(yīng)進料泵液力透平,其溫度非常高,盡管可以設(shè)計外沖洗來降低密封腔溫度,但根據(jù)API682,機械密封應(yīng)以泵送溫度來進行設(shè)計和選材,即使選用FFKM材料的“O”形圈,其最大允許的連續(xù)工作溫度不超過290℃,因此首級密封應(yīng)考慮波紋管式密封。由于波紋管的承壓極限,PLAN53B的沖洗方案只適宜用于小軸徑的反應(yīng)進料泵液力透平,海南煉化采用的就是這種形式,其沖洗方案為C2A3C0253B。此類密封也有風(fēng)險,如果二級密封破壞失效,首級密封將承受巨大的反壓,很快也會失效。(3)透平主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用案例對于PLAN53C的沖洗方案與PLAN53B對比,僅僅是隔離液的加壓系統(tǒng)不同。PLAN53C的方案是采用一臺活塞式蓄能器,將隔離液的壓力提高至密封腔壓力的1.15倍左右,如圖1。在任何情況下,首級密封承受的僅僅是密封面兩側(cè)的差壓,PLAN53C方案在靜止狀態(tài)下其工作環(huán)境遠遠優(yōu)于PLAN53B,因此首級密封可以選擇單層波紋管形式,甚至可以不設(shè)首級密封的外部沖洗。不過,很多用戶為了追求更好的密封運行環(huán)境,首級密封仍然都設(shè)了外部沖洗,密封方案為C2A3C3253C。PLAN53C沖洗方案下的二級密封與PLAN53B二級密封的工作環(huán)境完全相同,小軸徑透平可以選擇波紋管密封,大軸徑只能選擇彈簧密封。由于活塞式蓄能器造價高,幾乎沒有用戶將PLAN53C的沖洗方案應(yīng)用到貧胺液泵液力透平。反應(yīng)進料泵液力透平若使用PLAN53C的沖洗方案,有一點是設(shè)計中應(yīng)關(guān)注的,沖洗方案PLAN53C要從密封腔處引出測壓管線,其內(nèi)部液體幾乎不流動,如果環(huán)境溫度下降,可能會造成這部分死區(qū)內(nèi)的介質(zhì)凝固,活塞式蓄能器無法將隔離液提高至所需要的壓力值,造成首級密封承受密封腔的反壓直至密封失效,因此應(yīng)對這條參考液體管線設(shè)計伴熱和保溫。圖2是一臺應(yīng)用于反應(yīng)進料泵液力透平的典型機械密封的結(jié)構(gòu)示意圖。首級密封采用波紋管密封,主要用來承受高溫;二級采用彈簧式密封,主要的目的是承受高壓。這種密封結(jié)構(gòu)的密封腔可以承受6.6MPa的壓力,遠遠高于PLAN53B沖洗方案所允許的密封腔壓力,這非常有利于透平出口安全閥的設(shè)計和定壓。選擇此類密封有一個風(fēng)險需要注意,當(dāng)二級密封失效后,活塞式蓄能器的高壓側(cè)與大氣導(dǎo)通,將無法維持高壓的隔離液系統(tǒng),隔離液壓力迅速降為零,首級密封將立即承受與密封腔壓力相等的反壓(2.7MPa),這遠遠超出波紋管所能承受的極限反壓(1.0MPa),如表2列出的一組典型的密封數(shù)據(jù),首級密封很快就會損壞。(4)排壓器+出口管線國家密封配方PLAN54沖洗方案的運行原理與PLAN53C相同,隔離液采用強制循環(huán),機械密封必須配置專用的密封油系統(tǒng),如圖3所示的流程。密封油站內(nèi)部設(shè)循環(huán)油泵、油冷卻器、油箱等必要設(shè)施。隔離液壓力靠安裝在出口管線上的調(diào)節(jié)閥來維持,隔離液的循環(huán)由專用的循環(huán)泵提供動力,而不是靠安裝在機械密封內(nèi)部的泵送環(huán)。因此可以加大循環(huán)量,進一步降低隔離液的溫度,改善密封的運行環(huán)境,從而提高其使用壽命。PLAN54沖洗方案可以應(yīng)用于反應(yīng)進料泵液力透平和貧胺液泵液力透平,由于其造價非常高,沒有推廣應(yīng)用。該方案需要關(guān)注的問題與PLAN53C一樣,也是要對差壓變送器DPT的引壓管線進行伴熱,也同樣存在二級密封失效后無法建立隔離液壓力的風(fēng)險。3.2多級密封的密封有壓雙機械密封有三種結(jié)構(gòu)形式,串聯(lián)(3CW-FB)、背對背(3CW-BB)和面對面(3CW-FF)三種。(1)根據(jù)API682的要求,無論是無壓還是有壓,串聯(lián)密封應(yīng)設(shè)計成當(dāng)首級密封失效后,密封腔介質(zhì)串入隔離液系統(tǒng),二級密封仍然能夠起到密封的作用;此外二級密封失效后,首級密封也不應(yīng)立即損壞,兩級密封是完全互相備用的關(guān)系。但其要求密封腔尺寸非常大,很多制造商無法滿足密封的安裝要求。且由于串聯(lián)密封自身的結(jié)構(gòu)限制,隔離液不能冷卻首級密封面,因此串聯(lián)密封必須設(shè)計針對首級密封的外部沖洗。(2)背對背的密封,其標準設(shè)計中補償元件是旋轉(zhuǎn)的,密封的整體尺寸相對較小。且波紋管在旋轉(zhuǎn)中有泵送效應(yīng),可以將液體中攜帶的顆粒甩離波片。但要注意的是,如果補償環(huán)高速旋轉(zhuǎn),需要保證其很高的平衡性,因此不可以使用到大軸徑(大于115mm)或高速(線速度大于23m/s)的場合,否則應(yīng)選擇靜止式補償元件。燕山石化通過調(diào)整補償元件的位置,大大延長了密封的使用壽命。(3)面對面的密封,其補償元件是靜止的,動、靜環(huán)之間能夠很好的跟隨。且首級密封能夠被隔離液充分地冷卻。即使沒有外沖洗液源,首級密封也能運行在非常良好的環(huán)境。比較適宜于重油加氫裝置反應(yīng)進料泵液力透平。4氮氣急冷輔助措施設(shè)計無論是無壓雙機械密封的緩沖液,還是有壓雙機械密封的隔離液,在運轉(zhuǎn)過程中均會產(chǎn)生大量的熱量,尤其是通過密封面時溫度會劇烈上升,緩沖液或隔離液泄漏出來后與大氣接觸,可能會導(dǎo)致結(jié)焦,因此在二級密封最好設(shè)置氮氣急冷的輔助措施PLAN62,以隔絕空氣中的氧氣和水蒸汽并吹掃從二級密封泄漏出來的緩沖液或隔離液。單端面機械密封在正常運轉(zhuǎn)過程中泄漏出來的液體是泵送介質(zhì),輔助密封往往采用蒸汽急冷,防止泵送介質(zhì)結(jié)焦或結(jié)晶。5密封方案的確定液力透平的機械密封有多種形式,每種都各有特點,但在使用中也存在不同程度的風(fēng)險,在工程設(shè)計中要綜合考慮其結(jié)構(gòu)和沖洗方案、透平的尺寸、現(xiàn)場