国产高压干气密封在循环氢压缩机中的应用.pdf

摘要： 简单阐述了干气密封的概况， 介绍了干气 密封改造前后结构情况， 对标定参数做了对比, 得出了国产的干气密封在循环氢压缩机中应用 成功的结论。 关键词： 干气密封； 改造； 运行 中图分类号： th136文献标识码： b 文章编号： 1006- 8155 （2009 ） 03- 0069- 04 the appli cation of domestic high -pressure drygassealinrecyclehydrogen compressor abstract： thepaperhasbriefly specifiedthe general situations of dry gas seal and introduced the structure condition before and after reconstruction of drygasseal.thecomparisonofcalibration parameters shows that the application of domestic dry gas seal in recycle hydrogen compressor is successful. key words： dry gas seal; reconstruction; operation 0引言 目前国内高压级别干气密封全部为进口， 国内企业只能生产低压级别干气密封，某公司 为炼油厂 120 万吨 / 年加氢裂化装置循环氢离 心压缩机干气密封进行国产化改造，改造是成 功的，事实证明国内企业也有能力生产高压级 别干气密封。 该离心式压缩机由沈阳鼓风机集团有限公 司制造， 型号 bcl406/a 离心压缩机， 是炼油厂 加氢裂化装置的核心设备，其能否长周期运转 关系到装置能否正常运行。 改造前干气密封为国外生产，设计时存在 一些缺点， 如： 循环氢组份的露点与运行温度接 近， 当系统出现波动时会造成密封气入口带液； 干气密封控制系统只有电伴热，在停电事故发 生时， 电伴热失效会引起压缩机干气密封损坏； 干气密封动静环密封面在 14mpa 时即出现严重 的摩擦现象， 无法保证密封在高压下长期运行。 为解决这些问题及降低维修费用和订货周 期，与国内公司共同研制开发国内首台应用于 17mpa 高压等级的干气密封。 随着石油化工、能源工业的发展以及人们 安全环保意识的提高，对各类转动设备轴封的 要求也越来越高。 目前， 国内绝大多数石化企业 转动设备轴封型式均采用的是单端面机械密封 或双端面机械密封。 单端面机械密封结构简单， 但存在工艺介质易泄漏的问题，不适合输送易 挥发介质；双端面机械密封用外引密封液做润 滑冷却介质， 密封结构和辅助系统较为复杂。 由 于机械密封为接触式密封，其使用寿命已不能 满足石化企业长周期运行的要求。干气密封的 出现， 是密封技术的一次革命， 它具有使用寿命 长、 无介质泄漏、 轴功率消耗低等优点， 因此， 得 到广泛应用。 1干气密封简介 正常条件下， 作用在密封面上的闭合力 （弹 簧力和介质力） 等于开启力 （气膜反力） ， 密封工 作在设计工作间隙。 当受到外部干扰， 气膜厚度 减小， 则气膜反力增加， 开启力大于闭合力， 迫 使密封工作间隙增大， 恢复到正常值。 相反， 若密封气膜厚度增大， 则气膜反力减 国产高压干气密封 在循环氢压缩机中的应用 刘春艳 / 大庆石化工程有限公司 王树术 / 大庆石化公司炼油厂 收稿日期： 2008- 12- 05大庆市163711 69 风机技术 小， 闭合力大于开启力， 密封面合拢恢复到正常 值。因此， 只要在设计范围内， 当外部干扰消失 以后， 气膜厚度就可以恢复到设计值。 衡量密封 稳定性的主要指标就是密封产生气膜刚度的大 小，气膜刚度是气膜作用力的变化与气膜厚度 的变化之比， 气膜刚度越大， 表明密封的抗干扰 能力越强， 密封运行越稳定。 干气密封的设计就 是以获得最大的气膜刚度为目标。 干气密封是机械密封和气体密封的结合， 是一种非接触端部密封，它是在机械密封的动 环或静环 （一般在动环上） 的密封面上开有密封 槽 （本密封为 t 形槽） ， 当动静环高速旋转时， 在 两端面间形成一层气膜，在气体泵送效应产生 的推力作用下把动静环推开，使两密封端面不 接触， 但在压缩机刚开机阶段， 由于转速较低， 动静密封面形成的动压力也较低，动静环是接 触摩擦的， 所以采用干气密封的压缩机， 低速运 行时间不宜过长1。 2影响干气密封性能的主要参数 影响干气密封性能的参数分为密封端面结 构参数和密封操作参数。端面结构参数对密封 的稳定性影响较大，操作参数对密封的泄漏量 影响较大。 2.1密封端面结构参数对气膜刚度的影响 2.1.1干气密封动压槽形状 从流体动力学角度来讲，在干气密封端面 开任何形状的沟槽， 都能产生动压效应。 理论研 究表明， 螺旋槽产生的流体动压效应最强， 用其 作为干气密封动压槽而形成的气膜刚度最大， 即干气密封的稳定性最好。 2.1.2干气密封动压槽深度 理论研究表明，干气密封流体动压槽深度 与气膜厚度为同一量级时，密封的气膜刚度最 大。 实际应用中， 干气密封的动压槽深度一般在 310m。在其余参数确定的情况下， 动压槽深 度有一最佳值。 2.1.3干气密封动压槽数量、 宽度和长度 理论研究表明，干气密封动压槽数量趋于 无限时， 动压效应最强。不过在实际应用中， 当 动压槽达到一定数量后， 再增加槽数， 对干气密 封性能影响已经很小。 此外， 干气密封动压槽宽 度和长度对密封性能都有一定的影响。 2.2操作参数对密封泄漏量的影响 2.2.1密封直径、 转速对泄漏量的影响。 密封直 径越大， 转速越高， 密封环线速度越大， 干气密 封的泄漏量就越大。 2.2.2密封介质压力对泄漏量的影响。在密封 工作间隙一定的情况下， 密封气压力越高， 气体 泄漏量越大。 2.2.3介质温度、 介质粘度对泄漏量的影响。 介 质温度对密封泄漏量的影响是由于温度对介质 粘度有影响而造成的。 介质粘度增加， 动压效应 增强， 气膜厚度增加， 但同时流经密封端面间隙 的阻力也增加。 因此， 其对密封泄漏量的影响不 是很大。 3改造前后结构变化 3.1改造前本装置干气密封 本装置双向串联干气密封的特点：密封型 式为双向串联干气密封； 密封槽为 t 形槽； 旋转 环材料为碳化硅； 静环为涂 dlc 工业金刚石碳 化硅；辅助密封元件采用填充 ptfe；弹簧 （alloyc40 ） 加载。采用 t 形槽密封端面， 可以 避免压缩机正反转造成密封损坏或减少使用寿 命， 系统采取电伴热。 3.2改造后本装置干气密封 特点：（1 ） 压缩机两端干气密封更换为某 公司自发研制的干气密封，其中静环材料由碳 化硅更改为石墨； 密封槽型由原设计的双向 “t” 形槽改为双向 “土” 形槽， 以增加其运行的稳定 性；（2 ） 改造主密封流量计， 通过更换流量计的 测量孔板并调整量程，使流量计符合改造后的 需要；（3 ） 在干气密封控制系统前增加了除液 罐， 并通过液位计检测， 进行自动排液， 从而避 免在异常停机的情况下干气密封系统带液；（4 ） 在主密封气管线处增加了蒸汽伴热，伴热温度 控制在 90110， 防止装置停电时出现进口温 度降低主密封气重组份冷凝的问题。 4干气密封改造后的控制系统 干气密封利用气动薄膜式调节阀使平衡管 气与主密封气保持一定压差，隔离气和级间密 封气分别利用自力式调节阀保持压力恒定。 装置开工和停车时，压缩机进出口压力相 等， 此时增压泵启动， 保证主密封气压力比平衡 2 0 0 9年第3 期 使用维护 70 管气压力高 0.30.4mpa （g ） ,增压泵驱动气源工 业风为 0.350.4 mpa （g ） ， 主密封气密封室压力 比一级排气压力高 0.03 mpa 以上， 级间 （二级） 密封气压力比二级排气压力高 0.03 mpa 以上。 4.1主要控制流程 4.1.1主密封气控制流程 从压缩机出口来的主密封气首先经过脱液 罐脱液， 再到除雾器除雾， 然后进入主密封气过 滤器进行过滤。如果主密封气的压力与平衡管 压力差低于 0.345mpa （g ） （设定值） ,则增压泵自 启,给主密封气提压。提压后的密封气进入储液 罐进行气液分离，再经过过滤器过滤后进入主 密封气调节阀。调节阀调节进气流量为 1634 5516.8nl/min,密封气经调节阀后分两路并经过 流量孔板进入一级密封腔。然后泄漏气经一级 密封气泄漏线并经过孔板排入火炬，泄漏量控 制在 958.3nl/min 以内。 4.1.2辅助密封气控制流程 级间密封气从氮气区来的氮气经过滤器过 滤后，级间密封气经自立式调节阀调节流量控 制在 60183.3nl/min 后， 又分两路经流量孔板 进入级间密封气密封腔，级间密封起辅助密封 作用。 然后氮气经二级泄漏线进入火炬。 需要注 意的是：二级密封进气流量应略小于一级密封 放入火炬的流量。 4.1.3隔离密封控制流程 隔离密封氮气从氮气区来的氮气经过滤器 过滤后，经隔离气经自立式调节阀调节压力 90kpa， 又分两路经流量孔板进入隔离气密封腔， 隔离润滑油。 其中一部分经过密封进入二级密封 排气腔； 另一部分由端面进入轴承箱， 高点放空。 4.2主要控制系统参数设置 主密封气过滤器设有差压变送器，并设定 压力 0.138mpa （g ） 的高报警值， 当过滤器差压 变大时， 必须切换进行清理或更换滤芯。 主密封 气与平衡管设有差压表， 当压差小于 0.345 mpa （g ） 时增压泵自启， 给主密封气增压， 当差压高 于 0.52 mpa （g ） 时， 增压泵自动关闭。增压泵漏 气压力大于 0.1mpa （g ） 时高报警， 大于 0.14mpa （g ） 时停增压泵。 主密封气的流量表设有大于 5516.8nl/min 高报警、 设有小于 1634nl/min 低报警， 此时需 要调节流量，泄漏气和氮气通过迷宫密封释放 到火炬，流量计流量大于 958.3nl/min 高报警； 流量计流量大于 1158.3nl/min 停机。 级间密封气通过自立式调节阀调节压力， 控制级间密封气压力大于 0.09mpa （g ） 。 隔离气通过自立式调节阀调节压力，隔离 气压力小于 90kpa （g ） 低报警。隔离气供气流量 表 （标准状态） 大于 184nl/min 高报警、 设有小 于 99nl/min 低报警。 以上主要参数全部经组态并入 esd 系统， 可以实现对该密封系统进行监控。 5运行情况 经过现场的改造、 安装， 国内自行研制的首 套高压干气密封于 2008 年 9 月 6 日投运， 已经 经历了氮气气密、 硫化、 氢气等不同工况， 从改 造后干气密封的运行参数上来看，一级密封泄 漏量在 200300nl/min，小于设计泄漏值 358. 3nl/min， 更小于设计报警值 958.3nl/min， 优于 改造目标， 运行状态平稳。 表 1 是改造前干气密 封运行情况， 表 2 是改造的设计参数， 表 3 是改 造后标定数据，从表 3 中可以看出密封性能稳 定， 可靠， 机组运行平稳， 事实证明了干气密封 的改造是成功的。 表 1 干气密封改造前运行参数 0： 00 2： 00 4： 00 6： 00 8： 00 10： 00 12： 00 14： 00 16： 00 18： 00 20： 00 22： 00 时间 9401 9398 9400 9403 9402 9402 9399 9397 9401 9401 9403 9499 驱动端一级泄 漏量 /(nl/min) fia3846 转速 / （r/min） 121.2 123.4 131.0 134.2 128.6 129.5 127.2 128.6 125.7 138.2 142.1 143.2 驱动端二级泄 漏量 /(nl/min) fia3847 124.5 125.3 134.6 136.5 138.7 136.5 132.4 124.8 129.5 134.2 140.2 144.6 二级密封气 压力 /mpa pia3841 0.102 0.102 0.103 0.101 0.102 0.099 0.103 0.103 0.102 0.102 0.098 0.099 驱动 / 非驱动端密封气流量 /(nl/min) 驱动 / 非驱动端二级密封气 流量 /(nl/min) fia3840 3765.12 3765.12 3768.34 3763.25 3761.32 3764.69 3760.58 3761.43 3761.36 3769.98 3768.61 3761.47 fia3841 3729.68 3733.25 3728.34 3731.86 3728.49 3729.67 3730.47 3734.26 3735.29 3726.15 3728.19 3729.92 fia3847 112.36 111.23 113.92 114.15 113.26 112.89 112.48 111.87 111.32 112.36 112.67 113.05 fia3846 122.32 121.36 124.11 123.56 123.76 124.62 120.86 121.71 122.38 121.35 122.64 123.14 71 风机技术 时间 驱动端一级泄 漏量 /(nl/min) 转速 / （r/min） 驱动端二级泄 漏量 /(nl/min) 二级密封气 压力 /mpa 驱动 / 非驱动端密封气流量 /(nl/min) 驱动 / 非驱动端二级密封气 流量 /(nl/min) fia3846 358.3 fia3847 358.3 pia3841 0.2 fia3840 5516.8 fia3841 5516.8 fia3846 183.3 fia3847 183.3 6注意事项 （1 ） 只有当机组处于静止状态而且系统无 压力的情况下才能对干气密封进行处理。 （2 ） 密封安装之前， 对干气密封的浮动性 进行检查： 密封周向自由度检查； 密封轴 向自由度的检查 （如果密封质量很大， 弹簧力不 能克服密封静件的重量，使得静件不能恢复原 位，这时可以将密封侧放，用手均匀压密封动 件， 密封可以恢复到原位 ） 。 （3 ） 密封系统在安装时， 必须保证管线、 土 形槽清洁。 （4 ） 主密封气密封室压力至少大于一级排 气压力 0.03 mpa （g ） ； 级间 （二级） 密封室压力至 少大于级间排气压力 0.03 mpa （g ） 。 （5 ） 开机前必须投用干气密封， 停机时先停 润滑油， 后停干气密封， 防止润滑油进入干气 密封系统中， 停机时， 密封腔降压速度不超过 0.5mpa/min。 （6 ） 开机前投用蒸汽伴热， 停机后再停蒸 汽伴热。 （7 ） 在开机过程中， 不宜低转速运行时间 太长， 在正常运转中， 应该保持转速恒定， 调转 速时尽可能缓慢操作，以避免转速波动太大对 干气密封产生不良的影响。在任何情况下干气 密封被反向充压， 均可能造成密封的损坏， 进入 密封的气体应清洁、 干燥并气量充足， 以保证密 封的最佳性能， 延长密封的使用寿命， 过大的振 动与串动将影响密封的性能甚至损坏密封。 7结论 装置开车后， 经过 3 个月的运行， 此密封运 行情况良好， 该套干气密封的成功应用， 也标志 着干气密封国产化改造初步告捷，表明国内干 气密封厂家有能力打破此领域国外技术垄断。 此项目研发成功后，将为其它循环氢压缩机提 供可靠的密封，为国产干气密封在高压离心压 缩机上面的应用奠定基础，从而彻底解决高压 干气密封长期依赖进口的局面，为填补国为此 领域空白做出重要贡献。 参 考 文 献 1杨富来.干气密封技术及实际应用 j .石油化工设备技术， 2004， 25 （3） ： 63- 66. 表 2干气密封设计参数 表 3 干气密封改造后标定参数 （共标定 6天） 驱动端一级泄 漏量 /(nl/min) 驱动端二级泄 漏量 /(nl/min) 二级密封气 压力 /mpa 驱动 / 非驱动端密封气流量 /(nl/min) 驱动 / 非驱动端二级密封气 流量 /(nl/min) 时间 转速 / （r/min） fia3846 261.4 271.46 267.99 258.4 256.62 267.1 261 287.7 293.22 308.42 309.9 267.1 277.18 254.3 fia3847 229.33 237.2 235