往复式压缩机填料泄漏在线监测装置的应用

刘涛

在天然气的储存和运输中，作为输送动力的压缩机是核心设备，设计选型时，较多采用的是离心式压缩机和往复式压缩机，离心式压缩机较多应用于压缩比较低的场合，对于压缩比较大的场合，则以往复式压缩机的应用居多。往复式压缩机的特点是高壓比、低能耗、高效率、适用范围广，缺点是排气不连续、转速不宜过高、气体携带油污、结构较大、易损件多、维修工作量大。

一台完整的往复式压缩机包括运动机构、工作机构、机身、润滑系统、冷却系统、气路系统和控制安全系统。运动机构包括曲轴、轴承、连杆、十字头、联轴器组成，它是一种曲柄连杆结构，它把曲轴的旋转运动转换为十字头的往复直线运动。机身是压缩机的外壳，用来支撑和安装整个运动机构和工作机构。工作机构由气缸、活塞、活塞杆、气阀、填料等组成。气缸呈圆筒形，两端装有吸气阀与排气阀，活塞在气缸中间做往复运动与气阀相应的开、闭动作相互配合，使得缸内气体依次实现膨胀、吸气、压缩、排气四个过程，不断循环，将低压气体升压而源源排出。

往复式压缩机通过填料来密封气缸与活塞杆之间的间隙，阻止气缸中的高压气体沿着活塞杆向外泄漏。填料总成包括填料函和填料环，填料函由填料端盖和多个填料盒组成，每个填料盒内有多个填料环，填料环层层减压，末端压力非常小。填料在运转时要产生大量的摩擦热，大型压缩机的填料函都设有冷却水槽用来冷却密封填料，保证密封填料的正常使用。

填料函不严可造成漏气，气体一旦进入冷却水系统危害是很大的，它会造成“气堵”使填料函不能正常供水，密封填料就会急剧升温，严重的会烧毁填料环。不过现在新的往复式压缩机填料盒之间多采用硬密封（即金属密封），能较好的防止填料函泄漏。

填料泄漏因填料损坏引起，填料损坏多由填料环弹簧断裂和填料环变形、鼓包、断裂等造成，填料环和弹簧断裂可形成碎屑，碎屑进入填料函与填料的接触面会造成填料函划伤，碎屑也可造成活塞杆的磨损。填料泄漏也可引起压缩机压比失调、排气量降低等，导致压缩机无法正常运行，对生产工作造成巨大损失。填料泄漏存在趋势性，如果泄漏初期能够及时监测发现，则可以有效避免因此导致的设备损坏甚至火灾爆炸事故。

目前对压缩机填料的在线监测主要是通过测量填料函温度的变化，但通过对多年压缩机填料磨损故障的统计发现，在填料出现磨损泄漏时，填料函的温度均未发生显著改变，没有起到有效的监测保护作用，同时从压缩机排气压力、排气量等方面也无法有效判断初始故障何时发生，现有的填料监测手段对压缩机填料故障的监测作用不明显，难以在泄漏初期及时解决问题。

为实现对填料泄漏量的实时定量监测，能够及早发现往复式压缩机填料泄漏突然增大问题，保障设备运行的安全性，需要研制一种填料监测装置。本监测装置需要在压缩机尾杆端填料放空管加装小流量流量计，以实现泄漏量的实时监测，并将流量信号接入压缩机控制系统和站控系统。

1.监测装置流程

其中，1.热式气体质量流量计，2. 带流量计传感器的专用管段，3.流量计表头，4.连接电缆，5.第一连接管，6.第二连接管，7. 填料泄漏放空管线，8.填料泄漏放空口，9.填料函端盖，10.填料环，11.活塞杆，12.电缆，13.压缩机控制柜，14.站控SCADA系统，15.去放空排污罐管线，16.填料放空排污罐，17.填料函。

2.流量计选型

（1）流量计的选择

根据压缩机填料放空压力小、流量小的特点，选用热式质量流量计进行测量。热式流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种性能优良、可靠性高的技术。热式流量计有两个温度传感器被置于介质中时，其中一个传感器被加热到环境温度以上的的温度，另一个温度传感器用于感应介质温度。介质流速增加，介质带走的热量增多，两个温度传感器的温度差将随介质的流速变化而变化，根据温度差与介质流速的比例关系，可得出流体的流量。热式流量计具有计量准确精度高、灵敏度高、测量范围宽、可测量超小流量等优点。

（2）流量计参数设定

往复式压缩机填料泄漏量没有明确标准，部分厂家一般要求泄漏量不超过排量的0.03%，按照某一压缩机设计点排量为62×104Nm3/d，换算下来填料泄漏量应不超过7.75Nm3/h，流量计量程选择0.2-20Nm3/h。

压缩机填料密封属于动密封，填料环层层减压，泄漏之后的天然气压力非常小，流量计压力选择0.5MPa，详细参数见表1。

天然气组分：甲烷91.95%，乙烷4.49%，丙烷1.09%，正丁烷0.19%，异丁烷0.18%，正戊烷0.05%，异戊烷0.09%，己烷0.06%，氮气0.56%，二氧化碳1.34%。

3.流量计安装

由于压缩机气缸振动较大，流量计采用分体安装方式，将流量计传感器安装在尾杆填料放空管线与尾杆筒放空管线汇合后的管线上，表头安装于外部支架，流量计电缆现场采用钢管穿线铺设，满足现场防爆要求。

（1）流量计传感器安装

流量计选择安装在尾杆填料放空管线与尾杆筒放空管线汇合后的管线上，再将流量传感器安装在三通上，通过卡套固定。

（2）流量计表头安装

流量计表头安装在压缩机气缸旁边比较稳固的支架上，用螺栓紧固。

（3）流量计电缆铺设

流量计采用24V直流电源，从压缩机控制柜接线。流量计传感器电缆通过电缆套管，分别连接至流量计表头和压缩机PLC机柜，电缆走向见图2

4.实现的功能

填料泄漏在线监测装置可实时监测填料盒放空量和填料与活塞杆末级泄漏量，就地显示，同时接入压缩机控制系统和站控系统后可以实现远程监控，并实现报警功能，能及早发现填料磨损，排除故障，避免发生更严重的损坏。

参考文献：

[1]郭宇.活塞式压缩机填料泄漏的分析及处理[J].石油和化工设备，2016，19（6）：79-81.

[2]王绍华，李长恩.往复式压缩机填料密封泄漏原因分析及处理[J].设备管理与维修，2017，（11）.136-137.