高压加氢反应釜机械密封辅助系统可靠性研究

魏文亮，曹达，王铁军，杨慧霞，何向东

高压加氢反应釜机械密封辅助系统可靠性研究

魏文亮，曹达，王铁军，杨慧霞，何向东

（大连华阳密封股份有限公司， 辽宁 大连 116036）

针对高压加氢反应釜工况特点，提出了全新的Plan 54密封辅助系统的技术方案。相较于常规辅助系统冲洗方案，新冲洗方案的隔离液循环流量更大、更稳定，机械密封的散热效果更好；同时机械密封辅助系统的安全性和可靠性也得到了极大的提高，可以确保机械密封长周期安全运行，可为类似装置的密封辅助系统升级改造提供有益的参考。

加氢反应釜；机械密封；辅助系统；升级改造

高压加氢反应釜是众多化工行业需要配备的最为重要、关键的设备，其运行是否稳定、可靠，严重影响整个生产装置的运转。

以某化工己内酰胺装置为例（工况参数见表1），高压加氢反应釜具有压力高、压力波动大、介质温度高、釜内介质复杂等特点，同时加氢反应釜是己内酰胺装置的核心设备，不仅反应釜本体及配套机封的运行安全性及其在工艺流程中的重要性都具有十分显著的位置，因此对于加氢反应釜密封的配套系统应运行十分可靠，以保证机封及反应釜安全、连续运行。

1 己内酰胺装置加氢反应釜工况参数及当地条件

1.1 加氢反应釜A-1102/1103工况参数

表1 加氢反应釜A-1102/1103工况参数

1.2 当地环境温度、冷却水条件参数

表2 当地环境温度、冷却水参数

1.3 加氢反应釜A-1102/1103工况及当地环境特点分析

由表1的操作压力可以看出,反应釜A-1102/1103属于高压、变压力、存在固体悬浮颗粒的介质工况，要保证反应釜配套的机械密封长周期运转，密封系统需要采用带压系统方案并且摩擦副内、外压差应基本恒定，使其处于相对稳定的压力场，因此密封配套冲洗系统的封液压力应采用与釜内压力随变方式，即在封液压力始终高于釜内压力同时，封液压力与釜内压力差值应保持恒定。

由表2大气温度可以看出,当地环境温度温差较大（最低温度-18 ℃、最高温度35 ℃），机械密封要长周期运转，其动、静密封点处温度场就不能存在较大的变化，且应维持在10～45 ℃范围之间为宜，因此在封液压力不断随釜内压力变化的同时，封液温度、封液流量应保持恒定。

2 密封冲洗系统方案

通过第1.3项分析可知，加氢反应釜A-1102/1103需要带压冲洗方案，机封带压冲洗方案通常采用PLAN 53A/B/C及PLAN54系统,而PLAN53A/B/C方案无法满足釜内介质工况的高压力及压力周期性、复杂性、当地气候环境等诸多因素使用要求，需采用Plan54冲洗方案，即通过外围设备的变压力、恒温、恒流量供给系统来提供机封所需的良好的工作环境，保证密封长周期、稳定运转。

2.1 密封冲洗系方案简介

首先密封冲洗系统要保障机械密封在任何可能的介质工艺条件变化下均能运行可靠，为密封提供合理的压力、温度、流量等控制参数，其次密封冲洗系统本体要可靠。

针对反应釜A-1102/1103介质条件，Plan54系统封液选用适用于机械密封摩擦副润滑且对介质无影响的360#液态石蜡油。由于该油品粘度适用于容积泵选用范围，因此Plan54系统动力源选用齿轮泵。齿轮泵适用油品广泛、结构简单、易于更换及维修，齿轮泵运转过程中泵送介质流量恒定、相对压力脉动小，采用齿轮泵作为机封封液系统动力源可以保障机封系统自身的长周期、稳定运转。

机封封液在使用过程中要保持清洁并防止油品高温变质、低温结冰，因此采用过滤精度30μm烧结滤芯过滤掉油品内杂质，保障机封润滑油品清洁；由于机封运转中在摩擦副表面产生大量热量，360#液态石蜡油作为封液为机封摩擦副提供润滑的同时也将带走摩擦副表面的热量，因此系统需要采用冷却器为液态石蜡油降温，对于当前反应釜A-1102/1103密封PLAN54系统需采用1台（换热面积8㎡）冷却器，依据油品温度选择适当冷却水流量。系统停运期间，液态石蜡油依靠油箱内置电加热器预热，以防止石蜡油油在低温下凝固，确保石蜡油温度控制在设计温度范围内。

2.2 密封冲洗系统方案设计特点

（1）PLAN54系统采用一拖二方式为加氢反应釜A-1102/1103同时提供封液；

（2）PLAN54采用双泵系统，即采用两台齿轮泵泵，一用一备，互为备用；

（3）系统上油路总管压力采取脉冲吸收及压力监测；

（4）系统上油总管路流量采用气动流量调节阀实时调节以保证去往密封的总流量恒定；

（5）系统设置超压保护措施；

（6）系统采用双精密过滤器一用一备冗余措施，提高系统整体运行可靠性；

（7）密封封液各支管路均采用流量变送器监测支路流量，同时实现密封泄漏预测及报警；

（8）封液回油管路采用气动压力调节阀实时调节封液压力，实现随釜内压力随动控制；

（9）系统不停车密封在线维修、更换；

（10）系统不停车在线自身维修、维护；

（11）系统停机保压（系统停止运行情况下，保障密封封液压力不变）。

2.3 密封冲洗系统P&ID图及逻辑联锁图

依据用户现场情况，PLAN54冲洗系统分两部分布置，动力源本体部分及现场管路部分。本体部分布可置于户外或空旷、适于维护的地面泵房内，现场管路部分位于高压加氢反应釜A-1102/1103设备附近。由于动力源本体部分布置相对于反应釜A-1102/1103机封水平距离、垂直距离较远，为了有效、及时、准确检测并控制反应釜A-1102/1103机封封液的压力及温度，故将密封封液的测压、测温仪表布置于所在位号机封附近下游管路。

PLAN54系统工艺管道流程具体见系统P&ID图。图1：PLAN54密封冲洗油站本体部分P&ID图；图2：反应釜A-1102/1103机封进、出口管路P&ID图；图3：PLAN54系统逻辑联锁图。

图1 PLAN54密封冲洗油站本体部分P&ID图

图2 加氢反应釜A-1102/1103机封进、出口管路P&ID图

2.4 密封系统实施要点

PLAN54系统压力源采用2台齿轮泵，互为备用，两台齿轮泵下游管路分别配备弹簧微启安全阀，防止出现系统意外高压损伤泵体及造成现场设备损坏。

PLAN54系统油箱配置防爆电加热器及液位变送器，中控可以通过液位变送器数据实时监测油箱液位。若液位低，防爆电加热器无法投用，防止电加热器干烧而损坏，若液位低至泵吸入口位置，则2台齿轮泵均无法启动，可防止齿轮泵无液运转而损坏。

图3 PLAN54系统逻辑联锁图

PLAN54系统去机封前封液总管路布置皮囊蓄能器，可以有效吸收齿轮泵运行期间产生的压力脉动，蓄能器上游配置流量变送器及压力变送器，流量变送器通过PID控制、调节气动流量调节阀，实现无论封液压力如何变化，去往机封的总管路流量保持恒定；压力变送器监测封液油主管路压力。

A-1102/1103密封上游封液各分支管路分别配置流量变送器，可以监测各台密封的封液流量，同时也可对密封泄漏情况进行预测、报警。

A-1102/1103密封下游封液各分支管路分别布置温度表、压力表，可就地查看封液支路管线压力及温度。

A-1102/1103密封下游封液总管路布置气动压力调节阀及差压变送器，差压变送器分别采集A-1102/1103釜平衡管内压力及机封下游封液主管路压力，通过封液管路压力及釜平衡管内压力差值实时、有效控制并调节气动压力调节阀开度，保证A-1102/1103机封封液压力始终高于釜内压力在设定值附近，并随釜内压力的变化而自动调整。

A-1102/1103密封下游管路布置液控单向阀，单向阀液控线来自泵出口封液总管。若系统断电或其他原因导致2台油泵无法工作时，液控单向阀关闭切断机封下游的回油主管路，同时密封上游各单向阀关闭切断封液上油主管路，皮囊蓄能器此时实现停机保压功能，确保系统断电状态下密封仍处于正压状态；液控单向阀下游配置气动开关阀，若机封封液压力与釜平衡管压力差值低于设定值时气动开关阀关闭，确保密封处于正压。只要机封处于正压状态，反应釜内介质（主要是氢气）便无法泄漏至大气，可保证现场安全。

A-1102/1103密封上游封液各分支管路、反应釜机封、气动调节阀分别配置旁路，可以实现单台封液管路的手动操作，实现单台密封、智能仪表及气动调节阀从封液管路中切除、维护、更换，而不影响其他密封及系统整体的正常运行。

3 结束语

高压加氢反应釜是生产工艺环节中重要设备，其介质工况复杂性需要密封有功能完善的系统支撑，通过上述PLAN54系统的配置及合理监控不仅可以确保系统本身的可靠，而且可以以较低的成本最大保证密封的可靠、长周期运转，为密封良好运转提供最佳运行环境，同时也可为同类型工况设备密封的辅助系统选用提供设计参考。

［1］刘国辉，杜立建，张晏崧，等. 羰基合成反应器搅拌器机械密封失效原因分析[J]. 炼油与化工，2016．

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［3］顾永泉. 机械端面密封主要参数的计算（三）：性能参数（续）与计算示例[J]. 流体机械，1996（6）：27-32．

［4］美国石油学会标准API Std682：2004．

［5］釜用机械密封辅助装置HG/T2122-2003．

［6］釜用机械密封技术条件HG/T2269-2003．

［7］釜用机械密封系列及主要参数HG/T2098-2001．

Study of the Reliability of Supporting System of Mechanical Seal for High-pressure Hydrogenation Reactor

,,,,

（Dalian Huayang Seals Co.,Ltd., Liaoning Dalian 116036，China）

According to the working conditions of high-pressure hydrogenation reactor, a new mechanical seal supporting system Plan 54 hasbeen presented. Compared with the conventional flushing plan system, the new supporting system is of more circulating flow, more stable, better cooling effect of mechanical seal; at the same time, the safety and teliability of mechanical seal supporting system has also been greatly improved, which can ensure the long-period safe operation of the mechanical seal. The paper can provide useful reference for upgrading mechanical seal supporting system of similar chemical plants.

hydrogenation reactor;mechanical seal;supporting system;upgrading

TQ 052

A

1004-0935（2017）04-0369-04

2016-3-22

魏文亮（1979-），男，蒙古族，工程师，硕士研究生，辽宁大连市人，2008年毕业于辽宁工程技术大学机械设计专业，研究方向：从事流体密封与系统研究、设计。