离心式压缩机干气密封电加热系统改造应用

离心式压缩机干气密封电加热系统改造应用

贾世宽

伊犁新天煤化工有限责任公司 新疆 伊宁 835000

摘要：随着煤化工行业的快速发展，离心式压缩机因具有气量大、结构简单紧凑、运转平衡、操作可靠、备件及维护投入少等优点，得到广泛的应用。本文在总结离心式压缩机干气密封的特点以及电加热系统重要性的基础上，结合工厂实际，对新增电加热器系统改造进行了总结分析，对防爆电加热器安全运行必须的参数进行了充足的考虑，配置了较完善的温度保护及监控系统，电加热系统出口温度采用高品质温控仪表进行 PID 调节控制，在同类项目改造设计中具有借鉴意义。

关键词：干气密封 防爆电加热器 电加热系统 温度控制 远程监控

引言

干气密封是一种先进的旋转轴用动密封，干气密封的出现是密封技术的一次革命，它具有使用寿命长、无介质泄漏、轴功率消耗低等优点，因此得到广泛应用 。干气密封是一种气膜润滑的流体动、静压结合型非接触式机械密封^[1] ，它是在机械密封的动环或静环 （一般在动环上） 的密封面上开有密封槽 （T 形），当动、静环高速旋转时，气体进入密封槽，在泵送效应产生的推力作用下被引向中心，在被压缩的同时，遇到密封堰的阻挡，压力增大，把动、静环推开，使动、静环密封端面不接触，流动的气体在两个密封面间形成一层很薄的气膜，从而达到密封的效果^[2] 。若密封气中产生凝液将会导致压缩机密封环损坏，需要确保经过干气密封调压后的气体温度仍高于水露点，为此需要对改气体进行加热。

1、电加热系统设计的工艺条件

压缩机机组型号：西门子STC-GO(14-1-G)(GXP-220)，机组转速8074RPM，停车转速12111RPM，轴径110mm，干气密封型号约翰克兰T28XP。压缩机组入口压力28Bar，入口温度151-165 ℃，压缩机组出口压力29.2Bar，出口温度160-170 ℃，介质组份（mol%）：H₂（24.1）、CO（2.43）、CO₂（4.23）、CH₄（47）、N₂（0.37）、C+（0.18）、H₂O（21-24）。按照介质组份分析，目前介质的水露点为155℃，按干气密封对密封气的要求（介质温度高于水露点20℃），介质温度应提升到175℃以上。

2、电加热系统设计

由于工厂运行实际中，密封气经过滤器及管路等进入原有电加热器（4kW）加热后的温度只有169，不能满足对密封气的要求（介质温度高于水露点20℃）。为了便于温度控制，考虑在原有电加热器后再串联增加电加热器系统，进一步提升介质温度。

新增干气密封气源加热系统选用直接电加热方法，电加热器系统设置两组电加热器，以实现一用一备(互为备用)或同时使用。每组电加热元件应由多根电加热杆组成，以增大发热面积，提高换热效果。以介质温度为控制参数，以要求的介质温度为控制目标，通过温控仪表PID 计算输出4-20mA 信号,此信号进可控硅触发器（电力调整器）对加热器的输出功率进行调节，从而达到恒温效果。由于电加热器使用在防爆场所，电加热器及电控箱选用隔爆型，防爆等级ExdⅡCT4。考虑到电加热器在密封气介质中表面的散热情况及出口温度目标（195℃），要求电加热器(包含内部电加热杆)设计温度大于300℃。当进入电加热器系统介质正常工作压力为3MPaG,气源温度不低于160℃，流量不高于120Nm3/h时，介质通过电加热系统后温升至少20℃，加热器功率至少为9KW/组。电加热系统包含防爆电加热器、防爆电控箱、过热保护、温度检测、温度控制等自成一体的撬块设备。电加热器防爆电控箱电气一次回路分别配置总断路器、支路断路器，每组电加热器二次回路单独配置控制电源断路器及控制线路，保证了每组电加热器单独运行的可靠性。电控箱外部有相应所有断路器操作把手，其他仪表的设定、查询，开关的手动操作都可在箱外进行操作。

2、温度控制及保护

在电加热系统出口设置温度一体化温度变送器，输出4~20mA温度信号（加热器出口温度）进控制箱出口温控仪表，同时该温控仪表输出4~20mA温度信号给DCS。电热管表面温度由电热管表面的双支热电阻给信号进控制箱管表温控仪表。操作人员可在控制箱出口温控仪表上设定工艺温度值后与测量值进行PID运算后输出调功信号（4-20mA）至电力调整器，调节输出功率来实现温度控制；出口温控仪表也可接收来自DCS的工艺温度设定值，用户可通过控制箱面板的切换开关进行远程/就地设置的切换。当出口温度或电热管表面温度出现超温时，温控仪表发出超温故障指令，电加热器跳闸停止工作；待故障消除后，用户需按下控制箱面板上的复位按钮后，方可重新启动电加热器。当电力调整器（SCR）出现故障报警时，电加热器跳闸停止工作；待故障消除后，用户需按下控制箱面板上的复位按钮后，方可重新启动电加热器。为了保证气体具有设定流量（≥60Nm

³/h）能将热量带走，防止电加热器干烧快速升温导致加热元件超温损坏，控制回路有流量控制接点，当流量不满足条件时，电加热器不能启动或停止加热，能够可靠地保证电加热元件的安全。

所有温度检测元件为双支热电阻，支持在线更换，温度数显表（二次表）、PID温控仪采用原装进口品牌（富士）。出口温度测量仪表采用一体化温度变送器（带套管）（罗斯蒙特）。电加热系统连续信号仪表采用本安型（ExiaⅡCT4）。

3、自动控制

电加热系统与DCS 系统连接，提供密封气加热后温度、电加热管温度等参数及电加热器工作、停止、报警等信息，同时可以接受从DCS 发出的温度设定信号（4-20mA），置于远程控制时，还可以在控制室内直接启动、停止电加热器，远程给定加热器出口温度。在DCS操作站设置远程监控画面，实时监控电加热器系统运行状态。

4、系统调试

在安装完成后首次进行送电调试前，必须严格进行工艺管线吹扫、气密试验等工作，检查现场电控箱与DCS后台监控逻辑、温度仪表显示及信号传输的准确性。带电升温调试需选择两组加热器串联、单独工作等几种工作模式下分别进行，为了防止电加热元件表面温度上升过快，通过实际工况试验关键在于设置输出功率限制比例、功率上升速率等参数，达到升温目标值后的温控仪表的自整定，最终实现恒温控制。通过调试发现调试完成后恒温工作时加热管表面温度与出口温度值相差在80℃以上（温差），调试阶段升温过程中这个温差会有偏差偏高，故在选择电加热器元件时最高工作温度参数（选300-400℃）较为关键，不能仅仅参考电加热系统的出口工作温度（185-195℃）确定电加热器的设计温度、最高工作温度。用公式采用对数平均温差计算，所得到的加热器传热面积一定能够满足温升的要求^[3]。

5、结束语

目前撬装设备的应用较为广泛，应用过程需充分考虑与原有设备配套的紧密性及配套性能。以上电加热系统的工厂应用成功实现了密封气加热控温精度要求，具有运行安全可靠、自动化程度高等优点。总结改造过程，电加热系统在加热管表面散热、电加热管温度极限、串联后工艺系统压差的影响、撬装结构的优化等方面需进一改进，尤其要关注改造后对系统压差的影响，使电加热系统性能日趋完善，切实保障离心式压缩机的安全稳定长周期运行。

参考文献

[1] 杨富来.干气密封技术及实际应用[J].石油化工设备技术，2004，25（3）：63-66.

[2] 安东俊，李鸿刚，常广东，等.干气密封在 120 万 t/a 加氢裂化循环氢压缩机上的应用[J].化工科技市场，2006，29（9）:19-22.

[3] 周正川,张爱国.加热器的选择.基层建设,2017,23.