氨壓縮機(jī)組干氣密封選型設(shè)計(jì)

張常發(fā)(東華工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230000)

氨壓縮機(jī)組干氣密封選型設(shè)計(jì)

張常發(fā)(東華工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230000)

隨著化工技術(shù)的快速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對大型壓縮機(jī)組的安全、環(huán)保、效益提出了更高的要求。其中干氣密封技術(shù)以其微泄漏、低消耗、低維護(hù)、長壽命等特點(diǎn)，在各種離心式壓縮機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，為滿足各種易燃、易爆、有毒等危險氣體介質(zhì)的壓縮輸送提供了安全有效的密封保障。本文介紹了干氣密封的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了干氣密封的工作原理及特點(diǎn)，分析對比幾種典型干氣密封的使用特點(diǎn)，對氨壓縮機(jī)組干氣密封及其輔助系統(tǒng)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，并提出了干氣密封安裝過程中的注意事項(xiàng)。

氨氣；離心式壓縮機(jī)；干氣密封；選型設(shè)計(jì)

1 緒論

1.1 干氣密封發(fā)展現(xiàn)狀

干氣密封(dry gas seal)又被稱為干式氣體密封，是20世紀(jì)60年代末在氣體潤滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種非接觸式密封技術(shù)[1]。自20世紀(jì)80年代約翰克蘭公司首次成功將其應(yīng)用在海洋平臺氣體輸送設(shè)備后[2]，干氣密封技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中得到了飛速推廣。隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，尤其對親環(huán)保、高效益的不斷追求，化工企業(yè)朝著綜合化、大型化發(fā)展，其配套的核心壓縮機(jī)組規(guī)模也進(jìn)一步擴(kuò)大，各種壓縮機(jī)組層出不窮，并逐漸出現(xiàn)了大軸徑、高壓力的密封需求。為適應(yīng)各種不同工況，國內(nèi)外對干氣密封技術(shù)也不斷地進(jìn)行改進(jìn)及創(chuàng)新。其研究改進(jìn)方向包括干氣密封槽型、高壓、大軸徑等高參數(shù)工況。由于國外起步早，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對豐富，在對干氣密封技術(shù)的發(fā)展方向起著引導(dǎo)作用。早期國內(nèi)對于大軸徑密封壓縮機(jī)組，其配套的干氣密封都是采用國外品牌，目前國外品牌在國內(nèi)有業(yè)績的軸徑可達(dá)355mm。我國對于大軸徑干氣密封技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究。四川日機(jī)密封從2005年開始研究大軸徑干氣密封技術(shù)，目前有業(yè)績的密封軸徑可達(dá)350mm，基本達(dá)到國際水平。在密封壓力方面，國外干氣密封技術(shù)密封壓力可達(dá)45MPa，基本能滿足絕大多數(shù)壓縮機(jī)的密封要求。國內(nèi)在高壓干氣密封方面也有較大突破。2008年9月由成都一通自主設(shè)計(jì)制造的16MPa級干氣密封在中國石油大慶石化分公司煉油廠二加氫裝置K-3102循環(huán)氫壓縮機(jī)上成功應(yīng)用。四川日機(jī)自主研發(fā)的應(yīng)用于上海石化渣油加氫裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)的干氣密封，其密封壓力可達(dá)15.8MPa。在槽型方面的研究，螺旋槽以其優(yōu)良的氣膜剛度最早被國外所開發(fā)利用，但該種槽型只適用于主機(jī)單向轉(zhuǎn)動。后來又研究發(fā)明了可以雙向運(yùn)行的干氣密封槽型，比如U型槽、燕尾槽、T型槽等等。國內(nèi)對于槽型也有較深入的研究。例如四川日機(jī)新研發(fā)的J20槽型成功應(yīng)用于乙烯三機(jī)干氣密封[3]，打破了國外在該領(lǐng)域密封技術(shù)的長期壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

1.2 氨壓縮機(jī)組概況簡介

由我司承擔(dān)總承包的安慶曙光煤制氫項(xiàng)目中，位于氨壓縮機(jī)廠房的一臺離心式氨壓縮機(jī)組采用沈鼓生產(chǎn)的MCL457+2MCL457氨冷凍機(jī)組，將來自低甲工序的氣氨經(jīng)壓縮、冷凝、閃蒸、過冷后，為低甲工序提供冷量，低甲工序蒸發(fā)后的氣氨返回氨壓縮機(jī)完成冷凍循環(huán)。該壓縮機(jī)組是全廠的核心設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性對全廠的正常生產(chǎn)具有至關(guān)重要的作用。氨壓縮機(jī)組的主要性能參數(shù)及干氣密封設(shè)計(jì)要求如表1所示。

2 干氣密封工作原理及其特點(diǎn)簡介

圖1 單向運(yùn)行槽和雙向運(yùn)行槽

表1 氨壓縮機(jī)組主要性能參數(shù)及干氣密封設(shè)計(jì)要求

2.1 干氣密封工作原理簡介

干氣密封的結(jié)構(gòu)和機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)類似，也由靜環(huán)、動環(huán)、彈簧、輔助密封圈及動環(huán)的傳動機(jī)構(gòu)組成，不同的是在干氣密封的動環(huán)外側(cè)開有流體動壓槽，流體動壓槽根據(jù)主機(jī)是否可以雙向運(yùn)轉(zhuǎn)分為單向旋轉(zhuǎn)槽和雙向旋轉(zhuǎn)槽，如圖1所示。當(dāng)主機(jī)的軸轉(zhuǎn)動時，通過傳動機(jī)構(gòu)，帶動動環(huán)旋轉(zhuǎn)，密封腔內(nèi)的氣體沿著流體動壓槽進(jìn)入密封端面。在兩個密封面未分開時，進(jìn)入槽內(nèi)氣體的動能基本上全部轉(zhuǎn)化成了氣體的壓力能，使槽內(nèi)氣體壓力升高，當(dāng)壓力足以克服彈簧力和密封腔內(nèi)的流體壓力時，動環(huán)和靜環(huán)被推開，形成一定的間隙。這時一部分槽內(nèi)的氣體通過該間隙漏出密封腔，從而在動環(huán)和靜環(huán)之間形成了一個潤滑氣膜。動密封環(huán)的內(nèi)側(cè)為一個稱為密封壩的平整面，通過其節(jié)流作用，限制漏出氣體的量。當(dāng)主機(jī)停車時，在彈簧力作用下密封壩緊貼靜環(huán)，從而對氣體起到靜密封的作用。

2.2 干氣密封特點(diǎn)簡介

離心式壓縮機(jī)密封型式主要有迷宮密封、浮環(huán)密封、油潤滑機(jī)械密封以及干氣密封[4]。其中迷宮密封適用于低壓且允許介質(zhì)有微量泄漏的工況。浮環(huán)密封和油潤滑機(jī)械密封屬于濕式密封，其運(yùn)行需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，操作要求高，且適用于允許潤滑油泄漏到介質(zhì)中的工況。相比于上述兩種密封技術(shù)，干氣密封具有以下顯著特點(diǎn)：

(1)干氣密封的泄露量小，且漏出的氣體可以根據(jù)介質(zhì)特性和現(xiàn)場要求，直接放空或送往火炬，不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的后處理系統(tǒng)；

(2)密封功率消耗少，一般單個密封功率消耗小于1kW，提高了壓縮機(jī)的效率，降低了運(yùn)行成本；

(3)干氣密封的監(jiān)控系統(tǒng)簡單，管理方便，無需復(fù)雜的密封油系統(tǒng)，操作維修方便，降低了壓縮機(jī)停車的時間，減少了壓縮機(jī)停車造成的損失，節(jié)省了操作和維修費(fèi)用；

(4)干氣密封的密封氣體可以從壓縮機(jī)的出口引入，和壓縮機(jī)內(nèi)的密封壓力相適應(yīng)，當(dāng)壓縮機(jī)的工況變化時，不會造成泄露量的增加和密封的失效；

(5)干氣密封屬于非接觸式密封，密封面之間的間隙具有自調(diào)整的功能，保證了干氣密封的使用壽命。在干氣密封系統(tǒng)中，動環(huán)密封槽內(nèi)的壓力和密封面之間間隙成反比，間隙增大，壓力減小，間隙減小，壓力增大，壓縮機(jī)開車時，槽內(nèi)氣體的壓力大于密封環(huán)的閉合力(包括彈簧力和密封腔內(nèi)流體作用在靜環(huán)上的力)，動環(huán)和靜環(huán)被氣體推開，在兩個密封環(huán)之間形成了氣膜，當(dāng)間隙到達(dá)一定的寬度后，開啟力等于閉合力，兩個密封面在此位置穩(wěn)定下來。不同的操作工況，密封面之間的間隙不同。

3 氨壓縮機(jī)組干氣密封型式選型設(shè)計(jì)

3.1 干氣密封常見型式

根據(jù)干氣密封布置形式可以分為單端面密封、串聯(lián)式密封、帶中間迷宮密封的串聯(lián)式密封以及雙端面密封。各種密封布置型式需配置不同的干氣密封輔助系統(tǒng)。

3.1.1 單端面干氣密封

如圖2為單端面干氣密封的剖視圖。適用于對環(huán)境無污染的中性介質(zhì)，例如使用于氮壓縮機(jī)、空壓機(jī)、二氧化碳壓縮機(jī)等。單端面干氣密封設(shè)置有下列接口：

A接口：工藝氣沖洗口，由主機(jī)出口引用，也可外接干凈的氣體作為密封沖洗氣；

B接口：密封泄漏氣出口，可選擇就地排放或接火炬排放；

C接口：隔離氣接口，一般選用氮?dú)庾鳛楦綦x氣，壓力30KPaG左右即可。

3.1.2 串聯(lián)式干氣密封

如圖3所示為串聯(lián)式干氣密封的剖視圖。串聯(lián)式干氣密封的結(jié)構(gòu)和布置與串聯(lián)式機(jī)械密封相似。正常運(yùn)行時首級密封承擔(dān)壓縮機(jī)泄漏的主密封，次級密封起到安全備用密封的作用。當(dāng)首級密封失效時，次級密封則起到主密封的作用。該種密封型式可用于密封易燃、易爆有毒等危險介質(zhì)的輸送，適用于泄漏氣體需要回收或現(xiàn)場無氮?dú)庠吹膱龊?，同時允許微量的介質(zhì)泄漏到大氣中。這種型式的干氣密封可用于冷劑壓縮機(jī)、管道壓縮機(jī)等。各接口如下：

A接口：工藝氣沖洗口，一般是由壓縮機(jī)出口引用；

B接口：一級密封氣泄漏口，可接回收系統(tǒng)或是接火炬；

C接口：二級密封泄漏口，泄漏氣大多為后端梳齒密封過來的隔離氣，也有少量的工藝泄漏氣；

D接口：隔離氣接口，一般選用氮?dú)庾鳛楦綦x氣，壓力控制在30KPaG左右即可。(圖3)

3.1.3 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封

如圖4所示為帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封的剖視圖。相比于串聯(lián)式干氣密封，該種密封在一級泄露氣與二級密封氣之間加入了迷宮密封，使得泄漏到大氣的介質(zhì)為二級密封氣(一般為氮?dú)獾葻o危害氣體)，因此該種密封的最大特點(diǎn)是密封介質(zhì)對大氣的泄漏量為零。這種干氣密封型式廣泛應(yīng)用于氨壓縮機(jī)、循環(huán)氣壓縮機(jī)等危險、有毒的介質(zhì)。各接口如下：

A接口：工藝氣沖洗口，一般都是由壓縮機(jī)出口引用；

B接口：一級密封氣泄漏口，接火炬，氣體主要成分為二級密封氣，也有少量的工藝氣；

C接口：二級密封氣接口，一般為氮?dú)獾葻o危害氣體，壓力一般至少比火炬壓力高5KPa；

D接口：二級密封泄漏口，由于從后端的梳齒密封泄漏的隔離氣以及二級密封泄漏氣都為無危害的氣體，因此泄漏到大氣的泄漏氣都為無危害氣體；

E接口：隔離氣接口，一般選用氮?dú)庾鳛楦綦x氣，壓力控制在30KPaG左右即可。(圖4)

3.1.4 雙端面干氣密封

如圖5所示為雙端面干氣密封的剖視圖。這種密封型式主要應(yīng)用于輸送有毒有害以及較臟的低壓介質(zhì)，且允許氮?dú)獾葻o危害氣體進(jìn)入到介質(zhì)中。此外，該種型式的干氣密封還可用于現(xiàn)場不具備放火炬或不方便回收泄漏氣的工況，因此在浮環(huán)密封壓縮機(jī)改造為干氣密封型式中用的較多。各接口如下：

A接口：前置氣接口，用以阻斷較臟的工藝氣進(jìn)入密封端面；

B接口：密封氣入口，一般為氮?dú)?，壓力至少比壓縮機(jī)最高工作壓力高0.2MPa；

C接口：放空口，泄漏氣主要為隔離氣以及密封泄漏氣；

D接口：隔離氣接口，一般為氮?dú)狻?圖5)

3.2 干氣密封型式的設(shè)計(jì)選型

氨壓縮機(jī)用于對較潔凈的氨氣介質(zhì)升壓及輸送，由于氨介質(zhì)具有滲透性強(qiáng)、氣味刺激性高，微量(幾十PPM)的泄露即會引起人體刺鼻不適，且氨氣具有易燃易爆等危害，因此需嚴(yán)格控制其對大氣的泄漏量。根據(jù)現(xiàn)場公用工程提供的氮?dú)馇闆r，現(xiàn)場具備穩(wěn)定的高、中、低壓氮?dú)庠?，且泄漏氣具備放火炬的條件。綜上情況，選擇零泄漏、不污染介質(zhì)組分的帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封，動環(huán)所開的流體動壓槽選擇氣膜剛度大的螺旋槽型式。

4 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

干氣密封輔助系統(tǒng)的作用一方面是為干氣密封運(yùn)行提供干凈、干燥的合格密封氣體，另一方面是用于調(diào)節(jié)、控制、檢測干氣密封的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時監(jiān)測干氣密封運(yùn)行狀況。經(jīng)輔助系統(tǒng)處理后的供氣不含有水或油等液態(tài)物質(zhì)，且氣體中不允許含有粒徑大于3μm的雜質(zhì)。此外，根據(jù)帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封特點(diǎn)，配套的輔助系統(tǒng)可以控制并調(diào)節(jié)所供氣體的壓力和流量。為了監(jiān)測干氣密封是否正常運(yùn)行，輔助系統(tǒng)還可檢測干氣密封一級泄漏氣和二級泄漏氣的流量和壓力，當(dāng)流量和壓力出現(xiàn)異常增大時可以反應(yīng)出干氣密封是否受到損壞，并聯(lián)鎖報警及跳車，從而及時發(fā)現(xiàn)隱患，防止干氣密封遭受更大的損壞。停機(jī)后可以采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施防止泄漏事故的發(fā)生。根據(jù)上述特點(diǎn)，輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)了密封氣過濾單元、流量及壓力調(diào)節(jié)單元、一級泄漏氣壓力及流量檢測單元、隔離氣單元、聯(lián)鎖報警及跳車系統(tǒng)等。

密封氣過濾單元：正常運(yùn)行時，由于一級密封氣是從主機(jī)出口管路引出的工藝氣，其潔凈度往往不能滿足密封氣含固粒徑小于3μm的精度要求。因此工藝氣先要經(jīng)過過濾后才能進(jìn)入干氣密封。一級密封氣過濾單元一共有兩組過濾器，開一備一，每組過濾器包含一個粗過濾器和一個精過濾器，密封氣先經(jīng)過粗過濾器將大于5μm的雜質(zhì)去除，然后再進(jìn)入精過濾器過濾，其過濾精度達(dá)到1μm。這種設(shè)計(jì)有助于防止精過濾器過早堵塞，從而延長精過濾器濾芯壽命。二級密封氣及隔離氣由于是較為干凈的氮?dú)?，因此每組過濾器只需設(shè)計(jì)一個精度為1μm的精過濾器即可。此外，在過濾器前后設(shè)置壓差計(jì)，用以檢查過濾器是否堵塞。

流量及壓力調(diào)節(jié)單元：用以調(diào)節(jié)進(jìn)入密封腔的密封氣壓力和流量。其中壓力的控制采用氣動隔膜調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)，使進(jìn)入密封腔的壓力比機(jī)組平衡管壓力高0.2MPa(低壓缸)及0.5MPa(高壓缸)。之后密封氣經(jīng)過流量計(jì)，并依靠流量計(jì)前的針型閥調(diào)節(jié)進(jìn)入密封腔的流量。本設(shè)計(jì)中，低壓缸一級、二級密封氣流量分別為80Nm3/h、5Nm3/h；高壓缸一級、二級密封氣流量分別為30Nm3/h、5Nm3/h。

圖2 單端面干氣密封剖視圖

圖3 串聯(lián)式干氣密封剖視圖

圖4 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封剖視圖

圖5 雙端面干氣密封剖視圖

一級泄漏氣壓力及流量檢測單元：該單元是監(jiān)測干氣密封是否失效的主要依據(jù)。少量的一級密封氣和大量的二級密封氣進(jìn)入到一級泄漏氣管道，并經(jīng)測壓、測流后排放火炬。正常開機(jī)后，調(diào)節(jié)一級泄漏氣壓力大于火炬背壓5kPa左右，流量調(diào)節(jié)在6.5Nm3/h左右。

隔離氣單元：在二級泄漏氣與主機(jī)軸承箱之間設(shè)有迷宮密封，在迷宮密封之間通入隔離氣用以阻隔潤滑油進(jìn)入干氣密封系統(tǒng)中。

聯(lián)鎖報警及跳車系統(tǒng)：當(dāng)干氣密封及其輔助系統(tǒng)在非正常狀態(tài)下運(yùn)行時，該系統(tǒng)可以及時暴露問題，進(jìn)而采用相應(yīng)措施，防止問題進(jìn)一步惡化及出現(xiàn)泄漏事故。聯(lián)鎖報警值包括：密封氣過濾器前后壓差高報、一級密封氣壓力與主機(jī)平衡管壓力壓差低報、二級密封氣及隔離氣總管壓力低報、一級泄漏氣壓力高報、一級泄漏氣流量高報等；聯(lián)鎖主機(jī)跳車值包括：一級泄漏氣壓力高高報、一級泄漏氣流量高高報。

此外，干氣密封輔助系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了開車氣體接口。當(dāng)主機(jī)未啟動時，由于出口工藝氣壓力與機(jī)組壓差為較低或?yàn)榱?，使得一級密封氣存在不能通入密封腔的情況。因此，設(shè)計(jì)引入中壓氮?dú)?6.0MPaG)作為一級密封氣的開車氣體，通入密封腔的壓力比平衡管壓力高80KPa以上即可開機(jī)。

5 干氣密封安裝注意事項(xiàng)

正確的安裝干氣密封是保證干氣密封長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是充分體現(xiàn)干氣密封優(yōu)越性能的有效保證。筆者通過在現(xiàn)場安裝干氣密封并總結(jié)在后期運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，提出以下幾個注意事項(xiàng)：

第一，嚴(yán)格按照干氣密封相關(guān)尺寸及說明書步驟安裝；

第二，螺旋槽屬于單向旋轉(zhuǎn)槽，安裝干氣密封時應(yīng)保證密封件上箭頭指示的旋轉(zhuǎn)方向與主機(jī)軸旋轉(zhuǎn)方向一致；

第三，大多數(shù)主機(jī)在單機(jī)試車時，采用的是臨時密封，難免會有潤滑油進(jìn)入干氣密封安裝區(qū)域，因此，在安裝干氣密封前可用無水乙醇充分清洗干凈該區(qū)域；

第四，水平剖分式壓縮機(jī)存在上下缸錯口的問題，當(dāng)干氣密封安裝腔室水平錯口量達(dá)到10μm以上時，壓縮機(jī)內(nèi)工藝氣會沿著干氣密封外環(huán)泄漏，從而降低干氣密封的密封性能；

第五，干氣密封輔助系統(tǒng)管路應(yīng)采用不銹鋼，焊接方式采用氬弧焊，且經(jīng)過酸洗吹掃合格后才能投入使用；

第六，干氣密封安裝完成后，對主機(jī)進(jìn)行盤車，注意是否有卡澀，并注意是否有清脆的刮擦聲，如果存在上述情況應(yīng)拆下干氣密封進(jìn)行檢查；

第七，干氣密封首次投用前應(yīng)對其進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)。在主機(jī)未啟動狀態(tài)下，通過開車氮?dú)獬鋲?，逐步提高壓縮機(jī)缸內(nèi)壓力至壓縮機(jī)滯留壓力，觀察泄漏量是否與要求的泄漏量相近。

6 結(jié)語

本文通過分析干氣密封的工作原理及幾種典型結(jié)構(gòu)的使用特點(diǎn)，對氨壓縮機(jī)組干氣密封及其輔助系統(tǒng)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)場安裝及調(diào)試，總結(jié)了干氣密封安裝的注意事項(xiàng)。氨壓縮機(jī)組自運(yùn)行以來經(jīng)歷過正常啟停機(jī)及非正常跳車，干氣密封都體現(xiàn)出了其優(yōu)良的密封效果，各項(xiàng)參數(shù)都滿足設(shè)計(jì)要求，是一次較成功的應(yīng)用案例。該機(jī)組干氣密封的成功運(yùn)行，不僅展示了當(dāng)前干氣密封技術(shù)的優(yōu)越性和成熟性，同時也為工程項(xiàng)目干氣密封的選型、設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保障了業(yè)主的正常生產(chǎn)，提高了公司和業(yè)主的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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