離心壓縮機(jī)干氣密封的應(yīng)用

離心壓縮機(jī)干氣密封的應(yīng)用

1干氣密封介紹1.1動(dòng)環(huán)密度和槽型干氣壓由旋轉(zhuǎn)環(huán)（動(dòng)環(huán)）、靜環(huán)、彈簧、彈簧座、線圈、軸和軸罩組成。如圖1所示。動(dòng)環(huán)和靜環(huán)配合表面具有很高的平面度和光潔度，并在動(dòng)環(huán)密封面上刻有微米量級的螺旋槽，密封面分為槽區(qū)和壩區(qū)兩部分。螺旋槽型分為單向槽和雙向槽，見圖2。單向槽流體動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)，氣膜厚度較大，散熱效果好，氣膜剛度大、抗干擾能力強(qiáng)、但不能反轉(zhuǎn)；雙向槽流體動(dòng)壓效應(yīng)較弱，氣膜厚度較小，散熱效果相對較差，氣膜剛度較小，抗干擾能力較差，但可以雙向旋轉(zhuǎn)。1.2氣膜厚度設(shè)計(jì)范圍干氣密封動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封氣體被切入槽內(nèi)，由外徑朝向中心，徑向分量朝著密封堰流動(dòng)，見圖3。由于密封堰的節(jié)流作用，進(jìn)入密封面的氣體被壓縮，氣體壓力升高。在該壓力作用下，密封面被推開，流動(dòng)的氣體在兩個(gè)密封面間形成一層很薄的氣膜，此氣膜厚度一般在3～5μm。當(dāng)氣體靜壓力和彈簧力形成的閉合力與氣膜反力相等時(shí)，該氣膜厚度十分穩(wěn)定，具有良好的氣膜剛度，保證密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)非接觸密封。正常條件下，作用在密封面上的閉合力（彈簧力和介質(zhì)力）等于開啟力（氣膜反力），密封工作在設(shè)計(jì)工作間隙。當(dāng)受到外部干擾，氣膜厚度減小，則氣膜反力增加，開啟力大于閉合力，迫使密封工作間隙增大，恢復(fù)到正常值。相反，若密封氣膜厚度增大，則氣膜反力減小，閉合力大于開啟力，密封面合攏恢復(fù)到正常值。因此，只要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，當(dāng)外部干擾消失以后，氣膜厚度就可以恢復(fù)到設(shè)計(jì)值。可見，干氣密封的密封面間形成的氣膜具有一定的氣膜剛度，氣膜剛度越大，干氣密封抗干擾能力越強(qiáng)，密封運(yùn)行越穩(wěn)定可靠。1.3化釩耐腐蝕性好動(dòng)環(huán)通常采用碳化鎢（鈷基和鎳基）、碳化硅和氮化硅材料。碳化鎢韌性好、強(qiáng)度高，鈷基碳化鎢不耐腐蝕，鎳基碳化鎢耐腐蝕性較好；碳化硅易碎，怕磕碰，耐腐蝕性好。靜環(huán)通常采用浸金屬石墨、浸樹脂石墨和碳化硅表面涂覆DLC(類金剛石鍍膜)材料。1.4空氣/氮?dú)饷芊飧鶕?jù)被密封介質(zhì)、介質(zhì)壓力以及工作轉(zhuǎn)數(shù)的不同，干氣密封布置方式分為單端面干氣密封、雙端面干氣密封、串聯(lián)式干氣密封以及帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封。1）單端面干氣密封主要用于中低壓條件下，允許少量工藝氣泄漏到環(huán)境中的場合。優(yōu)點(diǎn)是密封及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是少量工藝氣直接漏入大氣，可靠性不夠高，僅適用于空氣、氮?dú)?、二氧化碳等對環(huán)境無污染介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)見圖4。2）雙端面干氣密封適用于有毒、可燃或含有顆粒的氣體，密封氣為外部引入的非工藝氣（一般為氮?dú)猓?，密封氣壓力?yīng)高于工藝氣壓力0.2～0.3MPa。優(yōu)點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)可做到工藝氣的零泄漏，且不需要火炬條件；缺點(diǎn)是使用壓力不高，有少量氮?dú)鈨?nèi)漏進(jìn)入工藝氣中，結(jié)構(gòu)見圖5。3）串聯(lián)式干氣密封適用于允許少量工藝氣泄漏到大氣的工況，一級密封承擔(dān)全部或大部分載荷，二級密封作為保護(hù)密封在低壓下運(yùn)行，一級密封失效后，二級密封可起到主密封的輔助安全作用。優(yōu)點(diǎn)是安全性、可靠性較高，工藝氣泄漏至大氣中的量極少，同時(shí)也可保證引入的外部氣源（一般為氮?dú)猓┎粫?huì)內(nèi)漏入工藝氣中；缺點(diǎn)是會(huì)有少量工藝氣泄漏至大氣中，且需要火炬條件，其結(jié)構(gòu)見圖6。4）帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封適用于不允許工藝氣泄漏到大氣的工況，優(yōu)點(diǎn)是安全性可靠性最高，可使工藝氣完全不泄漏至大氣中，同時(shí)也可保證引入的外部氣源（通常為氮?dú)猓┎粫?huì)內(nèi)漏進(jìn)入工藝介質(zhì)中；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，且需要火炬條件，其結(jié)構(gòu)見圖7。2串聯(lián)式干氣密封煉化裝置離心壓縮機(jī)工作介質(zhì)為易燃、易爆、有毒、有害氣體，通常采用帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封。密封系統(tǒng)流程分為一級密封氣流程、二級密封氣和后置隔離氣流程、放火炬流程三部分，見圖8。2.1進(jìn)入一級密封腔體高、低壓端正常運(yùn)行時(shí)，采用壓縮機(jī)出口氣作為一級密封氣的氣源，該氣源通過氣液分離器（或聚結(jié)器除液）、過濾器（粗、精過濾）、調(diào)節(jié)閥（減壓）、流量計(jì)（高、低壓端）后進(jìn)入一級密封腔體（高、低壓端）。開、停車時(shí)，采用氮?dú)庾鳛橐患壝芊鈿獾呐R時(shí)氣源，通過增壓泵升壓后進(jìn)入氣液分離器，之后流程同上。一級密封氣的主要作用是防止機(jī)內(nèi)不潔凈氣體污染一級密封面，同時(shí)隨著壓縮機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，通過一級密封面螺旋槽泵送到一級密封放火炬腔體，并在密封面形成氣膜，起到潤滑、冷卻作用，該氣體絕大部分通過壓縮機(jī)軸端迷宮進(jìn)入機(jī)內(nèi)，只有極少部分通過一級密封面進(jìn)入一級放火炬腔體。2.2級密封氣排放采用常溫、低壓氮?dú)庾鳛槎壝芊鈿夂秃笾酶綦x氣的氣源，通過過濾器、流量計(jì)、限流孔板（減壓）后分別進(jìn)入二級密封腔體（高、低壓端）和后置隔離密封腔。二級密封氣的主要作用是阻止從一級密封面泄漏的少量介質(zhì)氣體進(jìn)入二級密封面，并保證二級密封安全可靠運(yùn)行，其大部分氣體與一級密封面泄漏的少量介質(zhì)氣體，通過一級放火炬腔體進(jìn)入放火炬管線，只有少部分氣體通過二級密封面進(jìn)入二級放火炬腔體后，與部分后置隔離氣高點(diǎn)排放。后置隔離氣的主要作用是保證二級密封面不受機(jī)組軸承潤滑油竄入造成污染。該氣體一部分與二級密封面泄漏的少部分氮?dú)飧唿c(diǎn)排放，另一部分通過后置密封迷宮經(jīng)呼吸帽放空。2.3火炬噴射工藝進(jìn)入二級密封腔體的大部分氮?dú)馀c一級密封面泄漏的少量介質(zhì)氣體混合后，分別進(jìn)入高、低壓端放火炬系統(tǒng)。3干氣密封損失分析干氣密封運(yùn)行中由于液體（潤滑油和液態(tài)烴）、固體雜質(zhì)進(jìn)入密封面，壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)、低速運(yùn)行等都會(huì)造成干氣密封失效。3.1干氣密封的密封由于液體粘度遠(yuǎn)大于氣體，密封面對液體的攪拌與切割將產(chǎn)生大量熱量，使干氣密封溫度急劇升高，不能形成氣膜而損壞。液體進(jìn)入密封面主要有兩個(gè)來源：3.1.1干氣密封失效機(jī)理油運(yùn)開啟前未投用隔離氣，隔離氣波動(dòng)、中斷或壓力低，軸承腔排空不暢（呼吸帽過濾網(wǎng)堵塞）等均能使?jié)櫥停ɑ蛴蜌猓┻M(jìn)入干氣密封內(nèi)，造成密封失效。3.1.2級密封氣受壓群密封氣中的烴類物質(zhì)（或水蒸氣）溫度低于露點(diǎn)溫度凝結(jié)成液體進(jìn)入密封，同樣會(huì)造成密封失效。例如加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封，由于一級密封氣多數(shù)來自于循環(huán)氫壓縮機(jī)出口，因此，循環(huán)氫的純度、氣液分離器分離效果以及管線伴熱的恒溫情況都會(huì)造成干氣密封帶液，直接影響干氣密封的使用壽命。通過調(diào)研了解到，云南石化加氫裂化、惠州石化加氫裂化、長慶石化加氫裂化、錦西石化柴油加氫精制等裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)干氣密封在裝置開工及正常運(yùn)行過程中均有不同程度的帶液情況，對干氣密封的長周期可靠運(yùn)行造成不利影響。3.2固體雜質(zhì)進(jìn)入密封面密封面打開間隙很小，固體雜質(zhì)進(jìn)入后會(huì)在密封面上產(chǎn)生劃痕，密封面的嚴(yán)密性受破壞，泄漏量增加。同時(shí)，長期使用不潔密封氣，微小的顆粒會(huì)填平螺旋槽，影響氣膜形成，最終使端面損壞。固體雜質(zhì)進(jìn)入密封面主要有三個(gè)方面原因：1）密封氣和隔離氣過濾精度不夠或過濾器損壞，粉塵或顆粒進(jìn)入密封面，導(dǎo)致密封失效。2）開工或檢修時(shí)氣體管路吹掃清理不徹底，雜質(zhì)進(jìn)入密封面，導(dǎo)致密封失效。3）一級密封氣壓力不足或前置迷宮梳齒磨損嚴(yán)重，壓縮機(jī)缸體內(nèi)部的工藝氣體反串到密封腔中，工藝氣體中夾帶的固體雜質(zhì)顆粒進(jìn)入密封面，導(dǎo)致密封失效。3.3密封面干失效機(jī)理對于單向槽設(shè)計(jì)的干氣密封，嚴(yán)禁反轉(zhuǎn)，因?yàn)榉崔D(zhuǎn)時(shí)密封面不但打不開，反而會(huì)越轉(zhuǎn)越緊，密封面會(huì)由于干摩擦溫度升高而損壞。密封面干摩擦主要有兩個(gè)方面原因：1）壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，由于出口蓄存過高的壓力氣體勢能所致，出口氣體通過轉(zhuǎn)子反向流動(dòng)致使軸反轉(zhuǎn)，干氣密封動(dòng)靜環(huán)密封面間不能形成剛性氣膜，密封面干摩擦，如果持續(xù)時(shí)間較長，導(dǎo)致密封失效；2）壓縮機(jī)開機(jī)或停機(jī)，盤車轉(zhuǎn)速過低，達(dá)不到形成動(dòng)壓氣膜的速度，會(huì)使干氣密封動(dòng)靜環(huán)密封面間不能形成剛性氣膜，密封面干摩擦，導(dǎo)致密封失效。3.4密封壓力如果密封面上游壓力低于下游，則氣體不能進(jìn)入動(dòng)壓槽內(nèi)，不能形成剛性氣膜，端面打不開，密封面干摩擦，導(dǎo)致密封失效。4確保氣體密封長循環(huán)的實(shí)施4.1防止液體進(jìn)入密封面1壓力波動(dòng)a.裝置設(shè)計(jì)時(shí)隔離氣使用的氮?dú)獗仨毷菍Ｓ玫獨(dú)夤芫€，不能與其他用途氮?dú)夤芫€混用，避免壓力波動(dòng)影響干氣密封正常運(yùn)行；b.設(shè)置隔離氣氣源壓力低報(bào)警提示；c.至少油運(yùn)開始前10分鐘投用隔離氣，同樣至少油泵停止后10分鐘，回油管線無油流動(dòng)后，且高位油箱的潤滑油完全退凈，壓縮機(jī)回油視窗無油流時(shí)才可關(guān)閉隔離氣；d.油運(yùn)開始后，隔離氣就不能中斷。2氣液分離器除液a.盡量選擇不易產(chǎn)生凝液的干燥、潔凈的壓縮機(jī)出口工藝氣，如加氫裝置新氫壓縮機(jī)出口工藝氣，作為一級密封氣氣源；b.在過濾器前設(shè)置氣液分離器（或聚結(jié)器）除液；c.流程設(shè)計(jì)上先將壓縮機(jī)出口至干氣密封系統(tǒng)盤這段氣體管線中的飽和烴類（或水蒸氣）進(jìn)行冷卻，使其達(dá)到露點(diǎn)析出，然后再經(jīng)過設(shè)置的氣液分離器（或聚結(jié)器）分離、過濾器過濾，最后將過濾器后至一級密封腔這段相對干凈的氣體管線設(shè)置恒溫電伴熱（超過露點(diǎn)溫度20℃）和保溫設(shè)施，確保提供干燥、潔凈的一級密封氣。4.2干氣密封系統(tǒng)1）設(shè)置兩粗過濾器（并聯(lián)）和兩精過濾器（并聯(lián)），正常情況下一開一備，過濾精度1μm，保證過濾后的氣體不會(huì)對密封面造成損傷，過濾器壓差達(dá)到設(shè)定值，及時(shí)切換；2）所有進(jìn)氣管線采用316L及以上奧氏體不銹鋼材質(zhì)，首次投用前，將干氣密封系統(tǒng)盤至壓縮機(jī)的所有進(jìn)氣管線都拆下，進(jìn)行酸洗鈍化、蒸汽吹掃達(dá)到合格，防止氣路中的雜質(zhì)進(jìn)入密封，造成失效；3）壓縮機(jī)進(jìn)工藝氣或做氣密試驗(yàn)之前，先投用一級密封氣，使一級密封氣的壓力比平衡管管線、放火炬管線的壓力高，以防壓縮機(jī)內(nèi)工藝氣污染一級密封面；當(dāng)壓縮機(jī)停運(yùn)時(shí)，應(yīng)盡快將機(jī)體內(nèi)的壓力卸掉，同時(shí)應(yīng)及時(shí)將一級密封氣切換為氮?dú)?，并保證一級密封氣源壓力大于平衡管壓力，避免對密封產(chǎn)生靜態(tài)污染。4.3壓縮機(jī)出口帶壓壓1）設(shè)計(jì)上采用雙向槽干氣密封，設(shè)置單向閥，可以克服反轉(zhuǎn)帶來的影響。2）壓縮機(jī)出口設(shè)計(jì)快開閥門，停機(jī)后，閥門迅速打開均壓，防止壓差過大帶來的壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)。3）嚴(yán)控停機(jī)頻次和每次開機(jī)的盤車時(shí)間，減少由此造成磨損的機(jī)會(huì)。4.4