淺談離心式壓縮機(jī)干氣密封裝置結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 魏 星

隨著天然氣行業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣場(chǎng)站中離心式壓縮機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。干氣密封裝置作為離心式壓縮機(jī)軸封的關(guān)鍵部件，在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行中起到至關(guān)重要的作用。如西氣東輸沿線壓氣站廣泛使用的GE壓縮機(jī)、RR壓縮機(jī)，以及上海天然氣管網(wǎng)公司白鶴壓氣站等場(chǎng)站使用的索拉(Solar)壓縮機(jī)都屬于離心式壓縮機(jī)，其內(nèi)部都利用干氣密封裝置進(jìn)行密封。下面以GE公司生產(chǎn)的PCL804系列壓縮機(jī)為例，詳細(xì)闡述離心式壓縮機(jī)干氣密封裝置的結(jié)構(gòu)原理，并對(duì)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，總結(jié)出相應(yīng)的解決方案。

1 干氣密封裝置概述

干氣密封是20世紀(jì)60年代末期在氣體動(dòng)壓軸承的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)機(jī)械密封進(jìn)行根本性改進(jìn)而發(fā)展起來(lái)的一種新型非接觸式密封。主要通過(guò)在機(jī)械密封動(dòng)環(huán)上增開(kāi)動(dòng)壓槽以及隨之設(shè)置相應(yīng)輔助系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸式運(yùn)行。由于密封端面實(shí)現(xiàn)了非接觸式運(yùn)行，特別適合作為高速高壓設(shè)備的軸端密封。

干氣密封主要用來(lái)密封旋轉(zhuǎn)增壓機(jī)械中的工藝介質(zhì)氣體，防止工藝氣沿著壓縮機(jī)軸向外界泄漏。與其它密封相比，干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長(zhǎng)、能耗低、操作簡(jiǎn)單可靠、維修量低、被密封的氣體不受油污染等特點(diǎn)。因此，在壓縮機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，干氣密封逐漸替代浮環(huán)密封、迷宮密封和油潤(rùn)滑機(jī)械密封等密封裝置。干氣密封使用的可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)被許多工程應(yīng)用實(shí)例所證實(shí)。

約翰克蘭(John Crane)公司是當(dāng)今世界上最著名的干氣密封裝置的設(shè)計(jì)者、制造商和供貨商。該公司于 70年代末期率先將干氣密封應(yīng)用到海洋平臺(tái)的氣體輸送設(shè)備上并獲得成功。目前GE公司、RR公司、Solar公司為我國(guó)許多天然氣管道工程提供的壓縮機(jī)都采用約翰克蘭公司的干氣密封裝置。

2 干氣密封裝置結(jié)構(gòu)原理

2.1 干氣密封結(jié)構(gòu)原理

典型的干氣密封結(jié)構(gòu)包含有靜環(huán)、動(dòng)環(huán)組件(旋轉(zhuǎn)環(huán))、副密封O形圈、靜密封、彈簧和彈簧座(腔體)等零部件。靜環(huán)位于不銹鋼彈簧座內(nèi)，用副密封O形圈密封。彈簧在密封無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下使靜環(huán)與固定在轉(zhuǎn)子上的動(dòng)環(huán)組件配合，如圖1所示。

圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)剖面示意

在動(dòng)環(huán)組件和靜環(huán)配合表面處的氣體徑向密封有其先進(jìn)獨(dú)特的方法。配合表面平面度和光潔度很高，動(dòng)環(huán)組件配合表面上有一系列的螺旋槽，如圖2所示。

圖2 干氣密封結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)端面外側(cè)加工有流體動(dòng)壓槽(2.5～10 μm)的動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體動(dòng)壓槽把外徑側(cè)(稱(chēng)之為上游側(cè))的高壓密封氣體(干氣)泵入密封端面之間。旋轉(zhuǎn)的動(dòng)壓槽將干氣吸入并使干氣沿淺淺的槽道向內(nèi)徑方向流動(dòng)。由于密封壩的阻擋，從動(dòng)壓槽外徑至動(dòng)壓槽內(nèi)徑，密封端面之間的壓力逐漸增加。動(dòng)、靜環(huán)之間的動(dòng)壓推開(kāi)靜環(huán)，在密封端面之間形成很薄的一層氣膜(1～3 μm)。這樣動(dòng)、靜環(huán)的密封端面工作在非接觸狀態(tài)下，密封端面之間的氣膜完全阻塞了壓力相對(duì)較低的工藝介質(zhì)的泄漏通道，理論上實(shí)現(xiàn)了工藝介質(zhì)的零泄漏。

由于供入干氣密封的干氣壓力大于葉輪組件兩端的工藝氣壓力(平衡管壓力)，所以供入干氣約85%經(jīng)內(nèi)側(cè)迷宮流進(jìn)工藝氣流之中，阻擋工藝氣不能流進(jìn)干氣密封。理論上實(shí)際內(nèi)側(cè)迷宮裝置并不能完全阻斷工藝氣外漏。剩余15%的密封干氣和很少一點(diǎn)內(nèi)側(cè)迷宮沒(méi)有擋住的工藝氣混合，從動(dòng)、靜環(huán)密封端面之間流過(guò)。經(jīng)過(guò)動(dòng)、靜環(huán)之后的干氣，由排放口和配套的管道、壓力開(kāi)關(guān)、限流孔板、流量計(jì)后排放到火炬燃燒區(qū)燒掉。在干氣密封的外側(cè)也有一道迷宮封嚴(yán)裝置，供入干氣密封的緩沖空氣與這道密封相配合，阻擋外側(cè)軸承的滑油向干氣密封一側(cè)流動(dòng)，保護(hù)干氣密封。供入干氣密封的密封干氣不但能起密封作用，而且能起動(dòng)、靜環(huán)的冷卻作用。

2.2 常用干氣密封型式

2.2.1 單端面干氣密封

單端面干氣密封示意，如圖3所示。

圖3 單端面干氣密封

2.2.2 串聯(lián)式干氣密封

串聯(lián)式干氣密封示意，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)式干氣密封

一套串聯(lián)式干氣密封可看作是兩套或更多套干氣密封按照相同的方向首尾相連而構(gòu)成的，與單端面結(jié)構(gòu)相同，密封所用氣體為工藝氣本身。通常情況下采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)(主密封)密封承擔(dān)全部或大部分負(fù)荷，而另外一級(jí)作為備用密封不承受或承受小部分壓力降，通過(guò)主密封泄漏出的工藝氣體被引入火炬燃燒。剩余極少量的未被燃燒的工藝氣通過(guò)二級(jí)密封漏出，引入安全地帶排放。當(dāng)主密封失效時(shí)，第二級(jí)密封可以起到輔助安全密封的作用，可保證工藝介質(zhì)不會(huì)大量向大氣泄漏。

除此之外，干氣密封常用型式還包括帶中間進(jìn)氣的串聯(lián)式干氣密封和雙端面干氣密封。

3 干氣密封裝置的應(yīng)用

干氣密封裝置在離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)中使用非常廣泛。離心式壓縮機(jī)的基本工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使葉輪出口的氣流達(dá)到很高的流速，然后在擴(kuò)壓室內(nèi)將高速氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而使壓縮機(jī)出口的氣體達(dá)到較高的壓力。下面以GE公司生產(chǎn)的PCL804離心式壓縮機(jī)為例，介紹干氣密封裝置在其中的應(yīng)用。

3.1 離心式壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理

GE公司生產(chǎn)的PCL804離心式壓縮機(jī)為4級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)，主要由葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器等組成。離心式壓縮機(jī)增壓是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪上的葉片對(duì)連續(xù)流動(dòng)的氣體作功，將葉輪的機(jī)械能傳給氣體。旋轉(zhuǎn)的氣體在離心力作用下沿著葉輪的擴(kuò)散式通道由中心向外緣流動(dòng)。在流動(dòng)的過(guò)程中壓力升高絕對(duì)速度增加。從葉輪流出的氣體在流經(jīng)靜子(擴(kuò)壓器)的擴(kuò)散形通道時(shí)，一部分速度動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能，使氣體的絕對(duì)速度降低，壓力進(jìn)一步提高。

圖5 離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

3.2 干氣密封安裝位置

干氣密封裝置安裝在壓縮機(jī)主軸兩端，緊靠進(jìn)、排氣端位置，起到避免壓縮機(jī)腔體內(nèi)天然氣往軸端泄漏的作用。如圖6所示。主軸兩端靠近干氣密封處安裝了軸承，其中進(jìn)氣端安裝徑向軸承和止推軸承，排氣端安裝徑向軸承。在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)干氣密封與徑向軸承間不斷注入隔離氣(氮?dú)?以避免軸承中的潤(rùn)滑油通過(guò)軸端進(jìn)入到干氣密封組件中。

圖6 干氣密封安裝位置示意

3.3 干氣密封系統(tǒng)工藝流程

干氣密封系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖7。

圖7 干氣密封系統(tǒng)工藝流程

3.3.1 密封氣(干氣)供給流程

為達(dá)到密封效果，進(jìn)入干氣密封組件中的密封氣必須潔凈、干燥，且要求壓力稍高于腔體內(nèi)部天然氣壓力。干氣的供給途徑可以有三種來(lái)源：從壓縮機(jī)出口匯管中引來(lái)的天然氣；備用氮?dú)庀到y(tǒng)來(lái)氣；機(jī)組運(yùn)行后從壓縮機(jī)出口處引來(lái)的壓縮天然氣。

3.3.2 密封氣(干氣)氣質(zhì)要求

上述三種氣體中的任一種氣體都要先經(jīng)過(guò)濾器濾去其中的雜質(zhì)，再通過(guò)加熱器將其溫度加熱到適合范圍(高于露點(diǎn)溫度 20 ℃，大約為 80～120 ℃)，確保天然氣中易凝結(jié)物質(zhì)烴以氣態(tài)存在。因?yàn)槿魏芜M(jìn)入干氣密封的液態(tài)物質(zhì)對(duì)干氣密封的功能和工作壽命都不利，所以必須避免。最后經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥調(diào)壓后(大于壓縮機(jī)平衡管壓力100 kPaG)才能供入干氣密封?？傊?，干氣密封要求密封氣的壓力、流量適當(dāng)，并且干凈、干燥。

3.3.3 干氣密封維護(hù)

干氣密封維護(hù)是對(duì)密封氣供氣系統(tǒng)的維護(hù)。干氣密封對(duì)密封氣的氣質(zhì)要求很高，水分、顆粒雜質(zhì)、滑油進(jìn)入干氣密封都會(huì)對(duì)干氣密封造成損害。供入干氣密封的密封氣必須經(jīng)外部的干氣系統(tǒng)處理成符合要求的密封氣。為了得到潔凈、干燥的密封氣，目前普遍的做法是在干氣密封系統(tǒng)中安裝前置凝結(jié)過(guò)濾器和前置電加熱器。部分索拉機(jī)組的設(shè)計(jì)采用啟/停機(jī)組過(guò)程中切換成供入氮?dú)庾髅芊鈿?，?duì)減少干氣密封損壞很有好處。

4 干氣密封裝置常見(jiàn)故障及處理

4.1 干氣密封裝置常見(jiàn)故障

干氣密封裝置常見(jiàn)故障表現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中一級(jí)放空壓差逐步升高，而且機(jī)組每一次起停都會(huì)造成放空壓差增大，最終導(dǎo)致干氣密封的一級(jí)放空壓差達(dá)到停機(jī)值，使機(jī)組停機(jī)。即使在干氣密封系統(tǒng)中已經(jīng)安裝了前置凝結(jié)過(guò)濾器和前置電加熱器，也會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。原因主要為：

(1)電加熱器的加熱溫度控制偏低，經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥節(jié)流后溫度會(huì)更低。在冬季運(yùn)行時(shí)，由于密封氣管線未進(jìn)行保溫處理，密封氣在進(jìn)入干氣密封裝置時(shí)，溫度可能已經(jīng)低于“露點(diǎn)”溫度，凝結(jié)成液態(tài)，并隨著密封氣進(jìn)入干氣密封裝置使其失效。

(2)當(dāng)壓縮機(jī)組處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由于壓縮機(jī)進(jìn)出口的天然氣壓力相等，密封氣體不流動(dòng)，密封氣電加熱器也不會(huì)投用，是的溫度逐步降低，可能達(dá)到“露點(diǎn)”溫度以下，從而析出液體。待下次機(jī)組啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入干氣密封裝置使其失效。

4.2 干氣密封裝置常見(jiàn)故障的處理

針對(duì)該類(lèi)故障，約翰克蘭(John Crane)公司設(shè)計(jì)了相應(yīng)的氣體處理裝置 GCU(Gas Conditioning Unit)，其主要組成部件就是凝結(jié)過(guò)濾器、氣體增壓裝置和電加熱器，以改善現(xiàn)有干氣密封裝置的工作條件。與之前的氣體處理裝置相比，增加了一個(gè)依靠壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的增壓裝置。該裝置主要特點(diǎn)為：

(1)在壓縮機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，氣體增壓裝置不工作。

(2)在壓縮機(jī)帶壓停機(jī)期間，氣體增壓裝置投入運(yùn)行，使得密封氣流動(dòng)起來(lái)，以保證電加熱裝置投用，提高密封氣的溫度。防止析出液體。

(3)當(dāng)壓縮機(jī)組放空后啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)系統(tǒng)壓力到達(dá)0.1 MPa時(shí)，氣體增壓裝置就投入運(yùn)行，以保證干氣密封裝置處的氣體不產(chǎn)生倒流，防止干氣密封裝置被天然氣中固體顆粒污染。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)離心壓縮機(jī)干氣密封的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)其在離心壓縮機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。最后針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，并介紹了相關(guān)解決方案。為今后天然氣管道上壓縮機(jī)組的采購(gòu)選型、故障分析及干氣密封系統(tǒng)維護(hù)改造等方面提供了借鑒。