氨壓縮機干氣密封泄漏氣壓差高原因分析及對策

吳志強/新疆奎屯錦疆化工有限公司

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氨壓縮機干氣密封泄漏氣壓差高原因分析及對策

吳志強/新疆奎屯錦疆化工有限公司

Abstract

首先對氨壓縮機工藝流程、干氣密封流程進行介紹，然后通過數(shù)據(jù)進行對比分析，找出影響氨壓縮機干氣密封泄漏氣壓力高的原因，避免以后同類現(xiàn)象引起的跳車。

氨壓縮機；工藝流程；干氣密封；迷宮密封；泄漏

0 引言

隨著科技發(fā)展，為保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠運轉(zhuǎn)及連續(xù)生產(chǎn)，防止易燃易爆、腐蝕性及毒性流體的泄漏，大多數(shù)機組、泵都采用不同形式的密封來降低危害，從而預(yù)防設(shè)備火災(zāi)、爆炸事故和人身傷亡等重大事故，取得了較好的使用效果。尤其在近幾十年來，密封技術(shù)經(jīng)歷了相當(dāng)大的發(fā)展，適應(yīng)了大型機組、泵高轉(zhuǎn)速和大流量，而設(shè)備的泄漏量逐漸降低，使得設(shè)備安全環(huán)保運轉(zhuǎn)，提高了設(shè)備效率及可靠性。

奎屯錦疆化工有限公司40、70萬噸合成氨尿素項目氨壓縮機額定轉(zhuǎn)速8 526r/min，壓縮機有低壓缸和高壓缸組成，型號是MCL606+3MCL608，兩缸三段14級壓縮，其干氣密封是帶中間梳齒的串聯(lián)式干氣密封。從3月24日開車以來運行比較穩(wěn)定，但在5月12日3：04：33跳車，跳車原因為高壓缸高壓端一級泄漏氣壓差高（低報：0.03MPa，高報：0.09MPa，跳車：0.12MPa）跳車。

就目前壓縮機跳車原因有兩種：一種是公用工程系統(tǒng)跳車，或是前部工序跳車引起，二是儀表故障誤顯示或是斷線引起。

此次跳車原因引起了大家注意：因為泄漏氣壓差確實高而引起壓縮機跳車。首先懷疑是干氣密封損壞或是其他密封損壞，在詢問廠家后這種可能性較小，隨后開車密封系統(tǒng)正常，說明相關(guān)操作方式有問題，值得操作人員和管理人員的注意，查清原因，避免下次跳車，在事后的案例分析中尤為重要。

1 氨壓縮機工藝流程簡介

氨壓縮機工藝流程見圖1。

圖1　氨壓縮機工藝流程圖

2 氨壓縮機干氣密封的流程介紹

如圖2氨壓縮機干氣密封控制圖，在開車時，0.12MPa三級隔離氣、0.15MPa二級緩沖氣由0.42MPa低壓氮氣（N3）減壓供應(yīng)，一級主密封由0.42MPa低壓氮氣（N3）供應(yīng)，正常運行時，一級主密封氣體由壓縮機三段經(jīng)過后冷器（E1861）冷卻過的氣體減壓供應(yīng)，溫度由后冷器（E1861）控制，溫度在50℃左右（在冬季時投運蒸汽伴熱防止密封氣帶液）。壓力大于0.42MPa時自動切換成工藝氣。

圖2　氨壓機干氣密封控制圖

此次跳車相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1　5月12日機組運行相關(guān)數(shù)據(jù)表

同樣的情況在5月10日也發(fā)生，由于處理及 時，氨壓縮機未跳車，數(shù)據(jù)見表2。

表2　5月10日機組運行相關(guān)數(shù)據(jù)

3 干氣密封性能的影響因素及分析

對于干氣密封來講，其密封性能的影響因素有很多，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)［3］和操作參數(shù)［4-5］兩個方面。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)來講，端面結(jié)構(gòu)參數(shù)作為一個重要影響因素，對干氣密封性能影響很大。對于氣膜剛度來說，該參數(shù)對其的影響主要表現(xiàn)在以下三個方面：1）動壓槽數(shù)量；2）動壓槽形狀；3）動壓槽尺寸（長、寬、深）。然而對當(dāng)前的壓縮機而言，相對來說，其干氣密封性能往往是確定的，因此端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對其干氣密封的影響就可以忽略。

對于操作參數(shù)來講，因為系統(tǒng)工況變化具有很大的不確定性，因此對干氣密封性能的影響也相對比較大。其影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）工作介質(zhì)的壓力；2）干氣密封的密封直徑與轉(zhuǎn)速；3）工作介質(zhì)的粘度、溫度等物理參數(shù)。然而對于干氣密封的密封直徑與轉(zhuǎn)速，由于其在設(shè)計過程中，已充分考慮其承受的極限，因此可忽略。

對于氨壓縮機來說，其干氣密封主密封與平衡管之間的壓差通過氣膜調(diào)節(jié)閥保持恒定，二級密封氣和緩沖氣壓力也是恒定的，而轉(zhuǎn)速通常保持在8 300r/min，而通過表1和表2分析得知，三段進口分離罐帶液，導(dǎo)致三段氣體進口溫度下降，甚至帶液，導(dǎo)致高壓缸高壓端干氣密封一級泄漏氣壓差高，甚至高高跳車。

也就是說，介質(zhì)溫度本身對干氣密封的密封泄漏量影響不大，只是進口氣體溫度急劇降低甚至帶液，造成壓縮機的內(nèi)泄漏量增大，（即軸封迷宮密封的泄漏量增大），從而導(dǎo)致高壓缸高壓端干氣密封一級泄漏氣壓差高，甚至高高跳車。

將小麥醬油的pH值穩(wěn)定在6.5，導(dǎo)致醬油的總氮和氨基酸態(tài)氮含量略有下降，但醬油中游離谷氨酸含量上升38.56%。

4 迷宮密封的工作原理及影響因素［6］

迷宮密封主要借助于迷宮效應(yīng)來實現(xiàn)密封，所謂迷宮效應(yīng)，其指的是流體流經(jīng)迷宮時，因為流動阻力的增加而使得流體流量減少的現(xiàn)象。當(dāng)流體是液體時，迷宮效應(yīng)中主要涉及流束收縮效應(yīng)、水力磨阻效應(yīng)等流體力學(xué)效應(yīng)；當(dāng)流體是氣體時，迷宮效應(yīng)中主要涉及熱力學(xué)效應(yīng)和“透氣效應(yīng)”等，對于熱力學(xué)效應(yīng)而言，其主要指的是流體通過迷宮時，由于流體的膨脹或壓縮而引發(fā)的效應(yīng)。上面所述各種效應(yīng)的綜合就是迷宮效應(yīng)。

在迷宮密封轉(zhuǎn)子和壓縮機機殼之間有一定的間隙，間隙使得轉(zhuǎn)子和機殼之間沒有直接接觸，運轉(zhuǎn)過程中就不用采用潤滑措施，還可以容忍一些熱膨脹的存在。以上的密封特點使得迷宮密封適用于高壓、高速和高溫的工作環(huán)境。因此，迷宮密封在汽輪機、鼓風(fēng)機和壓縮機中應(yīng)用廣泛，其主要用于這些設(shè)備的級間和軸端的密封。圖3是迷宮密封的結(jié)構(gòu)圖。

圖3　迷宮密封結(jié)構(gòu)圖

而Witting等人［7］試驗研究結(jié)果表明：迷宮密封的泄漏量主要與密封的幾何結(jié)構(gòu)、壓比、雷諾數(shù)、物理特性（粘度）、湍流度有關(guān)。這幾個因素中，因氨壓縮機后面開車正常，干氣密封泄漏氣壓差和以前幾乎一樣，對于迷宮密封的幾何結(jié)構(gòu)及損壞不予考慮，而要充分考慮流體的靜壓效應(yīng)［8-10］。針對上面提到的影響迷宮密封的因素，下面進行詳細探討。

1）在分析壓比這一影響因素時，要考慮介質(zhì)粘度和溫度對壓比的影響。介質(zhì)溫度［11-12］與粘度對壓力的的影響顯而易見，在同體積下，氣體分子間距大彼此較獨立，溫度升高增加分子動能，但也增加了分子間碰撞度，反而增加氣體動力粘度，氣體的粘度隨溫度升高而增大，氣體的壓力隨溫度的升高而增大。通過以上分析，我們可以得出：在靜態(tài)下，迷宮密封的泄漏量會隨著壓比的增大而增大；而在動態(tài)下，這個泄漏量會趨于平衡，在可控狀態(tài)。當(dāng)工作介質(zhì)是液體時，液體分子的間距會隨著壓力的增大而不斷減小，而液體分子的動能會隨著溫度的升高也不斷增大，分子動能的增加會使得液體流動性增強，動力粘度就會相應(yīng)的減小。通過以上分析，我們可以得出：隨著液體溫度的升高，液體壓力會增加，而液體的粘度會降低。

根據(jù)前面論述，迷宮密封有許多膨脹間隙和截流間隙，其主要通過上述間隙的節(jié)流效應(yīng)實現(xiàn)密封，因此，迷宮密封會存在一定的泄漏，而這種情況也比較正常。對于氨壓縮機進口氣體，溫度急劇下降甚至帶液，其動力粘度總體在增大，同時迷宮密封也伴隨一定的熱脹冷縮，影響其泄漏量的質(zhì)量增大（隨著粘度的增大，密度也在增大）。作為干氣密封的前置密封，其泄漏量增加，進而對干氣密封的氣膜穩(wěn)定性則造成了一定的影響，進而在干氣密封的泄漏氣壓差中表現(xiàn)為高，比起平時大了許多。

2）針對雷諾數(shù)這一影響因素，雷諾數(shù)主要用來反應(yīng)流體的流動情況。其計算公式為：

式中，v為流體的流速，η為流體的粘度系數(shù)；ρ為流體的密度；L為特征長度。在實際計算過程中，主要分為兩種情況：對于內(nèi)流問題，公式中的v，L分別取為通道內(nèi)的的流體的流速和通道的直徑；對于外流問題，公式中的v，L要由外部流體的流速和特征尺寸確定。雷諾數(shù)Re作為流體流動狀況的重要參數(shù)，反應(yīng)了流體微團粘性力和慣性力之比，如果兩個流場幾何相似，并且Re的值相同，就表示兩個流場流體微團粘性力和慣性力之比相同。此外，根據(jù)成膜理論［13］，我們可以得出：Re越大，慣性力對流體的影響越大，粘性力對流體的影響越小；Re越小，慣性力對流體的影響越小，粘性力對流體的影響越大。

當(dāng)壓縮機的進口溫度發(fā)生變化時，流體的粘度與密度都會隨著發(fā)生相應(yīng)的變化。具體來講，當(dāng)流體為氣體時，隨著溫度的升高，其粘度會增加，而其密度會降低；當(dāng)流體為液體時，隨著溫度的升高，其粘度會降低，并且其密度也會相應(yīng)降低。

對于湍流度這一概念，其也用于描述流體流動情況，其也成為湍流水平。計算公式為：

式中，U為湍流脈平均速度；v'為湍流脈動速度的均方根。

其中，U可以向x，y，z三個方向進行分解，分解為Ux，Uy，Uz。因此可以得到湍流脈動速度為：

此外，如果假定湍流動能為K，則可以得到湍流脈動速度的均方根為：

從以上兩個公式我們可以看出，湍流脈動速度U與流體的粘度有關(guān)系，因此湍流脈動速度U也與雷諾數(shù)也有關(guān)系。而雷諾數(shù)作為反映流體流動的湍流程度成正比，同時其內(nèi)摩擦力也增大，進而影響粘度。

綜上，為提高壓縮機的性能，可以控制高的壓比，提供高的動能；但凡事有度，不能為追求高性能而單純提高壓比，這樣將會造成壓縮機的爆振，也就是氣體紊亂，將會影響壓縮機的運行工況。而氣體的紊亂，就意味著雷諾數(shù)將會很大幅度的變化，對機組的振動頻次產(chǎn)生驟變，從而影響機組的密封狀況。為應(yīng)對以上現(xiàn)象，我們在日常的操作中，盡量穩(wěn)定操作，按照“升壓先升速，降速先降壓”的原則，對防喘振閥和轉(zhuǎn)速配合調(diào)節(jié)，達到機組調(diào)優(yōu)狀態(tài)。此次氨壓縮機跳車原因值得操作人員的重視，同時搞清楚影響迷宮密封、干氣密封的因素，在以后的操作中如何避免此類跳車，加強學(xué)習(xí)。

5 建議

綜上所述，對氨壓縮機來講，為了保證其密封性能，在氨壓縮機實際運轉(zhuǎn)過程中要嚴(yán)格監(jiān)控其每一段的壓力大小、溫度高低及其各氨冷器液位的變化，出現(xiàn)異常后要及時采用相應(yīng)的措施。以免在某一壓力和溫度下，達到流體的飽和蒸汽壓，進而使得氨壓縮機出現(xiàn)積液現(xiàn)象。此外，還要盡量避免氨壓縮機各段的進口處帶液，進口處帶液嚴(yán)重時，不但會損壞氨壓縮機的密封，而且也可能損壞壓縮機的葉輪；帶液不嚴(yán)重時，也會導(dǎo)致氨壓縮機因密封泄漏而出現(xiàn)跳車現(xiàn)象，影響氨壓縮機的正常工作。

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The Analysis and Solution of the Leakage Gas of Dry Gas Seal w ith High Differential Pressure in Ammonia Com pressor

Wu Zhi-qiang/Kuitun Jin Jiang Chemical Co.，Ltd.，

The introduction to technical processes and dry gas seal of ammonia compressor is presented.According to the comparison and analysisof thedata，find out the reason of leakage gas with high differential pressure from ammonia compressor dry gas seal.It was avoided stopping problems caused by similar phenomenon in the future.

ammonia compressor；technical process；dry gasseal；labyrinth seal；leakage

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）01-0085-05

10.16492/j.fjjs.2016.01.0035

2015-08-10 新疆 奎屯市 833200