MTO 装置泵用密封冲洗方案的选用

陈庆同

（天津大沽化工股份有限公司，天津300455）

API682 标准 （离心泵和转子泵用轴封系统）1994 年4 月出版第一版，由于此标准要求的制造使用成本高，多数用户仅用于参照；随着对安全环保的重视程度的提高，API682 标准第二版在2002 年颁布后，广泛应用于石油、石化、化工行业的机械密封中；API682 标准第三版在2004 年颁布，并与ISO标准合并，得到了更大范围的推广，在2002 年颁布的第九版API610（石油、石化和天然气工业用离心泵）中API682 标准被直接引用[1]；API682 标准第四版在2014 年5 月正式发布，此版API682 标准中融入了大量的实践经验。

1 API682 标准应用范围与密封系统

1.1 应用范围

API682 标准适用于石油、天然气和化工行业中的离心泵和转子泵的密封系统，主要应用于危险、易燃或者有毒介质的工况以及密封轴径在20～110 mm的场合。其他泵和压缩机、搅拌设备中的密封不属于本标准的范围，但也被其相应的标准所引用。为了满足泵的连续运转要求，该标准的密封系统要在满足相应标准规范最大泄漏率要求的情况下，连续运转至少3 年（25 000 h）。

1.2 密封系统

API682 标准将密封分成3 个系列、3 种型式和3 种布置方式。

（1）密封系列。API682 将密封分为系列1、系列2 和系列3 个系列的应用范围等见表1。

表1 密封系列应用范围对比表

（2）密封形式。API682 将密封分为A 型、B 型和C 型3 种形式，其区别见表2。

表2 密封形式对比表

其中A 型和B 型密封的使用温度≤176 ℃，C型密封的使用温度≤400 ℃。低温工况常采用B 型密封。

（3）密封布置方式。API682 将密封分为布置方式1、布置方式2 和布置方式3，其区别见表3。

表3 密封布置方式对比表

布置方式2 首选的端面组合方式为 “面对背”组合方式，布置方式3 标准的端面组合方式为“面对背”，这使得密封腔内的杂质在离心力的作用下会向外甩，对主密封影响小，但是“背对背”和“面对面”端面组合方式更紧凑。

2 常用密封冲洗方案介绍

API682-2014 共介绍了32 种密封冲洗方案，以下介绍几种常用的密封冲洗方案。

（1）PLAN11：密封冲洗液从泵高压区引出，经限流孔板获得冲洗流速后进入密封腔。本冲洗方案适用于泵送洁净介质工况，以免堵塞限流孔板。

（2）PLAN13：密封腔的冲洗液经过限流孔板后，返回泵的入口。此方案适用于高扬程泵，可避免高扬程泵选用PLAN11 方案时，使的孔板直径很小或者冲洗流速很大。

（3）PLAN14： 此 方 案 相 当 于 PLAN11 和PLAN13 的组合；此冲洗方案在对密封面进行冷却的同时，连续的给密封腔排气，示意图见图1。

（4）PLAN21：相当于在PLAN11 方案的孔板后增加了一个冷却器。冷却器可以降低进入密封腔的温度， 从而提高密封腔的饱和蒸汽压力裕量。PLAN21 冲洗方案可以采用空气冷却，在不能采用水冷的情况下是较好的选择，而且由于PLAN21 冲洗液来自泵的出口，一般情况下PLAN21 会提供足够的压差来提供较好的冲洗流速。

图1 冲洗方案14示意图

（5）PLAN23：密封腔内的冲洗液，通过密封腔内的循环装置进入密封腔外部冷却器后，再进入密封腔。对于PLAN23 冲洗方案，冷却液的循序仅在密封腔的内部，冷却器仅用来冷却循环的那部分冲洗流体， 而不是持续冷却泵出口的冲洗流体， 所以与PLAN21 相比更不易堵塞，而且PLAN23 的冷却器负荷要小于PLAN21 的冷却器负荷，能效较高，示意图见图2。

图2 冲洗方案23示意图

（6）PLAN32：冲洗液是来自外部的洁净冲洗介质。PLAN21 和PLAN23 冲洗方案可能会出现堵塞问题，如果能够提供外部冲洗液，而且冲洗流体与泵送流体相容，用户也可以考虑选用PLAN32 冲洗方案。但是PLAN32 会稀释产品，同时操作费用高，能耗高，一般PLAN32 用于泵内介质含有固体颗粒等杂质的情况，不推荐仅仅由于冷却的需求就采用PLAN32 冲洗方案。

（7）PLAN52：应用在布置方式2 无压密封的场合，缓冲液压力要比密封腔压力低0.28 MPa。抑制密封腔内的缓冲液通过抑制密封腔内的循环装置将缓冲液循环到外部储罐，之后缓冲液再回到抑制密封腔。 通过主密封泄露的气相随缓冲液到储罐后，从储罐的顶端排放至气体收集系统，因此缓冲液压力接近大气压，同时由于主密封的泄露，泵送介质会污染缓冲液，需定期对缓冲液系统进行保养和维护。当主密封泄露后，泵送介质会泄漏到缓冲液罐，触发缓冲液罐内的高液位报警，若泄露速度过快，也会触发缓冲罐压力报警。此方案要求泵送介质为洁净、非聚合性质的流体。PLAN52 冲洗方案示意图见图3。

图3 冲洗方案52示意图

（8）PLAN53A/B/C：应用在布置方式3 加压密封的场合。PLAN53A 为隔离液储罐外部气体加压，PLAN53B 为囊式蓄能器加压，PLAN53C 为活塞式蓄能器加压， 以下主要介绍PLAN53A 冲洗方案。PLAN53A 冲洗方案是通过外部气体给隔离液储罐中的隔离液加压，使隔离液压力高于密封腔压力，压差至少为0.14 MPa。其隔离液的循环同PLAN52中缓冲液的循环。如果泵送介质较脏或者易结晶，该冲洗方案是较好的选择，但是要保证隔离液与泵送介质有较好的相容性， 不会对泵送介质造成污染。当密封泄漏时，隔离液通过主密封漏向泵内或者通过二级密封漏向大气侧，这都会使储液罐液位降低，触发低液位报警。

（9）PLAN54：应用在布置方式3 加压密封的场合，隔离液由外部隔离液系统提供，隔离液的压力不能低于密封腔的压力，否则如果主密封泄漏，泵送介质会污染整个外部隔离液系统。PLAN54 冲洗方案用于泵送介质温度较高，或者含有固体颗粒的场合。

（10）PLAN62：急冷（吹扫）介质从外部引入到密封的大气侧，急冷（吹扫）介质可以是蒸汽、氮气或者水，其作用是去除可能积聚在密封面周围的有害物质。

（11）PLAN72：应用在布置方式2 无压密封的场合。主密封为接触式密封，抑制密封为非接触式密封。抑制密封腔由外部气源提供缓冲气。

（12）PLAN76：应用在布置方式2 来排放泄漏到抑制密封腔的不凝气， 并将泄漏气排放到指定位置。该方案中配有压力变送器，来监测泄漏气压力并实现报警功能。

实际上，在选择密封冲洗方案时，可以根据实际情况进行几种冲洗方案的组合来达到想要的密封效果。

3 MTO 装置密封冲洗方案选择实例

以下介绍MTO 装置中几种典型泵的密封冲洗方案的选型。

3.1 凝结水泵

（1）参数

介质：凝结水；密度877 kg/m3；流量90 m3/h；扬程95 m；泵送温度147 ℃；入口压力0.3 MPaG；泵型OH2。

（2）工艺作用

将蒸汽凝结水泵送至除氧器进行除氧或者泵送至MTO 装置区外。

（3）冲洗方案

由于PLAN23 冲洗方案适用于所有的热水工况，并且PLAN23 是80 ℃及以上的热水及锅炉给水工况的标准冲洗方案，相比PLAN21 更节能，所以蒸汽凝结水泵选择PLAN23 冲洗方案。

3.2 碱液循环泵

（1）参数

介质：8%浓度NaOH；密度1 080 kg/m3；流量50 m3/h；扬程26 m；泵送温度42.5 ℃；入口压力1.0 MPaG；泵型OH2。

（2）工艺作用

为碱洗塔碱洗段的碱液循环提供动力，来洗涤反应气中携带的H2S 和CO2，以满足乙烯产品中的规格要求。

（3）冲洗方案

该泵泵送介质为非烃类介质，洁净且泵送温度不大于80 ℃，因此可选择布置方式1 和PLAN11 冲洗方案；由于主密封组件周围可能积聚苛性碱，因此选用PLAN62 冲洗方案作为辅助密封系统。综上，该泵的冲洗方案选为PLAN11+62。

3.3 脱甲烷塔回流泵

（1）参数

介质：C1～C3烃；密度561 kg/m3；流量30 m3/h；扬程109 m；泵送温度-37 ℃；入口压力3.0 MPaG；泵型OH2。

（2）工艺作用

把经过脱甲烷塔塔顶冷凝下来的，以及经过脱甲烷塔排气冷凝器冷凝下来的脱甲烷塔塔顶凝液打回流，泵送进脱甲烷塔塔顶，作为脱甲烷塔的洗液。

（3）冲洗方案

由于工艺要求，缓冲液/隔离液不能泄漏到泵中，并考虑到泵送介质甲烷不能泄露到大气中，所以选用PLAN52 冲洗方案。 虽然PLAN62 在附录G 中描述为： 主要用于单端面密封的辅助系统，其目的是去除氧化物，防止结焦，也用于冲走动密封组件周围积聚的有害物质。 但在7.2.2.1 无压双封的NOTE1 中有描述为： 在低温工况下，可使用急冷（吹扫）来防止结冰。 由于该泵泵送温度为-37 ℃， 所以在密封冲洗方案中也选用了PLAN62 来防止结冰。 综上，该泵的冲洗方案选为PLAN14+52+62。

3.4 C2 绿油分液罐底泵

（1）参数

介质：C2烃；密度444 kg/m3；流量4 m3/h；扬程266 m；泵送温度-31.5 ℃；入口压力2 MPaG；泵型OH6。

（2）工艺作用

将C2绿油分液罐底液泵送到乙烯精馏塔，在乙烯精馏塔塔底中回收洗液中的C2 组分。

（3）冲洗方案

虽然该泵为低温泵，但由于高速泵布置空间的限制，不能选用PLAN62 冲洗方案。基于立式泵排气的考虑，主密封冲洗方案选择PLAN14。在附录A 推荐的机械密封选择程序的表7、8、9 中单独提到是否为立式泵， 若为立式泵就选择PLAN13 或PLAN14 冲洗方案，因为在表7、8、9 中针对是否为立式泵注解a 有描述：密封腔是否需要排气为是否考虑采用PLAN13 的一项参考因素。注解b 中又有描述为：单独采用PLAN13 时，若密封腔和泵入口间的压差不能保证所要求的冲洗流量时， 应选择PLAN14。在附录G 中PLAN13 和PLAN14 也有相应的描述，这也是该泵选择PLAN14 的原因。综上，该泵的冲洗方案选为PLAN14+52。

3.5 混合C4 装车泵

（1）参数

介质：混合C4；密度562 kg/m3；流量30 m3/h；扬程60 m；泵送温度40 ℃；入口压力0.36 MPaG；泵型VS6。

（2）工艺作用

将罐区混合C4储罐中C4产品泵送到C4装车鹤位。

（3）冲洗方案

由于VS6 为立式泵，主密封的冲洗方案按照上述讨论选择PLAN14 冲洗方案。该泵处于混合罐区，而本项目中混合罐区不能提供循环水进行密封的冷却，所以该泵的抑制密封冲洗方案选择干气密封PLAN72+76 的型式， 主密封泄漏的气相通过PLAN76 冲洗方案收集并排放到火炬，当主密封大量泄漏时，PLAN76 还有触发报警的功能。综上，该泵的冲洗方案选为PLAN14+72+76。

3.6 丙烯精馏塔回流泵

（1）参数

介质：丙烯；密度469 kg/m3；流量1 769 m3/h；扬程130 m；泵送温度45.1 ℃；入口压力2.42 MPaG；泵型BB2。

（2）工艺作用

将丙烯精馏塔塔顶经冷凝器冷凝下来的一部分液相，泵送回丙烯精馏塔塔顶，作为丙烯精馏塔的洗液。

（3）冲洗方案

由于BB2 泵型的泵密封腔压力接近入口压力，不适合选择PLAN13 冲洗方案，综合考虑泵送温度和介质较为洁净，主密封选择PLAN11 冲洗方案。考虑到缓冲液不能进入泵内，影响丙烯的产品规格，所以选用无压密封冲洗方案PLAN52。综上，该泵的冲洗方案选为PLAN11+52。

4 结语

在安全和环保重视程度日益提高的当下，API682 标准在石油、化工等工业领域中泵用密封及其辅助系统的设计、制造和运行都有着至关重要的指导作用。只有掌握了密封形式、分类和冲洗方案及其配置，并结合泵送介质温度、压力和特性（易燃易爆、毒性），才能确定针对每个不同工况的密封形式和冲洗方案，保证设备安全长期运行，并符合环保零泄漏的要求，做到化工装置设备本质上安全。