干气密封在富气压缩机上的应用.doc

干气密封在富气压缩机上的应用
Application of Dry Seal on Rich Gas Compressor

摘要：介绍了干气密封安装在离心压缩机上的工作运转情况，及其所带来的经济效益。
关键词：离心式压缩机 干气密封
Abstract: The operating condition of dry seal on centrifugal compressor and its economic benefits are introduced.
Key words: Centrifugal compressor Dry seal
1 引言
上海石化股份公司炼化部C301压缩机为沈阳鼓风机厂制造的透平驱动的多级离心压缩机，型号为2MCL527-12。
进口压力：0.16MPa ；出口压力为1.6MPa
进口温度：40～60 ℃ ；出口温度：90～120 ℃
介质：催化富气； 成分：碳氢化合物
转速：8800r/min；流量：14500～18000Nm3/h
该机组为高转速连续运转设备，工艺介质易燃易爆，危险性大。这就要求压缩机轴端密封系统可靠性好，密封泄漏小，寿命长。原密封型式为浮环密封。靠富气侧为内浮环，大气侧为外浮环。在内外浮环之间引入高于工艺气压力约50kPa的密封油，通过旋转时浮环与轴之间产生的微小间隙变化形成压力油膜，产生节流降压作用而达到密封目的。浮环密封属于液体节流式非接触密封。虽可用于高速高压条件，但它的密封液系统较复杂，辅助设备以及电、仪等自控元件多，从而造成使用可靠性下降，维护、维修任务重，而且其内泄漏较大、对轴磨损严重、检修维护频繁、使用寿命短、密封油系统运行费用高等诸多缺陷。不仅对该机组的长周期平稳运行有较大影响，也不适应现代企业对环保及节能降耗越来越高的要求。上海石化公司有关人员经过反复研究和考察，决定与四川日机密封件有限公司合作，对该压缩机的轴封进行改造，将原浮环密封改造为干气密封结构。改造后的密封及密封系统于2003年3月底炼化部检修期间顺利安装完成，并于4月2日一次试车成功，达到了良好的密封效果，获得了显著的经济效益。
2 密封的主要结构特点
目前国内大型离心压缩机轴端密封型式主要包括迷宫密封、浮环密封、机械密封以及目前最先进的干气密封。干气密封是60年代末期以气体润滑轴承的概念为基础发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。经过数年的研究，美国约翰·克兰公司率先推出干气密封产品并投入工业使用。它是一种新型的非接触式轴封。其结构与普通机械密封类似。但重要区别在于，干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下运行实现密封。将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合，“用气封液或气封气”的新观念替代传统的“液封气或液封液”观念，可保证任何密封介质实现零逸出，故更适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。由于它不需要密封润滑油，省去了封油系统及用于驱动封油系统运转的附加功率负荷。其所需的气体控制系统也比封油系统要简单得多。而且泄漏量小，寿命长，维护费用低，密封驱动功率消耗少。
由于该压缩机输送的工艺气体为富气，工艺允许微量氮气进入，而且压缩机的进口压力较低（～0.16MPa）。故根据该实际情况及有关参数，确定将原轴封型式改为面对面双端面螺旋槽干气密封的结构（见图1）。
图1 面对面双端面螺旋槽干气密封结构
双端面干气密封可以看作面对面布置的两组单端面干气密封，在两组密封之间通入氮气作阻塞气体而成为一个性能可靠的阻塞密封系统，控制氮气的压力使其始终维持在比工艺气体压
力稍高（0.2～0.3MPa）的水平。使其在大气与工艺气之间起到阻隔作用，与原浮环密封的封油的作用相同。由于气体泄漏的方向总是朝着工艺介质气体和大气，从而保证了工艺气体不会向大气泄漏。在密封动环的端面上加工有均布的螺旋动压槽。特殊设计的槽型结构在使用条件下运转时所产生的流体动压效应，是动、静环间形成具有极高刚度的气膜，由气膜作用力形成的开启力与由弹簧和介质作用形成的闭合力达到平衡，使密封面分开3～5μm，在非接触状态下实现密封
由于该压缩机输送的气体较脏，为保证干气密封在洁净、干燥的环境中运行，在干气密封的前端（介质端）引入经过滤净化后的的工艺气体，控制其压力稍高于平衡管处的工艺气压力，可阻挡工艺气中的粉尘、油雾等对干气密封有害的杂质进入密封端面。在干气密封的后端（轴承端）可保留原有的迷宫密封，引入略高于轴承箱压力的氮气，其作用是避免轴承箱中的润滑油进入干气密封内。
该结构具有极高的可靠性，使工艺气对大气环境真正实现了零泄漏。而且其通常采用氮气作为阻塞气，极少的内漏量（＜0.3Nm3／h＝对工艺气一般不构成污染。这种结构目前在石化及炼油工业引进的离心压缩机中得到较多的应用。
该密封为整体集装式结构，出厂前已精密地装配成一体，通过定位块板将动、静部分连接在一起，以防止运输过程中零件之间相互碰撞造成的损坏。同时，安装时不需要分解，整体直接装入机组壳体内后取下定位板即可，便捷且轴向定位准确，避免了现场重新拆卸组装时引起的装配精度下降以及环境中的粉尘等杂质对密封的影响，使用效果能得到充分保证。
该密封安装尺寸完全根据2MCL527压缩机原浮环密封的实际安装尺寸设计，转动部分可采用销钉传动，只需对主轴稍做改动，钻两处φ4销孔即可。其余与密封相关部分不做任何修改。可保证万一发生不正常运行情况时能够立即恢复原轴封状态。
3 密封监控系统的主要特点
该密封设计有专门的监测控制系统(见图2)，可保证干气密封长期可靠地在最佳状态运行。
图2 干气密封流程图

从机组的出口端引入一路工艺气作为缓冲气，经过减压阀、过滤器，进入密封的前端（介质端），控制其压力稍高出平衡管处的工艺气压力0.10～0.15MPa，可阻挡未经净化的工艺气进入密封端面；从现场的氮气气源引一部分作为主密封气，经过减压阀、过滤器、流量计后进入干气密封的腔体，起阻塞气体的作用。通过系统的自立式压力调节阀，控制其进口压力高于前端的缓冲气压力0.2～0.3MPa。由于气体进入密封腔后只有通过密封端面分别向介质端和大气端泄漏，故其流量也即为两端密封的泄漏量，在0.4～0.7Nm3／h之内。其中的一部分通过介质侧的密封端面漏入工艺气内，另一部分则通过大气侧的密封端面漏入外置的迷宫密封腔内。再引一部分氮气作为隔离气，进入迷宫密封中的密封腔，控制其进口压力稍高于轴承箱油压（通常为大气压）20kPa，形成一个可靠的阻塞密封，可保证轴承箱中的润滑油不进入干气密封。该气体流量不超过10Nm3／h，由于全部为氮气，一部分进入轴承箱，另一部分与从干气密封大气侧密封端面漏出的氮气混合为泄漏气。因对环境无害，可直接排空。
判断密封是否正常工作主要是通过对主密封气的监测来进行。正常情况下，主密封气进口端显示的流量即为两端泄漏量之和，其值由金属转子流量计测量，并远传至控制室。该值稳定且较小。如任何一端的干气密封出现意外失效时，会导致流量的急剧增大。如达到设定值时控制室即发出声光报警。
针对该机组密封位置腔体的结构，将原浮环密封的参考气进口作为干气密封的前置缓冲气进口，原密封油进口作为主密封气进口，原浮环密封的充氮气进口不变，作为干气密封的后置隔离气进口。原排空口也不变，作为干气密封的泄漏气排出口。由于机组的高低压端有平衡管连接，两端压力实现内部平衡，其封气压力近似于压缩机的进气压力。故干气密封的使用条件基本相同，因此可以采用相同的结构及控制系统。
改造为双端面干气密封以后，将原浮环密封的控制系统全部取消。系统的测量仪表在现场检测的同时，对重要测量点采集的信号输出至中控室，并设置高低限位报警。使操作人员能及时了解密封的运行清况，确保该系统的可靠运行。具体设置如下：
（1）设置主密封气的氮气流量（即密封的泄漏量）报警，Q≥2Nm3／h时，高报警；Q≥4Nm3／h时，超高报警并连锁停车；
（2）设置主密封气与缓冲气的压差报警，Δp≤0.15MPa时，低报警；Δp≤0.05MPa时，连锁停车；
（3） 置缓冲气过滤器的压差报警，设定为Δp≥60kPa时，高报警；
（4）设置主密封气过滤器的压差报警，设定为Δp≥60kPa时，高报警。
（5）设置缓冲气的压力报警，设定为p≤0.5MPa时，低报警，此时氮气瓶和仪表风辅助气源启动；
（6） 置隔离气的压力报警，设定为p≤0.01MPa时，低报警。
密封系统的测量仪表、接线盒、过滤器、阀门均安装在现场的干气密封仪表盘上。压力、流量、差压变送器输出4～20mA模拟信号经隔离转换模块送入PLC，信号超限时，PLC输出报警信号进行声光报警。达到连锁停车值时，及时停车。
4 密封现场开车运行情况
改造后的密封及密封系统于2003年3月中旬1号炼油检修期间顺利安装完成，并于4月2日一次试车成功，达到了良好的密封效果。具体情况如下。
4月2日20时，机组开车。在2000 r/min的暖机转速下运转1小时，由于转速较低，流量计显示两端密封泄漏量为0。21时起压缩机开始升速，升至3000r/min流量计显示两端密封泄漏量约为0.4Nm3/h。当升速至5000 r/min左右时，由于机组发生喘振，剧烈振动而紧急停车。1小时后重新开车，升至5000 r/min左右时，机组仍然发生喘振而再次停车。干气密封在此过程中经历了两次严峻的考验。经反复分析喘振原因并作针对性调试后于22时30分再次开车，顺利升速至7000 r/min，密封泄漏量显示为0.6Nm3/h，上下波动为0.1Nm3/h左右，表现稳定。机组运行逐渐进入稳定状态，密封腔温度亦逐渐升高，两端密封泄漏量随温度上升逐步下降，最终稳定在0.5Nm3/h 。在此后的运转过程中，发生过数次一侧密封泄漏量出现瞬间报警（2Nm3/h）的情况，但随即恢复正常值。经分析是由于机组的工艺参数的波动和个别流量计的质量问题引起。在6月18日，由于反-再系统流化异常波动，机组进气压力和流量急剧变化，造成机组连续喘振长达1小时左右。开车运行正常后，密封泄漏量为0.55～0.60Nm3/h运转情况非常理想，表明该干气密封设计合理，具有极强的抗干扰能力，达到了预期的使用效果，完全能保证长周期运行。
5 机组改造为干气密封后的经济效益
5.1 节约水、电
取消了密封油系统后，密封油冷却器停用，按冷却器用水量为28t/h，年运行350d，循环水单价2元/t计算，年节约水费约47万元。原浮环密封（两端）功耗约15kW，而干气密封功耗仅1kW，比浮环密封节约14kW。另外，密封油泵功率22kW，按年运行350d，电单价0.61元/t计算，年节约电费约11万元。
5.2 节约润滑油
改造后，每年节约润滑油10t，按油价3000元/t计算，每年节约3万元。
5.3 避免停机损失
以前每年因密封系统故障而被迫停车。改造后，避免此项损失50万元。
5.4 减少维修费用
原浮环密封辅助设备多，包括油系统及相应的电气设备、自控仪表、油过滤器、冷却器、油气分离器、脱气槽、油箱及高位油罐等，维修工作量较大。改造后，每年可减少维修费用约19万元。
此外，改造前密封油系统脱气槽顶直接放空排入大气，对环境造成污染，而干气密封则不会对大气产生污染。
以上各项合计每年可节约130万元以上，而一套双端面干气密封及其系统只需投资60万元便可制造、安装使用。
6 结论
(1)干气密封在C301离心压缩机上的改造是成功的，从根本上解决了压缩机的密封失效问题，保证了机组的安全、稳定、长期、满负荷、优质运行。
(2)干气密封与浮环密封相比，具有无磨损、功耗低、微泄漏、寿命长、可靠性高、运行维护十分简单等优点，值得推广应用。
(3)干气密封取消了密封油站及其控制系统，消除了由此而引起的故障，使得机组的运行可靠性得到了很大的提高。
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