干氣密封在富氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用

1、干氣密封在富氣壓縮機(jī)上的應(yīng)用Application of Dry Seal on Rich Gas Compressor 弓力強(qiáng)/上海石化股份公司煉化部 張車寧/四川日機(jī)密封件有限公司 摘要：介紹了干氣密封安裝在離心壓縮機(jī)上的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及其所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī) 干氣密封中圖分類號(hào):TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1006-8155(2005)01-0048-04Abstract: The operating condition of dry seal on centrifugal compressor and its economic benefits are int

2、roduced.Key words: Centrifugal compressor Dry seal 1 引言上海石化股份公司煉化部C301壓縮機(jī)為沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠制造的透平驅(qū)動(dòng)的多級(jí)離心壓縮機(jī)，型號(hào)為2MCL527-12。進(jìn)口壓力：0.16MPa ；出口壓力為1.6MPa進(jìn)口溫度：4060 ；出口溫度：90120 介質(zhì)：催化富氣； 成分：碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)速：8800r/min；流量：1450018000Nm3/h該機(jī)組為高轉(zhuǎn)速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，工藝介質(zhì)易燃易爆，危險(xiǎn)性大。這就要求壓縮機(jī)軸端密封系統(tǒng)可靠性好，密封泄漏小，壽命長。原密封型式為浮環(huán)密封?？扛粴鈧?cè)為內(nèi)浮環(huán)，大氣側(cè)為外浮環(huán)。在內(nèi)外浮環(huán)之間引入高于

3、工藝氣壓力約50kPa的密封油，通過旋轉(zhuǎn)時(shí)浮環(huán)與軸之間產(chǎn)生的微小間隙變化形成壓力油膜，產(chǎn)生節(jié)流降壓作用而達(dá)到密封目的。浮環(huán)密封屬于液體節(jié)流式非接觸密封。雖可用于高速高壓條件，但它的密封液系統(tǒng)較復(fù)雜，輔助設(shè)備以及電、儀等自控元件多，從而造成使用可靠性下降，維護(hù)、維修任務(wù)重，而且其內(nèi)泄漏較大、對(duì)軸磨損嚴(yán)重、檢修維護(hù)頻繁、使用壽命短、密封油系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用高等諸多缺陷。不僅對(duì)該機(jī)組的長周期平穩(wěn)運(yùn)行有較大影響，也不適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)對(duì)環(huán)保及節(jié)能降耗越來越高的要求。上海石化公司有關(guān)人員經(jīng)過反復(fù)研究和考察，決定與四川日機(jī)密封件有限公司合作，對(duì)該壓縮機(jī)的軸封進(jìn)行改造，將原浮環(huán)密封改造為干氣密封結(jié)構(gòu)。改造后的密封及密封

4、系統(tǒng)于2003年3月底煉化部檢修期間順利安裝完成，并于4月2日一次試車成功，達(dá)到了良好的密封效果，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2 密封的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前國內(nèi)大型離心壓縮機(jī)軸端密封型式主要包括迷宮密封、浮環(huán)密封、機(jī)械密封以及目前最先進(jìn)的干氣密封。干氣密封是60年代末期以氣體潤滑軸承的概念為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，其中以螺旋槽密封最為典型。經(jīng)過數(shù)年的研究，美國約翰·克蘭公司率先推出干氣密封產(chǎn)品并投入工業(yè)使用。它是一種新型的非接觸式軸封。其結(jié)構(gòu)與普通機(jī)械密封類似。但重要區(qū)別在于，干氣密封其中的一個(gè)密封環(huán)上面加工有均勻分布的淺槽。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)入淺槽中的氣體受到壓縮，在密封環(huán)之間形成局部的高壓區(qū)，使密封面開啟，

5、從而能在非接觸狀態(tài)下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)密封。將干氣密封技術(shù)和阻塞密封原理有機(jī)結(jié)合，“用氣封液或氣封氣”的新觀念替代傳統(tǒng)的“液封氣或液封液”觀念，可保證任何密封介質(zhì)實(shí)現(xiàn)零逸出，故更適合作為高速高壓下的大型離心壓縮機(jī)的軸封。由于它不需要密封潤滑油，省去了封油系統(tǒng)及用于驅(qū)動(dòng)封油系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的附加功率負(fù)荷。其所需的氣體控制系統(tǒng)也比封油系統(tǒng)要簡單得多。而且泄漏量小，壽命長，維護(hù)費(fèi)用低，密封驅(qū)動(dòng)功率消耗少。由于該壓縮機(jī)輸送的工藝氣體為富氣，工藝允許微量氮?dú)膺M(jìn)入，而且壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力較低（0.16MPa）。故根據(jù)該實(shí)際情況及有關(guān)參數(shù)，確定將原軸封型式改為面對(duì)面雙端面螺旋槽干氣密封的結(jié)構(gòu)（見圖1）。圖1 面對(duì)面雙端面螺旋

6、槽干氣密封結(jié)構(gòu)雙端面干氣密封可以看作面對(duì)面布置的兩組單端面干氣密封，在兩組密封之間通入氮?dú)庾髯枞麣怏w而成為一個(gè)性能可靠的阻塞密封系統(tǒng)，控制氮?dú)獾膲毫κ蛊涫冀K維持在比工藝氣體壓力稍高（0.20.3MPa）的水平。使其在大氣與工藝氣之間起到阻隔作用，與原浮環(huán)密封的封油的作用相同。由于氣體泄漏的方向總是朝著工藝介質(zhì)氣體和大氣，從而保證了工藝氣體不會(huì)向大氣泄漏。在密封動(dòng)環(huán)的端面上加工有均布的螺旋動(dòng)壓槽。特殊設(shè)計(jì)的槽型結(jié)構(gòu)在使用條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)，是動(dòng)、靜環(huán)間形成具有極高剛度的氣膜，由氣膜作用力形成的開啟力與由彈簧和介質(zhì)作用形成的閉合力達(dá)到平衡，使密封面分開35m，在非接觸狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)密封。

7、由于該壓縮機(jī)輸送的氣體較臟，為保證干氣密封在潔凈、干燥的環(huán)境中運(yùn)行，在干氣密封的前端（介質(zhì)端）引入經(jīng)過濾凈化后的的工藝氣體，控制其壓力稍高于平衡管處的工藝氣壓力，可阻擋工藝氣中的粉塵、油霧等對(duì)干氣密封有害的雜質(zhì)進(jìn)入密封端面。在干氣密封的后端（軸承端）可保留原有的迷宮密封，引入略高于軸承箱壓力的氮?dú)猓渥饔檬潜苊廨S承箱中的潤滑油進(jìn)入干氣密封內(nèi)。 該結(jié)構(gòu)具有極高的可靠性，使工藝氣對(duì)大氣環(huán)境真正實(shí)現(xiàn)了零泄漏。而且其通常采用氮?dú)庾鳛樽枞麣?，極少的內(nèi)漏量（0.3Nm3h對(duì)工藝氣一般不構(gòu)成污染。這種結(jié)構(gòu)目前在石化及煉油工業(yè)引進(jìn)的離心壓縮機(jī)中得到較多的應(yīng)用。該密封為整體集裝式結(jié)構(gòu)，出廠前已精密地裝配成一體，

8、通過定位塊板將動(dòng)、靜部分連接在一起，以防止運(yùn)輸過程中零件之間相互碰撞造成的損壞。同時(shí)，安裝時(shí)不需要分解，整體直接裝入機(jī)組殼體內(nèi)后取下定位板即可，便捷且軸向定位準(zhǔn)確，避免了現(xiàn)場重新拆卸組裝時(shí)引起的裝配精度下降以及環(huán)境中的粉塵等雜質(zhì)對(duì)密封的影響，使用效果能得到充分保證。該密封安裝尺寸完全根據(jù)2MCL527壓縮機(jī)原浮環(huán)密封的實(shí)際安裝尺寸設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分可采用銷釘傳動(dòng)，只需對(duì)主軸稍做改動(dòng)，鉆兩處4銷孔即可。其余與密封相關(guān)部分不做任何修改。可保證萬一發(fā)生不正常運(yùn)行情況時(shí)能夠立即恢復(fù)原軸封狀態(tài)。3 密封監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)該密封設(shè)計(jì)有專門的監(jiān)測控制系統(tǒng)(見圖2)，可保證干氣密封長期可靠地在最佳狀態(tài)運(yùn)行。圖2

9、干氣密封流程圖從機(jī)組的出口端引入一路工藝氣作為緩沖氣，經(jīng)過減壓閥、過濾器，進(jìn)入密封的前端（介質(zhì)端），控制其壓力稍高出平衡管處的工藝氣壓力0.100.15MPa，可阻擋未經(jīng)凈化的工藝氣進(jìn)入密封端面；從現(xiàn)場的氮?dú)鈿庠匆徊糠肿鳛橹髅芊鈿?，?jīng)過減壓閥、過濾器、流量計(jì)后進(jìn)入干氣密封的腔體，起阻塞氣體的作用。通過系統(tǒng)的自立式壓力調(diào)節(jié)閥，控制其進(jìn)口壓力高于前端的緩沖氣壓力0.20.3MPa。由于氣體進(jìn)入密封腔后只有通過密封端面分別向介質(zhì)端和大氣端泄漏，故其流量也即為兩端密封的泄漏量，在0.40.7Nm3h之內(nèi)。其中的一部分通過介質(zhì)側(cè)的密封端面漏入工藝氣內(nèi)，另一部分則通過大氣側(cè)的密封端面漏入外置的迷宮密封腔

10、內(nèi)。再引一部分氮?dú)庾鳛楦綦x氣，進(jìn)入迷宮密封中的密封腔，控制其進(jìn)口壓力稍高于軸承箱油壓（通常為大氣壓）20kPa，形成一個(gè)可靠的阻塞密封，可保證軸承箱中的潤滑油不進(jìn)入干氣密封。該氣體流量不超過10Nm3h，由于全部為氮?dú)?，一部分進(jìn)入軸承箱，另一部分與從干氣密封大氣側(cè)密封端面漏出的氮?dú)饣旌蠟樾孤?。因?qū)Νh(huán)境無害，可直接排空。判斷密封是否正常工作主要是通過對(duì)主密封氣的監(jiān)測來進(jìn)行。正常情況下，主密封氣進(jìn)口端顯示的流量即為兩端泄漏量之和，其值由金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量，并遠(yuǎn)傳至控制室。該值穩(wěn)定且較小。如任何一端的干氣密封出現(xiàn)意外失效時(shí)，會(huì)導(dǎo)致流量的急劇增大。如達(dá)到設(shè)定值時(shí)控制室即發(fā)出聲光報(bào)警。針對(duì)該機(jī)組密封位

11、置腔體的結(jié)構(gòu)，將原浮環(huán)密封的參考?xì)膺M(jìn)口作為干氣密封的前置緩沖氣進(jìn)口，原密封油進(jìn)口作為主密封氣進(jìn)口，原浮環(huán)密封的充氮?dú)膺M(jìn)口不變，作為干氣密封的后置隔離氣進(jìn)口。原排空口也不變，作為干氣密封的泄漏氣排出口。由于機(jī)組的高低壓端有平衡管連接，兩端壓力實(shí)現(xiàn)內(nèi)部平衡，其封氣壓力近似于壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力。故干氣密封的使用條件基本相同，因此可以采用相同的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)。改造為雙端面干氣密封以后，將原浮環(huán)密封的控制系統(tǒng)全部取消。系統(tǒng)的測量儀表在現(xiàn)場檢測的同時(shí)，對(duì)重要測量點(diǎn)采集的信號(hào)輸出至中控室，并設(shè)置高低限位報(bào)警。使操作人員能及時(shí)了解密封的運(yùn)行清況，確保該系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。具體設(shè)置如下：（1）設(shè)置主密封氣的氮?dú)饬髁浚?/p>

12、即密封的泄漏量）報(bào)警，Q2Nm3h時(shí)，高報(bào)警；Q4Nm3h時(shí)，超高報(bào)警并連鎖停車；（2）設(shè)置主密封氣與緩沖氣的壓差報(bào)警，p0.15MPa時(shí)，低報(bào)警；p0.05MPa時(shí)，連鎖停車；（3） 置緩沖氣過濾器的壓差報(bào)警，設(shè)定為p60kPa時(shí)，高報(bào)警；（4）設(shè)置主密封氣過濾器的壓差報(bào)警，設(shè)定為p60kPa時(shí)，高報(bào)警。（5）設(shè)置緩沖氣的壓力報(bào)警，設(shè)定為p0.5MPa時(shí)，低報(bào)警，此時(shí)氮?dú)馄亢蛢x表風(fēng)輔助氣源啟動(dòng)；（6） 置隔離氣的壓力報(bào)警，設(shè)定為p0.01MPa時(shí)，低報(bào)警。密封系統(tǒng)的測量儀表、接線盒、過濾器、閥門均安裝在現(xiàn)場的干氣密封儀表盤上。壓力、流量、差壓變送器輸出420mA模擬信號(hào)經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換模塊送入PL

13、C，信號(hào)超限時(shí)，PLC輸出報(bào)警信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警。達(dá)到連鎖停車值時(shí)，及時(shí)停車。4 密封現(xiàn)場開車運(yùn)行情況改造后的密封及密封系統(tǒng)于2003年3月中旬1號(hào)煉油檢修期間順利安裝完成，并于4月2日一次試車成功，達(dá)到了良好的密封效果。具體情況如下。4月2日20時(shí)，機(jī)組開車。在2000 r/min的暖機(jī)轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)1小時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較低，流量計(jì)顯示兩端密封泄漏量為0。21時(shí)起壓縮機(jī)開始升速，升至3000r/min流量計(jì)顯示兩端密封泄漏量約為0.4Nm3/h。當(dāng)升速至5000 r/min左右時(shí)，由于機(jī)組發(fā)生喘振，劇烈振動(dòng)而緊急停車。1小時(shí)后重新開車，升至5000 r/min左右時(shí)，機(jī)組仍然發(fā)生喘振而再次停車。干氣密

14、封在此過程中經(jīng)歷了兩次嚴(yán)峻的考驗(yàn)。經(jīng)反復(fù)分析喘振原因并作針對(duì)性調(diào)試后于22時(shí)30分再次開車，順利升速至7000 r/min，密封泄漏量顯示為0.6Nm3/h，上下波動(dòng)為0.1Nm3/h左右，表現(xiàn)穩(wěn)定。機(jī)組運(yùn)行逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，密封腔溫度亦逐漸升高，兩端密封泄漏量隨溫度上升逐步下降，最終穩(wěn)定在0.5Nm3/h 。在此后的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，發(fā)生過數(shù)次一側(cè)密封泄漏量出現(xiàn)瞬間報(bào)警（2Nm3/h）的情況，但隨即恢復(fù)正常值。經(jīng)分析是由于機(jī)組的工藝參數(shù)的波動(dòng)和個(gè)別流量計(jì)的質(zhì)量問題引起。在6月18日，由于反-再系統(tǒng)流化異常波動(dòng)，機(jī)組進(jìn)氣壓力和流量急劇變化，造成機(jī)組連續(xù)喘振長達(dá)1小時(shí)左右。開車運(yùn)行正常后，密封泄漏量為

15、0.550.60Nm3/h運(yùn)轉(zhuǎn)情況非常理想，表明該干氣密封設(shè)計(jì)合理，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，達(dá)到了預(yù)期的使用效果，完全能保證長周期運(yùn)行。5 機(jī)組改造為干氣密封后的經(jīng)濟(jì)效益5.1 節(jié)約水、電取消了密封油系統(tǒng)后，密封油冷卻器停用，按冷卻器用水量為28t/h，年運(yùn)行350d，循環(huán)水單價(jià)2元/t計(jì)算，年節(jié)約水費(fèi)約47萬元。原浮環(huán)密封（兩端）功耗約15kW，而干氣密封功耗僅1kW，比浮環(huán)密封節(jié)約14kW。另外，密封油泵功率22kW，按年運(yùn)行350d，電單價(jià)0.61元/t計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)約11萬元。5.2 節(jié)約潤滑油改造后，每年節(jié)約潤滑油10t，按油價(jià)3000元/t計(jì)算，每年節(jié)約3萬元。5.3 避免停機(jī)損失以前每年因密封系統(tǒng)故障而被迫停車。改造后，避免此項(xiàng)損失50萬元。5.4 減少維修費(fèi)用原浮環(huán)密封輔助設(shè)備多，包括油系統(tǒng)及相應(yīng)的電氣設(shè)備、自控儀表、油過濾器、冷卻器、油氣分離器、脫氣槽、油箱及高位油罐等，維修工作量較大。改造后，每年可減少維修費(fèi)用約19萬元。此外，改造前密封油系統(tǒng)脫氣槽頂直接放空排入大氣，對(duì)環(huán)境造成污染，而干氣