離心壓縮機(jī)干氣密封用氣需求及保障措施

余 化，徐建民

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

離心壓縮機(jī)干氣密封用氣需求及保障措施

余 化，徐建民

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

介紹了離心壓縮機(jī)干氣密封的工作原理和優(yōu)點(diǎn)，闡述了干氣密封工作流程和用氣需求，提出了保障干氣密封穩(wěn)定運(yùn)行的安全措施。

離心壓縮機(jī)；干氣密封；安全措施

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.011

隨著國(guó)內(nèi)石油化工的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的離心式壓縮機(jī)被用于壓縮各種介質(zhì)組成的氣體，非接觸式的干氣密封因其密封性能好、壽命長(zhǎng)、無(wú)需密封油系統(tǒng)、功耗低、操作簡(jiǎn)單及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為離心壓縮機(jī)密封形式的主流。鑒于干氣密封對(duì)密封氣的潔凈度和干燥度的要求，工廠正常生產(chǎn)時(shí)通常采用壓縮機(jī)出口工藝氣作為干氣密封一級(jí)密封氣，而采用氮?dú)庾鳛楦蓺饷芊舛?jí)密封氣和隔離氣；開(kāi)、停車時(shí)全部采用氮?dú)庾鳛楦蓺饷芊庥脷鈦?lái)源。密封氣如果斷供將引起干氣密封失效甚至損毀，影響壓縮機(jī)的可靠性，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。某煤制燃料項(xiàng)目?jī)艋b置CO2壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)均采用約翰克蘭公司生產(chǎn)的干氣密封，本文以該干氣密封為例說(shuō)明其工作原理、工作流程、氣源要求及采取的保障措施。

1　干氣密封工作原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1干氣密封工作原理

干氣密封是采用“以氣封氣”、流體動(dòng)靜壓結(jié)合的非接觸式機(jī)械密封，其在密封面上加工出一定形式的淺槽，槽深一般在3～10μm之間，當(dāng)兩個(gè)密封面做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)淺槽產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，在密封端面間形成一層厚度為2～5μm的氣膜，從而使密封工作在非接觸狀態(tài)下，干氣密封工作原理見(jiàn)圖1［1］。干氣密封的氣膜厚度雖然很薄，但剛度很大，一旦出現(xiàn)外界干擾使密封面間隙變化時(shí)，能迅速恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置，具有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。

圖1　干氣密封工作原理

1.2 干氣密封結(jié)構(gòu)形式

常見(jiàn)的干氣密封根據(jù)被密封工藝介質(zhì)的性質(zhì)，可采用單級(jí)密封或者兩級(jí)密封串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。

（1）單級(jí)密封。只使用一個(gè)干氣密封抑制被密封介質(zhì)的泄漏，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用這種結(jié)構(gòu)會(huì)有少量被密封介質(zhì)向大氣泄漏，泄漏量的大小與氣體溫度、轉(zhuǎn)速、壓力、密封軸徑等有關(guān)系。該結(jié)構(gòu)多用于那些被壓縮介質(zhì)允許直接向大氣排放，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染的場(chǎng)合，如空氣、氮?dú)獾取?/p>

（2）兩級(jí)密封串聯(lián)。串聯(lián)式干氣密封由兩組單端面干氣密封同向串聯(lián)布置。串聯(lián)式干氣密封使用壓縮機(jī)出口工藝氣作為一級(jí)密封氣，會(huì)有少量的工藝氣從一級(jí)密封泄漏，泄漏的少量工藝氣經(jīng)由二級(jí)密封腔的泄漏排放口被引入火炬燃燒掉或通過(guò)回收裝置回收。二級(jí)密封泄漏到大氣中的工藝氣體幾乎為零。在二級(jí)干氣密封與軸承側(cè)之間設(shè)計(jì)迷宮密封，并通入隔離氣，隔離氣可以將二級(jí)密封泄漏的、含極其微量的工藝氣體進(jìn)行稀釋，并引到高點(diǎn)排放，防止微量有害氣體直接泄漏到現(xiàn)場(chǎng)。

隔離氣的另外一個(gè)作用就是阻止軸承潤(rùn)滑油進(jìn)入干氣密封，確保干氣密封正常運(yùn)行。

1.3干氣密封優(yōu)點(diǎn)

干氣密封的工作原理決定了其有如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)密封面不直接接觸，避免了摩擦，所以密封面基本沒(méi)有磨損，發(fā)熱量小，使用壽命長(zhǎng)。

（2）同其他非接觸式密封相比，干氣密封端面會(huì)形成氣體膜并有一定的硬度，從而阻止介質(zhì)泄漏，可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)對(duì)大氣的零泄漏。特別適用于高速、高壓和有毒有害環(huán)境下的氣體密封。

（3）省去了價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、維修不便的密封油設(shè)備；具有質(zhì)量輕、占地面積小的特點(diǎn)。

（4）消除了密封油對(duì)工藝回路污染的可能性，可確保被密封介質(zhì)不受潤(rùn)滑油污染。

（5）操作簡(jiǎn)單可靠，設(shè)計(jì)不同的密封結(jié)構(gòu)可適用于不同轉(zhuǎn)速、不同壓力下的工況條件，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低。

2　干氣密封工作流程

以該項(xiàng)目丙烯壓縮機(jī)為例，干氣密封采用串聯(lián)密封，包括兩級(jí)密封氣、隔離氣和一級(jí)火炬氣工作流程，見(jiàn)圖2［2］。

圖2　干氣密封工作流程

2.1一級(jí)密封氣流程

丙烯壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，采用壓縮機(jī)出口丙烯氣作為一級(jí)密封氣源，該氣源經(jīng)一開(kāi)一備的兩臺(tái)過(guò)濾器過(guò)濾，達(dá)到1μm精度。然后經(jīng)調(diào)壓閥將其壓力調(diào)整高于機(jī)組平衡管和火炬系統(tǒng)壓力后進(jìn)入一級(jí)密封腔腔體。

一級(jí)密封氣主要作用是阻止壓縮機(jī)內(nèi)不潔凈氣體外竄污染密封端面。絕大部分密封氣經(jīng)機(jī)組迷宮返回到壓縮機(jī)內(nèi)，少量密封氣經(jīng)密封端面泄漏至一級(jí)密封排氣腔去火炬排放。

機(jī)組開(kāi)停車時(shí)將8.1 MPa（g）高壓氮?dú)鉁p壓至3.0MPa（g），作為一級(jí)密封氣的備用氣源。

2.2二級(jí)密封氣流程

二級(jí)密封氣和隔離氣的氣源均為8.1 MPa（g）高壓氮?dú)狻?.1 MPa（g）高壓氮?dú)饨?jīng)減壓閥調(diào)整壓力至3.0MPa（g），再經(jīng)自力式減壓閥再次減壓到0.7 MPa（g），經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾達(dá)到1μm精度，然后分為4路，其中2路作為二級(jí)密封氣進(jìn)入二級(jí)密封腔體。

二級(jí)密封氣主要作用是阻止從一級(jí)密封端面泄漏的工藝氣進(jìn)入二級(jí)密封端面，其絕大部分氣體經(jīng)中間迷宮與一級(jí)密封泄漏氣混合后放火炬，少量經(jīng)二級(jí)密封端面泄漏后安全放空。

2.3隔離氣流程

從8.1MPa（g）減壓至0.7MPa（g）的氮?dú)饨?jīng)過(guò)濾后，通過(guò)孔板限流減壓，進(jìn)入隔離密封腔體。進(jìn)入隔離密封腔體內(nèi)的氮?dú)庖徊糠峙c二級(jí)密封端面泄漏的氣體混合后引至安全地點(diǎn)放空；另一部分通過(guò)軸承呼吸帽放空孔就地放空，此部分氣體是為了阻止?jié)櫥臀廴久芊舛嗣妗?/p>

2.4火炬氣流程

一級(jí)密封泄漏氣與大部分二級(jí)密封氣混合后放火炬。通常設(shè)有流量計(jì)用于檢測(cè)放火炬氣的流量。如果流量持續(xù)高報(bào)警說(shuō)明一級(jí)密封泄漏量大，需停車檢查干氣密封是否損壞。

3　干氣密封氣源要求

3.1潔凈度

干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其密封面的間隙很微小，如果有異物混入密封部位，將導(dǎo)致密封面不能保持應(yīng)有的間隙而產(chǎn)生接觸，從而損傷密封面。若有液滴混入密封氣，則高速噴射的密封氣會(huì)加劇密封面的磨損，并最終導(dǎo)致密封面失效。因此，要求密封氣體是潔凈和干燥的，通常需設(shè)過(guò)濾器，過(guò)濾精度要求達(dá)到≤3μm。對(duì)可能帶液的密封氣，還需設(shè)專用氣液分離器將液滴分離后使用。

3.2氣源穩(wěn)定性

干氣密封對(duì)密封氣要求是穩(wěn)定、不間斷供應(yīng)的。

在壓縮機(jī)組潤(rùn)滑油泵投用前至少10 min，必須先通隔離氣，且在正常運(yùn)行中不可中斷。壓縮機(jī)停車后，隔離氣必須在潤(rùn)滑油停止供給且回油管路無(wú)油流動(dòng)至少10min后才可停止供應(yīng)。

為防止機(jī)內(nèi)氣體反竄污染一級(jí)密封端面，機(jī)內(nèi)進(jìn)氣前必須先投入一級(jí)密封氣。開(kāi)車前或機(jī)組盤車時(shí)，壓縮機(jī)應(yīng)帶壓?jiǎn)?dòng)，一級(jí)密封氣壓力必須高于火炬管網(wǎng)壓力，否則一級(jí)密封上下游可能會(huì)形成負(fù)壓差，啟動(dòng)后下游工藝氣可能會(huì)反竄進(jìn)干氣密封進(jìn)而損壞密封。

一級(jí)密封氣供氣需時(shí)間與壓縮機(jī)系統(tǒng)停車后是否需保壓有關(guān)，如壓縮機(jī)系統(tǒng)需保壓，則一級(jí)密封氣在壓縮機(jī)停車時(shí)仍需連續(xù)供應(yīng)；如壓縮機(jī)系統(tǒng)不保壓，則供氣時(shí)間與工藝系統(tǒng)卸壓時(shí)間相關(guān)，供氣時(shí)間應(yīng)比系統(tǒng)泄壓時(shí)間延長(zhǎng)至少15min。

4　干氣密封氣源保障措施

4.1干氣密封用氣來(lái)源

化工項(xiàng)目配套空分裝置生產(chǎn)的氮?dú)饪蓾M足干氣密封氣潔凈度要求和穩(wěn)定性要求，因此常常被用來(lái)作為干氣密封氣源。根據(jù)氮?dú)鈮毫Φ燃?jí)不同，干氣密封用氣常規(guī)有3種配置方法。

（1）全高壓氮?dú)馀渲梅桨?。由空分裝置提供一股高壓氮?dú)庵粮蓺饷芊庀到y(tǒng)盤，經(jīng)不同調(diào)壓閥調(diào)壓至所需壓力并過(guò)濾后分為3路：一路作為一級(jí)密封氣備用氣源，一路作為二級(jí)密封氣氣源，剩下部分作為隔離氣氣源。

（2）全低壓氮?dú)馀渲梅桨?。由空分裝置提供一股低壓氮?dú)庵粮蓺饷芊庀到y(tǒng)盤，分為2路：一路作為二級(jí)密封氣和隔離氣氣源；另一路作為一級(jí)密封氣備用氣源，配備1臺(tái)氣動(dòng)增壓泵，開(kāi)停車時(shí)利用氣動(dòng)增壓泵將低壓氮?dú)庠鰤褐了鑹毫螅鸵患?jí)密封腔。

（3）混合配置方案。由空分裝置分別提供一股高壓氮?dú)?，作為一?jí)密封氣備用氣源；另提供一股低壓氮?dú)庾鳛槎?jí)密封氣和隔離氣氣源。

4.2氮?dú)獗Ｕ洗胧?/p>

該煤制燃料項(xiàng)目配套的空分裝置正常生產(chǎn)時(shí)，可連續(xù)、穩(wěn)定地提供氮?dú)夤└蓺饷芊庥?，其中高壓氮?dú)馐且旱?jīng)液氮泵增壓后，經(jīng)板式換熱器復(fù)熱汽化后送出，低壓氮?dú)庵苯訌南滤敳砍槿。?jīng)板式換熱器復(fù)熱后送出。當(dāng)空分裝置發(fā)生事故時(shí)，其后備系統(tǒng)設(shè)有備用液氮泵和汽化器，可將液氮儲(chǔ)槽內(nèi)的液氮增壓汽化，達(dá)到持續(xù)提供氮?dú)獾哪康模?yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于液氮儲(chǔ)槽容積和干氣密封用氮?dú)夂牧俊?/p>

該項(xiàng)目?jī)艋b置CO2壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)的干氣密封氣源采用全高壓氮?dú)馀渲梅桨?，由空分裝置提供一股8.1 MPa（g）高壓氮?dú)夤〤O2壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)用。干氣密封工作流程如上文所述。丙烯壓縮機(jī)干氣密封各工況用氣量見(jiàn)表1，CO2壓縮機(jī)干氣密封各工況用氣量見(jiàn)表2。

表1　丙烯壓縮機(jī)干氣密封用氣量

表2　CO2壓縮機(jī)干氣密封用氣量

為保障壓縮機(jī)干氣密封用氣的穩(wěn)定和持續(xù)，結(jié)合工廠實(shí)際布置，考慮到CO2壓縮廠房和丙烯壓縮廠房距離較近，在CO2壓縮廠房外設(shè)有一臺(tái)高壓氮?dú)饩彌_罐。8.1 MPa（g）高壓氮?dú)膺M(jìn)入高壓氮?dú)饩彌_罐后，分兩路分別直接接入CO2壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)盤和丙烯壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)盤。根據(jù)干氣密封廠家提供的最低氮?dú)鈮毫π枨?，CO2壓縮機(jī)干氣密封要求氮?dú)鈮毫Σ坏陀?.2 MPa（g），丙烯壓縮機(jī)干氣密封要求氮?dú)鈮毫Σ坏陀?.0MPa（g）。氮?dú)饩彌_罐的緩沖容積按照CO2壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)同時(shí)事故時(shí)總最大需求量，1 h從8.1 MPa（g）降壓至5.2MPa（g）計(jì)算，約35m3。在此期間，空分裝置需啟動(dòng)后備系統(tǒng)的液氮泵，將液氮增壓至8.1MPa（g）并汽化后通過(guò)高壓氮?dú)夤芫W(wǎng)送至氮?dú)饩彌_罐，從而達(dá)到持續(xù)供應(yīng)氮?dú)?，滿足機(jī)組干氣密封需要的目的。

5　結(jié)語(yǔ)

干氣密封的安全運(yùn)行對(duì)離心壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要，也直接影響到化工廠的穩(wěn)定生產(chǎn)。因此，正確認(rèn)識(shí)干氣密封，深入了解干氣密封工作原理，合理有效地設(shè)置干氣密封用氣緩沖備用系統(tǒng)尤為必要。

［1］王玉華，姜大任.螺旋槽干氣密封和雙向槽干氣密封的簡(jiǎn)要比較［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2008（2）：40.

修改稿日期：2016-04-15

Seal Gas Demand and Safeguard M easure for Dry Gas Seal of Centrifugal Com pressor

YU Hua，XU Jian-min
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

This paper has introduced theworking principle andmeritsof dry gas seal of centrifugal compressor and illuminated itsworking processand seal gas demand and lodged a safeguard measure to ensure dry gas sealworking stably.

centrifugal Compressor；dry gas seal；safeguard measure

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.04.011

TH 452

B

1004-8901（2016）04-0037-04

余化（1978年-），男，湖北羅田人，2006年畢業(yè)于華中科技大學(xué)制冷及低溫工程專業(yè)，碩士研究生，高級(jí)工程師，注冊(cè)化工工程師，現(xiàn)主要從事化工項(xiàng)目工藝專業(yè)設(shè)計(jì)工作。