干氣密封技術(shù)在氨氣壓縮機(jī)組中的應(yīng)用

李 健

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001)

引 言

氨氣壓縮機(jī)作為大型化肥裝置的核心設(shè)備，具有轉(zhuǎn)速高、壓力高、系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行要求高等特點(diǎn)，氨氣介質(zhì)具有滲透性強(qiáng)，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，能夠灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的黏膜、易燃易爆、火災(zāi)危險(xiǎn)性大、對(duì)環(huán)境危害性大，因此需要嚴(yán)格控制氨氣壓縮機(jī)密封的泄漏，這就要求氨壓機(jī)的軸封可靠性高，使用壽命長。

干氣密封是從氣體潤滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適合于任何輸送氣體的壓縮機(jī)組。干氣密封屬于非接觸式動(dòng)密封，是壓縮機(jī)密封領(lǐng)域的一次技術(shù)革新。干氣密封在壓縮機(jī)軸封應(yīng)用方面相比傳統(tǒng)機(jī)械密封優(yōu)勢(shì)明顯，更適合作為高速高壓等工況。同時(shí)，由于其不再受到密封潤滑油的限制，省去了復(fù)雜的密封油系統(tǒng)，徹底杜絕了工藝氣體被密封油污染的可能性。這就使得干氣密封在氨氣壓縮機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 干氣密封的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)勢(shì)

干氣密封屬于非接觸式密封，其理論基礎(chǔ)是氣體潤滑、冷卻軸承。干氣密封的摩擦副由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧、O型圈等組成，靜環(huán)密封面均勻分布形狀特殊的流體動(dòng)壓槽，螺旋槽密封應(yīng)用較為廣泛，此外還有圓弧槽、T型槽等。

干氣密封技術(shù)第一次得到應(yīng)用是在1962年。由Nalco公司制造的一臺(tái)CVS-20型單級(jí)壓縮機(jī)。二十世紀(jì)七十年代末，JohnCrane在天然氣輸送設(shè)備領(lǐng)域成功應(yīng)用干氣密封。干氣密封技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用得到了石油化工等行業(yè)的廣泛認(rèn)可并納入API 617 標(biāo)準(zhǔn)中。

隨著石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，干氣密封技術(shù)的發(fā)展也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。高壓力、大軸徑、多種密封槽型成為干氣密封技術(shù)研究發(fā)展的主要方向。近年來我國在干氣密封領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，一大批國內(nèi)企業(yè)攻堅(jiān)克難，成功自主設(shè)計(jì)及研發(fā)了多種型式的干氣密封，成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，極大的降低了企業(yè)的成本。四川日機(jī)密封經(jīng)過多年的不懈努力，自主研發(fā)的J20密封槽型成功應(yīng)用在乙烯三機(jī)，打破國外壟斷的壁壘。軸徑方面，350 mm的大軸徑干氣密封在國內(nèi)也成功應(yīng)用。密封壓力方面，其國內(nèi)有業(yè)績的干氣密封壓力最高可達(dá)15.8 MPa。

干氣密封技術(shù)不斷的發(fā)展進(jìn)步，目前大多數(shù)離心壓縮機(jī)組都優(yōu)先選用干氣密封。干氣密封在離心壓縮機(jī)組中的主要優(yōu)勢(shì)如下：

1)基本不受設(shè)備PV值的限制，更適合于高速、高壓工況。

2)省去了復(fù)雜密封油系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。

3)干氣密封的隔離氣隔絕了油箱及密封腔，使?jié)櫥图坝挽F等不能夠進(jìn)入工藝介質(zhì)，保證了介質(zhì)的清潔度。

4)非接觸式密封，密封面磨損小，抗干擾能力強(qiáng)、工況適應(yīng)性強(qiáng)。

2 干氣密封的工作原理

2.1 非接觸性

干氣密封的摩擦副與機(jī)械密封相似，同樣是由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧等組成，如第153頁圖1所示。

圖1 干氣密封的摩擦副

動(dòng)環(huán)表面有均勻分布的密封槽，深度為3 μm～15 μm，密封槽之間，起到節(jié)流作用的叫做密封堰。密封壩的作用是阻止氣體徑向向軸心運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)壓，增加氣膜剛度。另外，密封壩在壓縮機(jī)組停機(jī)時(shí)還起到靜密封的作用。

如圖2所示，干氣密封的工作原理[1]是氣流壓力的平衡，壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，密封氣進(jìn)入螺旋槽，氣體被壓縮，壓力升高，密封面逐漸分離，形成一定厚度的氣膜。當(dāng)作用在靜環(huán)上，由氣膜產(chǎn)生的開啟力大于流體靜壓力與彈簧彈力的合力時(shí)，密封面間隙逐漸增大并趨于穩(wěn)定，一定剛度氣膜的存在，使得干氣密封的摩擦副得到了潤滑及冷卻。

圖2 干氣密封動(dòng)環(huán)

2.2 自平衡性

壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，彈簧彈力與流體靜壓力的合力等于由氣膜產(chǎn)生的開啟力。當(dāng)工藝或操作波動(dòng)時(shí)，若摩擦副間隙變小，氣膜厚度變小，密封槽的容積減小，密封氣氣剪力增大，流體動(dòng)壓增強(qiáng)，促使氣膜開啟力增加，摩擦副間隙增大并趨于工作間隙；若密封受到干擾，摩擦副間隙增大，氣膜厚度增大，密封槽容積增加，流體動(dòng)壓減弱，氣膜開啟力變小，密封恢復(fù)到工作間隙。因此，當(dāng)工藝波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，干氣密封的間隙實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證密封的穩(wěn)定運(yùn)行。

氣膜剛度的大小是維持干氣密封穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。氣膜剛度是氣膜作用力的變化與氣膜厚度的變化之比，氣膜剛度越大，表明密封的抗干擾力越強(qiáng)，密封運(yùn)行越穩(wěn)定。

3 干氣密封的布置方案及氨氣壓縮機(jī)的常用布置方式

3.1 干氣密封的布置方案

干氣密封的布置方式可以分為單端面密封、雙端面、串聯(lián)式密封、帶中間迷宮密封的串聯(lián)式密封[2]。對(duì)于不同的工況條件，可以選用不同的干氣密封結(jié)構(gòu)。干氣密封的布置方式應(yīng)用占比，如圖3所示。從圖3中可以看出，帶中間迷宮的串聯(lián)式干氣密封應(yīng)用非常廣泛。

圖3 干氣密封的布置方式應(yīng)用占比

3.1.1 單端面干氣密封

單端面干氣密封布置方式允許少量工藝氣泄漏到大氣中，工藝介質(zhì)應(yīng)無毒無害，對(duì)周圍環(huán)境無污染。如，CO2機(jī)、空壓機(jī)、氮壓機(jī)等。單端面干氣密封，如圖4所示。

圖4 單端面干氣密封

3.1.2 雙端面干氣密封

如第154頁圖5所示，雙端面干氣密封適用于輸送低壓、有毒有害及介質(zhì)較臟的工藝狀況，而且允許密封氮?dú)怏w向工藝介質(zhì)側(cè)泄漏。該種密封布置方式需控制密封氣壓力始終維持在比工藝氣體壓力高0.2 MPa～0.3 MPa。

圖5 雙端面干氣密封

3.1.3 串聯(lián)式干氣密封

如圖6所示，串聯(lián)式干氣密封適用于易燃易爆、有毒有害氣體介質(zhì)的輸送，泄漏氣體需火炬焚燒或回收。

圖6 串聯(lián)式干氣密封

3.1.4 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封

如圖7所示，帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封基本適用于所有易燃、易爆、危險(xiǎn)的流體介質(zhì)。安全性、可靠性最高。工藝氣不會(huì)泄漏至大氣環(huán)境中，密封氮?dú)獠粫?huì)污染工藝介質(zhì)，一級(jí)泄漏氣體需排向火炬焚燒。該種密封方案廣泛應(yīng)用于氨氣壓縮機(jī)、天然氣壓縮機(jī)、循環(huán)氣壓縮機(jī)等。

圖7 帶中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封

3.2 氨氣壓縮機(jī)組干氣密封的選擇

氨氣壓縮機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、壓力高、系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行要求高等特點(diǎn)，氨氣介質(zhì)具有滲透性強(qiáng)，有強(qiáng)烈的刺激性氣味，能夠灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜、易燃易爆、火災(zāi)危險(xiǎn)性大、對(duì)環(huán)境危害性大，因此需要嚴(yán)格控制氨氣壓縮機(jī)密封的泄漏。由此可見，氨氣壓縮機(jī)組的密封布置方式應(yīng)該選擇零泄漏、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。

4 干氣密封控制系統(tǒng)

氨氣壓縮機(jī)組干氣密封控制系統(tǒng)的功能主要包括密封氣及隔離氣過濾、流量及壓力控制、一級(jí)泄漏氣壓力及流量檢測(cè)、隔離氣控制、聯(lián)鎖報(bào)警及停車等。

1)密封氣及隔離氣過濾單元：過濾密封氣及隔離氣，除去顆粒和液體，過濾精度可達(dá)到1 μm，保障密封氣及隔離氣的干燥清潔。

2)流量及壓力控制單元：控制密封氣及隔離氣的流量及壓力，保證密封氣及隔離氣的流量及壓力滿足要求。

3)泄漏檢測(cè)單元：通過監(jiān)測(cè)一級(jí)密封氣泄漏的流量及壓力來預(yù)測(cè)干氣密封的運(yùn)行狀況，并聯(lián)鎖報(bào)警及停車，保護(hù)干氣密封。

5 干氣密封的使用維護(hù)注意事項(xiàng)

1)密封氣和隔離氣的壓力和流量穩(wěn)定，氣源潔凈、干燥。

2)在密封氣投用前，應(yīng)保證排液完全，防止密封氣帶損壞密封。

3)確保開車氣體的及時(shí)投用。干氣密封輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)有開車氣體。當(dāng)壓縮機(jī)開機(jī)或停車階段，由于壓縮機(jī)出口工藝氣體的壓力與機(jī)組的壓差較低，工藝氣作為密封氣不能夠進(jìn)入密封腔形成氣膜，因此需要在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低的階段引入開車氣體[3]。

4)潤滑油系統(tǒng)開車前或停運(yùn)后10 min才能停用隔離氣，潤滑油系統(tǒng)開始運(yùn)行后，后置隔離氣必須連續(xù)運(yùn)行，否則將造成密封帶液導(dǎo)致?lián)p壞密封。

5)定期檢查干氣密封輔助系統(tǒng)，如過濾器壓差，一級(jí)密封氣泄漏壓力、流量等。

6)不得頻繁非計(jì)劃啟停壓縮機(jī)組。

7)對(duì)密封氣管線增加電伴熱線及保溫措施，防止密封氣冷凝而造成密封損壞。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)干氣密封技術(shù)在氨氣壓縮機(jī)中成功應(yīng)用的分析，介紹了干氣密封的發(fā)展及現(xiàn)狀、干氣密封的結(jié)構(gòu)及工作原理、布置方式。了解了氨氣壓縮機(jī)組常用的干氣密封方案及氨氣壓縮機(jī)干氣密封控制系統(tǒng)的組成及作用并總結(jié)出干氣密封的使用及維護(hù)注意事項(xiàng)。為氨氣壓縮機(jī)組密封方案的選擇提供建議，同時(shí)也為設(shè)備管理人員使用及維護(hù)干氣密封提供了經(jīng)驗(yàn)保障了生產(chǎn)的穩(wěn)定。