往复压缩机填料放空与监测系统的设计

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

1 引言

填料是往复压缩机的重要密封元件，又是机组的易损部件。填料泄漏是机组运行中不可避免的常见问题。往复式天然气压缩机填料泄漏的气体必须设计放空系统，将泄漏气体引至安全区或火炬系统放空[1-2]，但目前很少对填料的泄漏程度进行监测[3]，不能预知填料的维修和更换时间。为提高和完善往复压缩机工作的自动化程度，保障压缩机的安全高效运行，有必要对往复压缩机填料的放空和监测系统进行设计研究。

填料的泄漏量增大会造成机组的效率低下，过量泄漏预示着填料的故障；填料的故障将造成机组停车，占机组故障停车的40%以上；大量天然气排放也会造成大气的污染，所以对填料的泄漏量进行监测，可计划性地维修和更换填料，亦可减少泄漏气体无节制地排放造成大气污染。

2 填料的工作原理

填料是密封气缸和活塞杆间隙的元件，阻止气缸内的气体通过气缸和活塞杆之间的间隙泄漏，保证压缩机的正常运行和安全生产。现在的填料都是自紧式的，其密封原理利用阻塞和节流两种作用相组合，它靠被密封的气体本身的压力和拉簧产生的压应力作用在密封环的外径，使密封环的内径与活塞杆外径紧密贴合[5-6]（图1）。

3 填料放空系统

由于压缩机填料不可避免的气体泄漏，必须将压缩机中体隔室泄漏的气体引至安全区域排放。填料的放空包括泄漏气体和污油的排放，将各气缸填料上部泄漏气体和下部排放的污油通过管线连接汇集到油气分离罐，油气靠自重经过简单分离，气体从分离罐上部引至大气排放系统、火炬系统或排放回收系统，污油从分离罐下部排掉。典型填料放空系统流程如图2所示。

填料放空系统设计和安装技术要求如下：

（1） 磨损或损坏的填料会导致高排气流量并增加排气管线上的背压。选择足够的排放管线尺寸，避免压缩机中体隔室上的背压超过25 psi（1.7 bar）[7]。

（2） 在连接到火炬系统时，要考虑火炬的恶劣工况，其他设备可以形成一个大的火炬压力从而对中体隔室产生背压。

（3） 为避免暂短的火炬压力形成的背压，要在放空系统和火炬（油气分离罐下游） 之间的主排放管线上安装单向阀。

（4） 放空管线引至安全区对空排放的排放口应高出建筑物顶部或平台3.5 m以上[8]。

（5） 各气缸放空管线并接在一起时，合并后的管线尺寸应等于接入的2条管线的面积和。例如，如果2条3/4英寸管线并接，在连接后的适宜管线尺寸为1英寸。

（6） 排污管线尺寸要足够大，确保管线在不具备足够倾斜度情况下的正常排污。

（7） 不要降低填料放空系统压缩机厂家要求的管线规格尺寸，无其他要求，其公称直径不小于DN20[7]。

（8） 安装时拆下压缩机中体隔离室盖以确认内部接管类型和位置的正确性。

4 填料放空监测系统

压缩机组系统和易损件的维护至关重要。由于填料装配问题、弹簧失效、填料润滑不充分以及填料过度磨损等原因[9-11]，随着机组的运行，填料的泄漏量会越来越大。目前市场上的压缩机故障监测系统很少对填料的泄漏量进行监测，为了定期对填料进行维护，需对填料的泄漏量进行实时监测，实时了解填料的使用情况，必要时停机维修或更换新的填料[12-15]。

图1 一种单作用填料结构图

图2 典型填料放空系统流程

4.1 间接监测法

填料的泄漏量增大，放空管线中的温度或压力会随之发生变化，通过监测其温度和压力，可反应其泄漏量的变化。该方法费用低，装置安装简单。

（1） 填料盒外的填料排气温度或压力监测中体外填料排气管线的温度或压力，泄漏速率越快，温度或压力越高。如果为了测量排气温度将测温元件浸入排气管线中，需要将该测温元件安装成可以防止管线中的高温油与温度探头接触的形式，否则监测到的温度会偏高。

（2） 填料温度在填料盒内安装温度元件，通过监测填料温度亦可反应出填料的泄漏量，以代替手动监测填料排气温度或放空管线的温度。若填料的泄漏量增大，填料的温度会升高。

（3） 吹扫气与排放气体的压差有的压缩机填料需配置吹扫气，填料的吹扫气和填料放空管线上的压差可表明填料泄漏量的变化，填料的过量泄漏会对吹扫气压力产生更多的背压。

4.2 直接监测法

在填料的放空系统安装合适的流量计，监测填料的泄漏流量可直观反应填料的使用状况。美国ARIEL压缩机公司发布了填料泄漏速率范围[7]（表1），通过与监测数据对比，可判断填料是否需要维修或更换。填料泄漏量测量需考虑填料排气和排污管线中的油，测量之前去除管线中的油，或者在一段没有油影响的较大管线中安装一个合适的流量计。

（1） 三通阀

在每个填料的排放管线上安装一个三通阀，操作人员可将需检测放空管线与其它管线隔开，从而可逐个检测各填料的泄漏量。操作人员定期检测每个填料的泄漏量，需要一些技巧和经验，从通风口判断气体的排放量，从而判断是正常排放还是过量排放。这种方案尽管还不太成熟，但直观有效。

（2） 转子流速计

在填料排放管线上安装一个转子流速计，测量排放的气量。正常情况下，转子流速计可测量管线的排气量。当泄漏量增大时，流速计的声音会变得大，并发出明显的“口哨声”，操作人员即可知道填料的泄漏量过大，需对填料进行维修或更换。

（3） 质量或体积流量计

在填料放空管线上安装一个流量计，可直接测量放空气体的流量，进而判断填料的放空量是否正常放空。流量计可选择质量流量计或体积流量计，选择成本低且易安装的流量计。有的流量计可现场显示，有的流量计带远传功能，可将测量值通过通讯电缆远传至控制单元。当填料过量排放时，控制单元会发出报警。

据了解，Fluid Components International LLC（FCI国际公司） 的CMB型科里奥力质量流量计可适用于填料放空气体的监测。该类型的流量计适用于液体和气体，流量范围可到60000 kg/h，测量精度±0.015%，带一体化或远传型安装的变送器，适用于DN6至DN50的管径，同时该流量计防护等级高达IP67，防爆设计，适用于油气开采与处理的危险区[16-17]。

5 应用实例

某压缩机站的5台压缩机的填料放空管线安装了流量计[18]。流量计监测的填料放空量数据传送到现场控制盘。当放空过量时，控制盘会发出报警，提示操作人员需检查填料的泄漏情况。在每个填料的放空管线上安装了隔离阀，操作人员可逐个关闭和打开隔离阀确定每个填料的放空量，并确定填料是否需要维修或更换。

该监测系统成本低且安装操作简单，实现了填料放空监测的自动化，实时监测填料的放空量，可预知压缩机填料的运行趋势，有效地防止了机组的非计划停运和泄漏气体的无节制排放。填料放空量数据的监测，为填料的故障监测与分析提供了理论基础，也为填料备件的合理经济储备提供了依据。

表1 填料泄漏排放速率

6 结语

填料泄漏是压缩机运行过程中不可避免的，天然气压缩机填料必须设计填料泄漏放空系统，将泄漏气体引至安全区域放空。

填料放空系统设置测温、测压、流速计、流量计等装置或仪表，可对填料的放空量进行自动化监测，保障设备的安全高效运行，预防非计划性停机，合理经济地储备填料备件，亦可减少泄漏气体对大气的污染。