水蒸汽壓縮機密封形式及潤滑油乳化問題分析與處理

繆小軍，王 藝

（南通大通寶富風機有限公司，江蘇 南通 226001）

MVR（Mechanical Vapor Recompression）蒸發(fā)系統(tǒng)廣泛應用在食品和飲料工業(yè)（牛奶、乳清、糖溶液的蒸發(fā)）、化學工業(yè)（水溶液的蒸發(fā)）、制鹽工業(yè)（鹽溶液的蒸發(fā)）、環(huán)保技術(shù)（廢水的濃縮）等。該系統(tǒng)利用高能效蒸汽壓縮機壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽，提高二次蒸汽的焓值，提高熱焓的二次蒸汽進入蒸發(fā)系統(tǒng)作為熱源循環(huán)使用，替代絕大部分生蒸汽，生蒸汽僅用于系統(tǒng)暖管、補充熱損失和補充進出料溫差所需熱焓，從而大幅度降低蒸發(fā)器的生蒸汽消耗，達到節(jié)能降耗目的。該系統(tǒng)中的核心設(shè)備為水蒸汽壓縮機。

整體齒輪增速組裝型離心式水蒸汽壓縮機為目前高溫升蒸發(fā)系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品，該產(chǎn)品原動機采用電動機或汽輪機，通過齒輪箱內(nèi)大小齒輪變速嚙合，提高葉輪的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)水蒸氣焓值提升。齒輪箱的低速軸通過雙端面膜片聯(lián)軸器與原動機相連，做功元件葉輪通過中心拉桿固定在高速齒輪軸上。原動機旋轉(zhuǎn)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)。

水蒸汽壓縮機現(xiàn)場運行最為常見的問題為稀油站進水，造成潤滑油乳化。特別是早期國內(nèi)總包廠家剛開始設(shè)計運行MVR系統(tǒng)時，因為水蒸汽泄漏進入齒輪箱，潤滑油乳化造成齒輪銹蝕、軸瓦損壞、機組停機。因此，MVR系統(tǒng)總包廠家及客戶均非常關(guān)注水蒸汽壓縮機廠家提供的密封解決方案。

1 蒸汽壓縮機的常用密封

蒸汽壓縮機密封的好壞直接影響到蒸發(fā)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。密封處壓力分為正壓和負壓，取決于蒸汽壓縮機的進出口的靜壓差。壓縮機各部位壓力指示如圖1所示。當壓縮機葉輪輪背處的靜壓P2大于大氣壓P0時，為防止內(nèi)部的水蒸汽外漏，需設(shè)置密封及真空控制系統(tǒng)；當壓縮機葉輪輪背處的靜壓P2小于大氣壓P0時，為防止空氣進入壓縮機內(nèi)部，影響蒸發(fā)系統(tǒng)換熱器傳熱效果，同樣也需要設(shè)置密封及密封控制系統(tǒng)。

圖1 壓縮機各部位壓力指示圖

蒸汽壓縮機密封目前有兩種主流結(jié)構(gòu)形式：第一種為梳齒密封，采用PTFE或PEEK耐高溫、耐酸堿腐蝕材料，這種密封結(jié)構(gòu)簡單，加工及維修成本低，適用于蒸汽壓縮機密封結(jié)構(gòu)，泄漏量較大，密封效果不佳。第二種為碳環(huán)迷宮密封，屬于流阻型非接觸式密封裝置，依靠密封間隙內(nèi)的流體阻力效應而達到阻漏的目的。碳環(huán)密封與梳齒密封相比，具有自動對中的特性，因此，可以將碳環(huán)與旋轉(zhuǎn)件之間的間隙做的很小，既避免了碳環(huán)與旋轉(zhuǎn)件之間的固體接觸，又增大了流體通過縫隙的截留效應。碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)形式又主要分接觸式和非接觸式兩種，采用何種形式取決于密封接觸處軸套外圓線速度和使用壽命需求。通常密封接觸處的軸套外圓線速度低于50 m/s時，采用接觸式碳環(huán)密封，高于50 m/s時，則采用非接觸式碳環(huán)密封。

2 密封控制系統(tǒng)的常見形式

因為MVR蒸發(fā)系統(tǒng)不允許空氣進入蒸發(fā)系統(tǒng)的特性，因此在負壓蒸發(fā)系統(tǒng)中，須采用水蒸氣作為隔離介質(zhì)，將空氣側(cè)與介質(zhì)側(cè)完全分開，從而阻止空氣進入蒸發(fā)系統(tǒng)。同時也考慮到懸臂軸伸轉(zhuǎn)子動力學問題，密封結(jié)構(gòu)不能過長。因此，碳環(huán)密封需要設(shè)置特殊的充汽和排汽系統(tǒng)。同時考慮到蒸汽穿透性強、易冷凝的特點，因此密封選用碳環(huán)密封，這樣可以保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運行的前提條件下，還具備足夠的密封性能。典型的碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

碳環(huán)密封與后背板采用后裝式安裝結(jié)構(gòu)，這種安裝結(jié)構(gòu)可以保證主機與碳環(huán)密封獨立安裝，無先后次序，在用戶現(xiàn)場，可以很方便地拆卸碳環(huán)密封進行石墨環(huán)的維護更換。同時該結(jié)構(gòu)也能夠確保碳環(huán)密封與齒輪箱高速油封之間有足夠的軸向空間，確保石墨碳環(huán)在損壞的時候，泄漏的蒸汽不至于進入齒輪箱油封。圖2中的密封充氣系統(tǒng)可以確保進入碳環(huán)密封的蒸汽壓力穩(wěn)定在10～20 kPa之間。密封蒸汽控制控制系統(tǒng)PID如圖3所示。

圖2 典型的碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)

圖3 密封蒸汽控制控制系統(tǒng)PID示意圖

密封充汽的流程為：從用戶管路接0.45～0.55 MPa低壓蒸汽，經(jīng)過100目過濾器②進入汽水分離器，打開底部球閥④，蒸汽夾帶的凝水從疏水閥流走，水蒸汽被鎖住。從汽水分離器出來的干飽和蒸汽分為兩條支路，一條支路為主運行支路，蒸汽經(jīng)過球閥⑥、100目過濾器⑦、自力式穩(wěn)壓閥⑧、球閥⑨，另外一條支路為事故運行支路，若穩(wěn)壓閥出現(xiàn)損壞，可關(guān)閉球閥⑥、⑨，更換穩(wěn)壓閥，同時打開該支路上截止閥⑩，保證密封系統(tǒng)正常運行，兩條支路匯總后有一次壓力顯示，進入碳環(huán)密封前壓力穩(wěn)定在10～20 kPa左右即可。圖2中的碳環(huán)密封排汽系統(tǒng)建議單獨設(shè)置，不與其他排汽、排水管道共用，避免其他管路壓力影響導致排水不暢問題。若壓縮機安裝在高層平臺上，建議采用水封自封，這樣可以做到免維護，安全可靠。

3 潤滑油乳化原因分析及排查

因潤滑油乳化是MVR壓縮機中的常見問題，因此在平時的巡檢中需要特別關(guān)注，可以每隔2 h記錄一下油液面的高度，若發(fā)現(xiàn)油液面高度異常升高，可以用550 mL礦泉水瓶從稀油站接取，靜置后查看油液面有無分層，若有明顯分層，說明有水進到稀油站內(nèi)。潤滑油的乳化的排查步驟如下：①先從運行人員處了解潤滑油乳化發(fā)生時間與調(diào)試運行時間間隔。若調(diào)試運行后一兩個月才出現(xiàn)潤滑油乳化，說明本次乳化屬于設(shè)備意外損壞或者人員操作不當。屬于意外的情形主要有冷卻器異常損壞，水側(cè)壓力高于油側(cè)壓力，造成冷卻水進入到油箱，處理方法為更換冷卻器。②查看密封充汽壓力是否控制在10～20 kPa左右。③查看碳環(huán)密封有無泄漏，若有泄漏，則存在排氣系統(tǒng)異常和碳環(huán)密封損壞兩種情況。④查看碳環(huán)密封排氣系統(tǒng)，MVR系統(tǒng)廠家常規(guī)將進口管道排水、出口管道排水、碳環(huán)密封排汽等集中到一個凝水罐中，因此需要查看各排水及排汽管道閥門開關(guān)狀態(tài)，防止碳環(huán)密封排汽排凝不暢造成泄漏。⑤壓縮機關(guān)機后，查看噴水降溫系統(tǒng)有無關(guān)閉。

4 結(jié)束語

整體齒輪增速組裝型離心式水蒸汽壓縮機因壓縮溫升高、效率高、噪聲低、振動小、自動化程度高等特點，在5 t/h以上MVR系統(tǒng)中相比于羅茨蒸汽壓縮機具有絕對的競爭優(yōu)勢，因此被廣泛使用。本文介紹了一種常見的碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)及密封控制系統(tǒng)，降低了現(xiàn)場操作難度，避免了潤滑油乳化問題。同時從現(xiàn)場潤滑油乳化的結(jié)果出發(fā)，提供了一種潤滑油乳化排查的步驟，為設(shè)備長期穩(wěn)定運行提供了安全保障。