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y6 8 8 6 l 7 天然气压缩机干气密封系统故障研究与对策 领域化学工程 研究生袁代红指导教师黄卫星张明高 在天然气化工企业中离心压缩机是关键核心设备之一。密封作为离心式压 缩机的关键部件是压缩机最容易损坏的部件之一。鉴于此，目前越来越多的离 心式压缩机选用干气密封作为其有效的密封部件，以提高压缩机运行的可靠 性。这对企业的延长生产周期、降低维修费用起到了积极的作用。但是，一旦 干气密封失效，因密封件加工精度高，用户自己无法完成修理和测试，必须送 专业厂家修理。高昂的维修费用和维修周期，给用户的生产和维修带来很大的 影响。 本文针对干气密封的常见失效形式，结合扬z j 。酰的天然气压缩机干气密 封因天然气外漏而导致故障的问题，提出了解决干气密封泄漏、延长干气密封 使用寿命的新思路：_ t 气密封的故障不在于密封本身的设计，而跟构成密封环 境的阳属系统有极大的关系。干气密封背压变化时，密封气供应需保持动态跟 随，使密封气与其背压之问的压差保持恒定，以此来保证干气密封稳定的密封 环境。 在解决问题的过程中，从干气密封的基本原理和结构出发，逐步延伸到密 封的附属系统及支持环境，都进行了充分的分析和论证，找出了最有效、最经 济的解决方法。同时，为了进一步提高干气密封的可靠性，还对天然气压缩机 中对干气密封有影响的部件如何改进进行了探讨和论证。提出了压缩机迷宫密 封使用不锈钢等耐冲刷的硬性材剁的方案，并得到了压缩机生产商的支持。另 外，通过密封换型探讨和天然气脱硫工艺审查，对任何可能影响干气密封运行 的因素都进行了统筹考虑。 从改造的效果来看，密封的使用寿命已大大延长。这不但降低了维修费用， r 上a 88 a f 。 而且增加了整个装置的可靠性。仅仅节省维修和备件的直接费用，就达2 3 7 万 元人民币。如果计算装置因干气密封故障而产生非计划停车，其所包含的风险 损失，烙会达到4 8 0 0 万元次。另外，减少了干气密封带病运行时，一级泄露 管线向火炬排放天然气的量。这不但减少压缩机的功耗，还降低了生产耗用天 然气的成本。 总之，通过对干气密封系统故障的研究，对所有干气密封系统的设计和维 护提供了积极的借鉴作用。 关键词：天然气：压缩机：干气密封：失效方式：密封系统；迷宫密封 f a i l u r e sa n ds o l u t i o n sf o rd r y d a ss e a l o fn a t u r a lg a s c o m p r e s s o r m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：y u a nd a ih o n g s u p e r v i s o r ：h u a n gw e i x i n g z h a n gm i n g g a o c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nn a t u r a lg a s c h e m i c a l s a n ds h a f ts e a li s o n eo ft h em o s tv u l n e r a b l ep a r t so fc o m p r e s s o r t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ed r yg a ss e a l sa r ea p p l i e do nc e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r s f o r b e t t e rr e l i a b i l i t y , w h i c hp l a y sap o s i t i v er o l ei ni n c r e a s i n go p e r a t i o nh o u r sa n d r e d u c i n gm a i n t e n a n c ec o s t h o w e v e r , o n c ed g s f a i l e di ts h o u l db et r a n s f e r r e dt o o r i g i n a lm a n u f a c t u r e r t or e p a i rd u et oh i g hq u a l i t yt e c h n o l o g ys ot h a tu s e rc a n td o t h er e p a i rb yt h e i ro w n i nt h i sc a s eb i gi m p a c tw a sb r o u l g b ta b o u tt ou s e rw i t hh i g h r e p a i rc o s ta n dl o n g t i m er e t u r n s i nv i e wo f t h ec o m n l o nf a i l u r e so f d g sa n di nc o m b i n a t i o nw i t he x p e r i e n c ea t p r o d u c t i o n s i t eo fy a n g t z er i v e ra c e t y l sc h e m i c a lc o l d t t h a tn a t u r a l g a s c o m p r e s s o rd g sf a i l u r e d u et on a t u r a l g a sl e a k ，an e ws o l u t i o n h a sr a i s e dt o r e m o v ef a i l u r e so fd g sa n dm a k ei tr u nl o n g e r d r yg a ss e a l sf a i l u r ei sn o tu s u a l c a u s e d b y t h ed e s i g nb u tb y a c c e s s o r ys y s t e mt h eb a c k i n gp r e s s u r eo f s e a lc h a n g e d i nt h em e a nt i m ec l e a ng a ss u p p l yi sc h a n g i n ga c c o r d i n g l yt ok e e pc o n s t a n td i f f e r e n t p r e s s u r eb e t w e e ns e a lg a ss u p p l ya n db a c k i n gp r e s s u r e t h i sw i l le n s u r eas t a b l e w o r k i n ge n v i r o n m e n to f d g s b a s e do nb a s i cp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f d r yg a ss e a l ，i tw a sf u l l yd e b a t e da n d a n a l y z e d o v e rs e a l s a c c e s s o r ya n ds u p p o r te n v i r o n m e n tf o rm o s ta p p r o p r i a t e s o l u t i o n e f f e c t i v e l y i n o r d e rt o i m p r o v ed g sr e l i a b i l i t y , m o r ed i s c u s s i o nw a s c a r r i e do u to nc o m p o n e n to nt h ec o m p r e s s o rt h a te f f e c td g s sp e r f o r m a n c e ，a n d s u g g e s t i o no fc h a n g et h em a t e r i a lo fl a b y r i n t hs e a lw a sa d m i t t e dw i t hc o m p r e s s o r m a n u f a c t u r e r a n yf a c t o r sw i l la f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fd g s w a sc o n s i d e r e db y d i s c u s s i o n o f c h a n g i n gm o d eo f s e a la n dd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s so f n a t u r a lg a s t h ee r i e c ta f t e rm o d i f i c a t i o ns h o w se x c e l l e n tw i t hl o n gs e r v i c el i f ea n dl o w m a i n t e n a n c ec o s t t h ec o s tf o rm a i n t e n a n c ea n ds p a r e p a r ti ss a v e df o rr m b 2 - 3 7 m i fn o n - p l a n e ds h u t d o w ni sa l s oc o n s i d e r e d ，t h el o s sw o u l dt o t a lr m b 4 8 0 0 0 k p e r t i m e i nt h em e a n t i m e ，t h ea m o u n to fn a t u r a lg a sv e n t i n gt of l a r ei sa v o i d e dw i t h d g so p e r a t i n ga tn e a r f a i l u r e c o n d i t i o n ，w h i c hn o to n l yr e d u c et h e p o w e r c o n s u m p t i o nb u ts l o w d o w nt h ec o s to f n a m r a lg a s i n g e n e r a l ，t h es t u d yo nt h ef a i l u r e so fd r y g a s s e a l s y s t e m i so fg r e a t s i g n i f i c a n c eo nd e s i g na n dm a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：n a t u r a lg a s ；d r y g a ss e a l ；f a i l u r e sm o d e ；s e a l i n g s y s t e m ； l a b y r i n t hs e a l 四川大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1天然气压缩机的应用场合 天然气化工的一个显著特点是实现天然气的转化和合成，无论是生产甲 醇、合成氨，还是天然气蒸汽转化生产一氧化碳，无一不是如此。为了实现天 然气的转化，大多数情况下是使用离心式压缩机来提高天然气的压力，以满足 其在高温转化炉中合成反应所需的高压反应条件。因此，离心式天然气压缩机 与各种转化炉一样，成为天然气化工流程中的关键设备之一。 根据维修统计表明，端面密封的运行状况在很大程度上将决定压缩机的检 修周期、经济性和可靠性【j 】，天然气压缩机也不例外。所以研究密封的故障和 对策具有非常大的现实意义和价值。 1 2 天然气压缩机的密封主要形式 与其它气体压缩机一样，目前在天然气压缩机中，端面密封通常有以下几 种基本形式：机械密封、浮环密封、油膜螺旋槽端面密封、干气密封和迷宫密 封【2 j 。显然，整个轴封必须是有以上形式中任意几种组合而成的，如迷宫密封， 通常与主密封配合，用在其前端与后端，控制主密封的背压和密封环境 3 1 。即 使在主密封内部，迷宫密封也是不可缺少的构成组件之一。 机械密封是用途最广泛的端面密 封之一，如图1 1 所示。由于它是接触 型密封，受密封面线速度限制，主要用 于中低速离心式压缩机，使用寿命在一 年以上，摩擦面采用一些新型材料之后 使用寿命可达两年。近年来国内开发出 一种新型螺旋槽机械密封，利用动压泵 吸效应在密封端面上形成一层薄薄的 油膜，使得密封面脱离接触，在高转速 压缩机上也有很好的使用效果，其使用 图1 - 1 压缩机用双端面机械密封 寿命预期可以超过三年。 婴业奎兰三堡堡主兰垡笙苎 一一 一 机械密封具有以下使用特点： 由于属于接触式密封，始终存在磨损，使用寿命有限，主要用于中低 压压缩机。 夺摩擦和搅拌将产生大量热量，需保持稳定的液气压差和充足的密封液 供应。 夺可以有效对工艺介质进行密封，但是不可避免地存在少量密封液进入 工艺介质，工艺介质应能够与油进行有效分离。 夺密封面局部温度仍然较高，动静环配对的材料选择应满足工作条件要 求，否则会严重影响密封的使用性能和寿命。 浮环密封是一种非接触密封【4 】，如图l 一2 所示。浮环密封只是在开停车时， 由于转速较低浮环的升力不能克服其重力，浮环与压缩机主轴有接触，发生微 量磨损。因此，应尽量减少开停 车次数和压缩机在低转速下的 停留时间。浮环密封在停车时由 于浮环不能有效浮起，浮环节流 效应减小，密封作用较差。 浮环密封具有以下使用特 点口1 ： 夺具有很宽的密封工作参 数范围，特别适合高压、 高转速场合。 夺由于引入了密封液系 密封液密封液密封液 图卜2 离心式压缩机浮环密封 统，完全可以实现“零泄漏”密封，适用于易燃、易爆、有毒和贵重 介质。 夺性能稳定、工作可靠，寿命可在2 年以上。 夺需要庞大复杂的辅助密封系统，增加了设备投资，一套浮环密封及其 辅助密封系统的投入可接近其主机成本的四分之一。 干气密封是端面密封的一种，即气膜螺旋槽端面密封。该密封由j o h nc r a n e ( 约翰克兰) 从6 0 年代末开始开发研究，到了8 0 年代初，已经完全达到实用 化的程度。从高速转动透平压缩机轴端密封的发展历史：迷宫式抽充气密封一 四川大学工程硕士学位论文 浮环密封一机械浮环组合密封或双端面密封一油膜螺旋槽端面密封一气膜螺 旋槽端面密封( 干气密封) 来看，目前干气密封是技术含量最高的密封a 实践表明，干气密封在很多方面都优越于普通接触式机械密封，它主要用于管 线、海洋平台、炼油厂、石油化工行业等，适合于任何输送气体的系统。由于 干气密封属于非接触式密封，基本上不受p v 值的限制，因此干气密封特别适 合作为在高速高压条件下的大型离心压缩机轴封净j 。干气密封的出现，是密封 技术的一次革命，气体密封的难题从此得以解决，而不再会受到密封润滑油的 限制【6 】。其所需的气体控制系统比油膜密封的油系统要简单得多。另外，干气 密封的出现也改变了传统的密封观念，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【7 】，可保证 任何密封介质实现零逸出，这就使得干气密封在更广泛的领域得到应用。 与接触式密封相比，干气密封有以下突出的优点： 夺端面非接触，寿命长，可靠性高； 令密封功耗低，节省能源； 夺省去了庞大的密封油系统，重量轻，占用空间小； 夺消除了密封油对工艺回路污染的可能性： 夺运行和维护费用低。 随着以可靠性为中心的维修策略逐步被越来越多的企业和公司所接受，人 们更多的关注是寿命周期成本【8 j 。虽然干气密封的采购成本高，但其使用成本 低，从而导致整个的寿命周期成本比使用其他密封低。何况，干气密封的卓越 的可靠性，避免了一些因密封而引起的潜在停车损失。所以，干气密封越来越 普遍的被使用在各种各样的压缩机上。 1 3 氧化碳装置天然气压缩机密封系统 1 3 1 压缩工艺 扬子乙酰的合成气装置生产一氧化碳，压缩工艺流程如图1 3 所示。从装 置外来的天然气，经过水分离器s - 3 0 2 之后，进入天然气压缩机c 一3 0 1 压缩增 压；然后进入加氢催化深度脱硫，防止转化炉催化剂中毒；最后天然气来到转 化炉与水蒸汽反应生成c o ，c 0 2 和h 2 。 四川大学工程硕士学位论文 图卜3 天然气压缩工艺流程 1 3 2 压缩机概况嘞 压缩机c - 3 0 1 由德国d e m a g ( 现在被s i e m e n s 兼并) 生产，其概况和 主要参数如下： 一 圭! ：! 垂鉴皇壁堕垫鲎塑 砷立 一。 进口压力 出口压力转速 进口温度 出口温度 型号生产商 段数叶轮级数 一 ! 亟生! ! 堂堡! ! 堡生! ! 堡盐! ! 塑盐! 一0 6 m h s bs i e m e n s 2 80 s m p a 3 , 1 m p a 1 6 4 1 2 r p m 1 9 c 1 7 0 。c 密封采用干气密封，型号和生产商信息如下： 型号：5 1 8 7 ”( 1 3 1 7 ) t 2 8b dt a n d e m 生产商：j o h n c r a n e ( 约翰克兰，以下简称j c ) 。 4 匝瞳磊【0-。 四川大学工程硕士学位论文 1 33 干气密封在使用中存在的问题 c 一3 0 1 自1 9 9 8 年1 1 月投运以来，到2 0 0 2 年1 0 月，短短4 年的时间，就 经历了两次干气密封泄漏故障，这大大短于厂家建议的5 年时间。每次拆机发 现干气密封的动、静环磨损严重，故障现象见图1 - 5 和图1 6 。 从这4 年的运行时间记录来看，第一次失效周期为1 5 1 2 0 h 左右；第二次 失效运行周期为1 1 5 2 0 h 左右；如果再加上出现故障后带病运行的时间，该机 组的拆机大修周期在2 年左右。 而与c 一3 0 1 相邻的c 一7 0 1 机组，其密封系统的结构与设计几乎与c 一3 0 1 完 全一致。而它们同时投入却使用至今无一次拆机大修，运行状况良好。所以， 查找c 3 0 1 干气密封的失效原因，成为维持扬子乙酰正常生产营运的主要课题。 1 4 研究课题的提出 1 4 1 潜在的设备风险 一旦干气密封受损严重到一定程度，会导致压缩气直接突破轴承缓冲气， 进入压缩机轴承部位，其结果是将污染c 3 0 1 s t 3 0 1 和一氧化碳压缩机和透平 c 一7 0 1 s t - 7 0 1 共用的油系统，危及相邻的一氧化碳压缩机和透平。 1 4 2 潜在的非计划停车风险 如果该压缩机机组发生非计划停车停机，将影响1 0 1 2 天的产量。其中检 6 阴川大学工程酚11 。学位论文 修时间为4 5 天，转化炉停车降温需要l 天，开车需要5 - 6 天。 该密封的损坏，对扬子乙酰的生产营运带来巨大的影响，是生产经营的瓶 颈问题，必须克服并加以解决。 1 5 主要研究内容及方向 扬子乙酰地处西南重庆，天然气化工为支柱产业之一。本文主要针对采用 干气密封的天然气压缩机，其密封失效的各因素进行分析、讨论论证，以找出 相应的对策，解决密封损坏问题以增强设备的可靠性，提高企业的经济效益。 结合天然气压缩机的密封结构和密封系统布置的特点，通过干气密封结构 和密封面损伤分析，查找干气密封附属系统、压缩机相关部件和审查天然气压 缩工艺流程查失效原因，并研究相应的对策。 蹦川人学1 二程硕士学位论文 2 扬子乙酰干气密封的基本结构和控制系统 2 1 t 一2 8 干气密封的特点 c 一3 0 1 所使用的密封型号为5 。1 8 7 ”( 1 3 1 7 ) t 2 8b dt a n d e m 。t 2 8 系列干气密 封是由j c 生产，目前使用得最广泛的干气密封之一。其型号系列为 t 一2 8 棚2 8 s t t 2 8 l d ，主要运用于以下场合： 呤t - 2 8 a t 用于高转速、高压力的大型压缩机或膨胀机或透平上。其中双 向螺旋槽型被定义为t 2 8 b d 。 冷t 2 8 s t 和t 2 8 l d 分别用于蒸汽透平和鼓风机上。 t - 2 8 b d 的使用条件： 夺温度：2 6 0 以下； 呤压力：8 2 b a r 以下； 冷线速度：1 8 0 r n s 以下 令尺寸范围：3 0 0 n u n 以下 2 2 密封的结构 2 2 1 螺旋槽形式 螺旋槽的形式有两种，如图2 - 1 和图2 - 2 所示。t 2 8 b d 串联式干气密封是 种操作可靠性较高的密封，该密封为双向螺旋槽型( 燕尾槽型) 忆双向螺 旋槽设计的优点在于压缩机反转对密封的完整性不会产生影响。 黪 图2 - 1 单向槽图2 - 2 双向槽 其中双向螺旋槽数为：1 1 为无论是双向螺旋槽或者是单向螺旋槽，气体径向进入螺旋槽之后向中心 四川1 人掌工程颂】学位论殳 并被压缩。当遇到密封坝时的阻挡时，就形成了轴向的气体推力。推力使静环 的弹簧被压缩，形成密封间隙。 弹簧力和气体的推力动态平衡时，动静环之间的密封间隙就稳定下来。一 旦动静环相互靠近，就会被变强的动压气体推开，保持动静环不会发生接触。 在没有静压力的情况下，即密封气还没有产生动压效果的时候，只要线速 度达到o 6 1 1 1 s 的时候，动、静环就会分离【9 】。所以，启动和停车的时候所产 生的磨损可忽略不计。 图2 - 3 燕尾槽型 图2 - 4 密封坝与密封堰 22 2 密封的结构和布置 由于压缩介质为天然气，允许 少量介质气体泄漏到大气中。所以， 内外两道密封之间没有迷宫密封， 也就少了一道密封气，如图2 5 所 不。 通常情况下内( 主密封) 密封 承担全部负荷，而外作为备用密封 不承受压力降，通过主密封泄漏出 的工艺气体被引入火炬燃烧。剩余极少量的未被燃烧的工艺气通过二级密封漏 出，引入安全地带排放。当主密封失效时，第二缴密封可以起到辅助安全密封 的作用，可保证工艺介质不会大量向大气泄漏。 干气密外侧与轴承箱之间有迷宫密封，迷宫密封中通入轴承缓冲气，阻止 润滑油进入干气密封腔。 囤措懈篇帮旷巾寒好世9-“匦 f一ri一【t十l4 镰 议嵇掣扑器删h扑k=雪 塑型盔兰三堡型二! 兰竺堡兰 2 3 千气密封的附属系统 干气密封动、静环之间气膜间隙很小，对单向螺旋槽而言，有2 1 0 9 m ， 而双向螺旋槽有2 8 9 m 【加】。所以，一旦脏的气体进入干气密封腔，会降低干 气密封性能，甚至损坏干气密封。因此，密封气的清洁程度要求比较高，所以 必须有一个提供干净密封气给干气密封的附属系统。 为了保证干气密封运行的可靠性，与干气密封相匹配的附属系统不仅要提 供干净的密封气，而且还需要一些仪表设备来监测控制密封的运行情况，使得 密封工作在最佳设计状态。同时，监测密封的运行情况和帮助故障的判断。 天然气压缩机c 3 0 1 正常运行时是由机组第一段出口端引出一股介质气， 通过过滤器c f - - 3 0 1 1 a b ( 并联，一用一备，过滤精度0 0 5 微米) 后成为干 燥、洁净的气体作为千气密封的缓冲气进入压缩机高、低压端的密封腔。本机 组两端的干气密封共用一套密封气系统。于气密封系统见图2 6 所示。 过滤器配置并列的两套，一用一备，过滤器前后的压差由压力表测出，当 压差达到一定值时，过滤器堵塞。通过切换，维修人员可以在线清洗过滤器而 保证干气密封正常运转。 密封气通过特定的压力调节系统来控制其压力，稍高于正常运行时的被密 封工艺介质压力1 0 0 k p a ，防止未经处理的工艺介质串入密封腔，保证密封腔 在非常洁净的环境下工作。进入密封腔的缓冲气的绝大部分通过梳齿密封回 到工艺气内。剩余的一小部分( 约1 o 2 0 n m 3 h ) 通过第一级干气密封的端 面漏出，称为一级泄漏气。初级泄漏经过一个开启阀门、压力变送器和限流孔 板，再送到火炬系统燃烧。一级泄漏气流的压力一般为0 0 2 m p a 以下，气流压 力过高达到0 4 m p a 时压力检测系统会出现报警，提醒工艺或维修人员该密封 已经受损；如果一级泄漏气流压力达到o 6 m p a 时表明干气密封完全失效，压 缩机将被被迫联锁停车以防止故障进一步扩大。 第二级干气密封作为辅助安全密封，虽然不承受介质的压力，但需要在适 当的压差( 大于2 0 k p a ) 下端面才可形成稳定的气膜而长期理想的运行】，系 统通过在一级泄漏气出口端设置节流孔板，计算出适合的孔径使其产生约 2 0 k p a 的背压来满足要求。惰性密封气作为第二级密封的密封气，进入二级密 封之后，一部分通过中间迷宫密封泄漏到一级泄漏管线，成为一级泄漏气的一 部分；另一部分通过二级密封的密封副，泄漏到二级泄漏管线，成为二级泄漏 叫川i 大学工程硕士学位论文 气，该气体对环境无害，不经过任何处理排向高点的安全地带。 为了将干气密封同轴承箱分开，在其间设置两道迷宫密封。两道迷宫密封 之间通入轴承缓冲气，阻止密封油漏入干气密封。轴承缓冲气的一部分经过内 侧的一道迷宫密封，漏到二级泄漏管线，成为二级泄漏气的一部分排到高点； 另一部分漏到轴承箱，进入油循环回到油箱时顶部排放。轴承缓冲气压力稍高 于轴承箱油压( 通常为大气压) 2 0 k p a ，形成一个性能可靠的阻塞密封系统。 该气体流量一般不超过2 0 n m 3 h 。 判断密封是否正常工作主要通过对一级泄漏气的监测来进行( 1 2 。一级干 气密封如出现异常，压力和流量会明显增大。如达到设定的高报警值，会通过 压力传感器传至控制室，发出报警信号，提醒操作人员检查控制系统压力是否 在设计范围。当气体泄漏量达到高高报警值时，表明干气密封已经失效，系统 连锁停车，保证设备不受损坏。 3 扬子乙酰天然气压缩机故障现象 扬子乙酰生产现场的天然气压缩机，其干气密封发生了多次故障。这些典型 的故障及采取的相应处理对策，对其它干气密封的用户在维护和使用千气密封 的过程中，有极强的借鉴和指导意义。当然，这些故障的发生跟我们的现场 实际情况是相密切关联的。 3 1 轴封结构 压缩机c 3 0 1 由德国s i e m e n s ( 原d e m a g ，被s i e m e n s 兼并) 生产 中分式缸体，8 级压缩。两段布置。如下图所示： 图3 1c 3 0 1 轴封结构 第l 段和第2 段各有4 个叶轮组成，每段的高压叶轮布置在压缩机缸体的 中间，平衡了大部分的轴向力。同时，高压端的轴封处压力不至于太高，相当 于第一段的出口压力或者第二段的进口压力。压缩机的进口压力5 b a r 左右：出 口压力为3 1 b a r 左右：第二段的进口压力为1 5 b a r 左右。为了平衡高压侧和低 压侧密封腔部位的压力，高压侧有两道迷宫密封，并且在两道迷宫密封之间引 出平衡管线，与压缩机的进口相接。这样，两端密封的压力环境是一样的。当 然。其目的是压缩机的两端密封具有互换性，并且由同一套密封净化系统提供 密封气。 删川大学工程硕j 二学位论义 3 2 密封气体流向 天然气的少量排放对环境没有影响，对人员也不产生伤害。所以，采用了 2 2 2 所述的密封缓冲气布置，用一道密封气来给串联密封提供密封气。即串联 的两道干气密封之间，没有迷宫密封：当然，也没有第二道惰性密封气。干净 密封气一部分进入机内，另一部分经过一级排放送火炬。 如上图所示，压缩机内的工艺气经过缸内迷宫密封向外泄漏，干气密封的 密封气的一部分经过轴迷宫密封向内泄漏，这两股气体混合在一起，经过平衡 管线，回到压缩机的进口。而低压侧，压缩机的内压力与吸入口压力相等，压 力较低，密封气经过唯一的一道迷宫密封直接进入压缩机吸入口。 在干气密封与轴承之间，安装有两道迷宫密封。两道迷宫密封之间通入轴 承缓冲气，阻止轴承润滑油进入干气密封。轴承缓冲气为低压氮气，压力为1 b a r 左右。一部分轴承缓冲器进入润滑油；另一部分与从外侧密封泄漏出来的干净 密封气一道排向二级泄漏管线到高点放空。 3 3 故障及分析方法 3 3 1 一级泄漏压力升高 o 4 o 3 垒0 2 - 鲤r 0 1 0 一o 1 日期 图3 2 高压侧干气密封一级泄漏压力的升高趋势一异常 型型查兰三望堕主兰堡堡苎 天然气压缩机c 3 0 1 于1 9 9 8 年底投入运行，运行到2 0 0 0 年7 月，高压侧 干气密封的一级泄漏压力开始升高，到1 1 月大修，一级泄漏压力就达到了 0 2 4 m p a 。而密封是否失效，是通过一级泄漏管线的压力变化来判断的。图3 2 为高压侧干气密封的一级泄漏管线压力p 1 4 3 4 6 的历史趋势的记录，通过该图 的变化趋势可监测密封的失效程度。 运行失效过程：从图3 2 中可以看到，从2 0 0 0 年7 月开始，密封的泄漏 量开始明显增加，但增幅较小。持续运行到8 月中旬初，因相邻装置开车，天 然气不足，压缩机吸入压力过低联锁停车。重新启动压缩机之后，密封泄漏压 力陡升。到1 1 月装置停车检修，该干气密封的级泄露压力达到了o 2 4 m p a 。 低压端的一级泄漏压力趋势见图3 3 ，可见低压端干气密封仍处于正常 工作状态。为什么同用一套密封供气系统的高、低压端的密封，低压端的密封 一级泄漏压力一直保持在初始状态，而高压侧就明显升高呢? 如图3 - 4 所示。 日期 图3 - 3 低压侧干气密封一级泄漏压力趋势一正常 2 】 0 1 o 0 0 o o 0 一 生r跹曩艇尉 l 删川大学工程硕十学位论文 0 4 o 3 星0 2 奋0 1 0 0 1 ： 阳 - 一c - 4 3 0 1n d e c 一4 3 0 1d e 日期 图3 - 4 高、低压侧干气密封一级泄漏压力变化趋势比较 3 32 迷宫密封损坏 在2 0 0 0 大修期间，打开c 3 0 i 检修时，我们发现： 夺干气密封室粉尘较多； 夺压缩机缸内与干气密封室之间的两道迷宫密封都有不同程度的损坏。 显然，缸内未经过滤的天然气直接进入了干气密封，加速了干气密封动静 环的磨损而产生了较大的泄漏。 3 3 3 查找故障原因的方法 在解决高压侧的干气密封故障的过程中，我们与干气密封生产商j o h n c r a n e 进行了故障讨论的同时，还跟国内某著名密封公司m f 的干气密封专家 进行了合作，从以下几个方面探讨密封失效的原因。 呤将备用的一套密封送到该密封公司进行解体测量密封尺寸和密封参 数，以此来确认是否存在设计不合理的原因。 令和j o h n c r a n e 道，重新审查了密封气附属系统的配最，找出了密封 气控制系统需要改进的地方。 冷压缩机本身的一些机构，如迷宫密封和平衡管等，与密封气共同作用， 形成干气密封稳定运行的环境，它们的完整性和可靠性与干气密封是 心j i i 大学丁程硕十学位论文 否能够正常运行息息相关。因此，相关的平衡管和迷宫密封对密封性 能的影响也值得研究。 夺密封换型探讨和天然气脱硫工艺审查。 p u 川大学t 程彤! 士学位论文 4 干气密封失效原因根源分析 4 1 千气密封设计合理性验证 鉴于该干气密封频繁出现故障，为了确认是否存在密封是否存在设计不合 理的原因。我们与国内的m f 公司进了合作，对原设计进行设计的合理性进行 研究。于是，我们将备用的干气密封送到该公司解体，测量了干气密封的相关 制造参数。之后，密封放到了密封试验台上进行密封性能测试。 在研究的过程中，我们测量了密封的以下尺寸： n g - 一螺旋槽数 b 旋转角 h 槽深 m 密封端面内半径 r g 槽底半径 r o 密封端面外半径 4 1 1 基本方程 对于干气密封中气体的流动过程，重力的影响可以忽略，而且由于气流很 薄，限制了流体的喘动，因此可用稳态条件下的纳维一斯托方程和连续方程描 述： 竺+ 竺+ 竺：0 缸却a z ”罢+ v 宴c y + w 老2 p 拿0 x + v i 鲁8 x + 雾+ 窘i 戚化 l 咖。出。l “宴t 2 x - + v 孚o y + 喀= 一古p 考+ 1 鲁o x + 争+ 窘i 虎咖 l 却出l “芸+ v 业a y + w 害一三p 望o z + 1 窑a x + 窘+ 害o z 缸瑟 f2 。却2 2 f 叫川大学丁程硕士学位论文 4 1 2 方程的解法 由于该方程的非线性性质，目前还不能获得其理论解。因此通常都是采用 数值解，其中常用的是有限差分法。采用有限差分法，先把计算域划分为若干 个有限控制体，用差商代替偏微分方程中的微商，得到代数方程，然后将代数 方程在控制体上离散，得到代数方程组，然后编制计算程序解方程组可得到结 果。 4 1 3 计算结果 由纳维一斯托方程所获得的压力分布解如图4 一l 和图4 2 所示【1 3 】。 图4 1 压力分布曲线图 图4 - 2 压力分布曲面 螺旋槽数n g = 1 1 螺旋角b = 1 7 0 槽深= 7 p m 间隙一4 m 开启力f = 2 0 1 k n 泄漏量= 1 3 n m 3 h 密封压力降= 2 5 m p a 根据以上图形可以看出，该密封的原密封槽设计所产生的动压效果十分理 想，在密封两端压力降为2 5m p a 的情况下，最大压力值可达到8 m p a 。 计算出来的密封气膜厚度，泄漏量与实际测试结果非常接近。所以，该密 封的原设计是没有问题的。那么，密封的故障原因与密封辅助系统有关。 心川大学工程硕士学位论文 4 2 密封气辅助系统布置的合理性调查 为了确证密封系统在设计上是否存在不合理、不完善的地方，我们不但与 压缩机生产商和密封制造商j o h nc r a n e 进行了合作和探讨，而且，在国内相似 机组也展开了调查和研究。 在合成气装置，与天然气压缩机相邻的还有一台一氧化碳压缩机机组，该 压缩机与此机组同为d e m a g 制造，并同时投运。而形成鲜明对比的是，从投 运以来，干气密封从未发生任何故障，运行时间已经超过5 0 0 0 0 小时。我们期 望通过对比这两台机组的密封气系统来找到引起干气密封损坏的原因。 421 一氧化碳压缩机的工艺参数和压缩流程 一氧化碳压缩机分为高压缸和低压缸，其工艺参数如下： 低压缸l p ： 表4 - 1一氧化碳压缩机低压缸参数 进口压力i l l u 压力转速 进u 温度出口温度 型号生产商段数n l - 轮级数 ! 堕堕! 垡生! ! 丝生! 堡生! 亟盐! 竺垒塑堕圣望型呈m 旦! 曼!鱼鱼：! 丛堕 ! ! 墅堕! 塑! 兰卫婴1 2 ：! z q ：曼 高压缸h p 表4 _ 2 一氧化碳压缩机高压缸参数 ， 进口压力出口压力 转速进口温度 出口温度 型号生产商 段数叶轮级数 。 。 ! 堂笪! 堂生! 堂生! ! 望盐! 塑生! 一0 6 m h 8 bs i e m e n s 240 5 m p a 3 1 m p a 1 6 4 1 2 r p m 1 9 。c 1 7 0 c 从冷箱出来的纯净的一氧化碳，经过滤芯式过滤器后进入一氧化碳压缩机 压缩，加压之后一氧化碳的一部分送到醋酸装置与甲醇反应生成醋酸之外，大 部分的c o 返回冷箱，作为冷媒维持冷箱的冷量。 叫川大学工程琐_ 学位论文 工艺流程示意见图4 3 。 图4 3c o 压缩机压缩工艺流程 4 2 2 密封气辅助系统 冷密封气辅助系统流程 无论是高压缸和低压缸，密封气辅助系统如图4 4 所示。 凹川大学工程硕士学位论文 图4 - 4c o 压缩机密封气控制系统流程 呤密封本体的结构比较 一氧化碳压缩机干气密封结构如图4 - 5 所示，天然气压缩机的干气密封的 结构如图4 - 6 所示： 显然，氧化碳压缩机的密封多了一道二级缓冲密封气。 - l ( 地f ( 女“ 培f | j | | 图4 _ 5 天然气压缩机密封结构 图4 6c 0 压缩机密封结构 四川大学工程硕士学位论文 夺密封气过滤器的滤芯型号 天然气压缩机的密封气过滤器中所使用的滤芯，其构成为不锈钢+ 玻璃纤 维：而一氧化碳压缩机密封气过滤器滤芯的构成为不锈钢滤芯。显然，它们的 作用有一定的差别。见图4 7 、图4 8 ： 图4 7 一氧化碳压缩机密封气滤芯图 8 天然气压缩机密封气滤芯 夺一级泄漏压力曲线 从2 0 0 0 年7 月2 6 日到1 1 月大修，c 3 0 1 高压侧干气密封一级泄管线的压 力发生明显的变化，其变化的趋势如图4 9 所示： 0 4 0 3 蒌0 2 r 出0 1 0 一o 1 日 期 图4 - 9 c 3 0 1 密封一级泄漏管线压力发展趋势一工作异常 四川大学工程硕士学位论文 一氧化碳压缩机投运以来，一级泄漏压力维持稳定。与c 3 0 1 相同时期的 一氧化碳压机高压缸高压端的干气密封，其一级泄漏管线压力的趋势如图4 1 0 所示。 o 0 2 善0 o l r 出 曩 触 甲0 一o 0 1 日期 图4 - 1 0 c 7 0 1 密封一级泄漏管线压力趋势一工作正常 将两种趋势放到一张趋势图中进行对比，如图4 - 1 1 0 4 o 3 耋0 2 裔o 1 o 一0 1 。一c 一4 3 0 tn d e 。一c 4 7 0 h pn d e 日 期 图4 _ 1 1 0 7 0 1 和c 3 0 1 密封一级泄漏管线压力趋势对比 2 4 巴型查兰三堡堡主兰篁兰苎一 4 23 对比分析 通过以上的论述发现，两台压缩机的密封系统所存在的显著不同的地方如 下： 夺密封气的道数 夺密封过滤器的选择形式 夺介质 下厩将从这三个方面来重点分析它们在密封系统中起的作用，以及它们对 密封性能有何影响。 一氧化碳为无色有毒的气体，处于有这种毒气的环境中会有下面的后果： 降低血液的供氧能力，头痛，疲劳。头晕目眩，精神迟钝，恶心，呕吐，烦燥， 惊厥，昏迷和死亡。因此，该气体不允许泄漏到大气中。并且，一旦一级密封 失效之后，二级密封必须能够起到安全保障的作用。 天然气为无色的可燃性气体，允许少量排放到大气，对人员和大气环境没 有危害。 所以，一氧化碳压缩机的干气密封与天然气压缩机的密封结构相比，在串 联的两级密封之间增加了一道迷宫密封，同时增加了以氮气为密封介质的密封 气。 因此，缺少一道二级密封气不是天然气压缩机干气密封失效的原因。 为何选用不同的密封气过滤器滤芯呢? 显然，这也是跟密封气的介质有 关。从前面讨论到的工艺流程来看，一氧化碳经过冷箱分离出来的物料，可以 近似的看作不含任何水的成份。因此，滤芯的选型完全可以不考虑吸收水份的 性能。而天然气经过脱硫工艺时，为了除尘，需加少量的喷洒水。因此，进入 天然气压缩机的天然气里面不但含有没有完全除掉的粉尘，还含有水份。所以， 不然理解为何选择带有玻璃纤维的滤芯了。鉴于此，也可以排除过滤器滤芯的 差异成为密封失效的原因。 无疑，介质的差异成为继续讨论失效原因的因素。 干气密封的失效，是一种机械失效，与一氧化碳和天然气的本身物质特性 的差异是没有关系的。如果有关系，将无法解释高压端密封损坏而低压端完好 的矛盾。 从打开的压缩机和两端干气密封部位的检查情况来看，高压端干气密封腔 四川大学工程硕士学位论文 和压缩机内存在大量的黄褐色粉尘，而低压端的干气密封腔较为干净。与一氧 化碳压缩机机组相比较，这是它们唯一不同的地方。因此，可以推断介质中存 在的粉尘可能是引起密封损坏的罪魁祸首。 4 3 迷宫密封和平衡管 4 3 1 压编气进入干气密封的途径 高压侧密封腔内发现有大量的粉尘，究竟来至于何处呢? 显然，有两个途 径： 夺密封气没有过滤于净： 缸内压缩气突破了迷宫密封和密封气的阻挡，进入了密封腔。 通过前面的分析以及高低压干气密封共用一套密封系统已经将密封气过 滤不干净的原因排除了。那么，剩下的唯一原因就是含粉尘的缸内压缩气泄漏 到了干气密封腔。 如图4 一1 2 所示，正常运行状况下，经过过滤的密封气进入干气密封腔之 后，分为两部分：一部分通过轴迷宫密封，阻止从压缩机缸内泄漏出来的天然 气进入干气密封腔；另一部分作为干气密封的密封介质，经过干气密封端面泄 漏至一级泄漏管线。 图4 _ 1 2 高压端密封气和缸内气的走向一正常状态 四川大学工程硕士学位论文 本文所讨论到的异常状态时，缸内气越过了轴迷宫密封，克服了密封气的 阻挡进入了干气密封腔。气体流向见图4 一1 3 。 图4 1 3 高压端密封气和缸内气的走向一故障状态 4 3 2 压缩气进入干气密封腔的原因 在拆机检查的过程中，发现缸内迷宫密封损坏。缸内迷宫密封为剖分式 由上、下两部分组成。在中分面位置发生的严重的冲刷见图4 一1 4 、图4 - 1 5 。 图4 - 1 4 缸内迷宫密封损坏情况图4 1 5 缸内迷宫密封损坏情况 当缸内迷宫密封损坏时，大量的压缩气泄漏出来，并对轴迷宫密封造成威 胁。当缸内迷宫密封磨损或损坏时，两道迷宫密封间与平衡管相接的空腔中压 四川大学工程硕士学位论文 力会上升，也就是轴迷宫密封的背压升高，背压的升高逐渐阻止了密封气向平 衡管线的泄漏。升高到一定程度时，密封气完全不能经过后轴迷宫密封向平衡 管泄漏了。而且，泄漏出来的缸内压缩天然气还会越过轴迷宫密封进入干气密 封腔。 4 4 改进密封附属系统一两种解决方案 根据密封气的作用和流向，我们提出了以下两种方案： 4 4 1 压差调节 密封气的作用主要有两点： 审一部分经过压缩机的梳齿密封向内泄漏，阻止未经过滤的不干净的工 艺气漏窜到干气密封腔，污染和损坏干气密封。 夺作为密封面的缓冲介质，避免密封面直接接触。同时，保持稳定的泄漏 量，将密封面间持续的剪切气流所产生的热量带走。密封气的流量必须充足， 才能保证密封气膜的稳定。对于密封气的压力，虽然对气膜刚度的