干气密封技术在炼油厂富气压缩机上的应用

4干气密封技术在炼油厂富气压缩机上的应用干气密封技术在炼油厂富气压缩机上的应用黄 兵 黄卫东中油股份乌鲁木齐石化分公司炼油厂，乌鲁木齐 830019关键词：富气压缩机 浮环密封 干气密封 效果1 概 述乌鲁木齐石化公司炼油厂蜡油催化装置所使用的富气压缩机为透平驱动的多级离心压缩机，由日本石川岛播磨公司制造，1975年1月出厂。型号为IHI-SULZER-RZ135。该机组为高转速连续运转设备，生产重要程度要求很高，且工艺介质易燃易爆，危险性大。这就要求压缩机密封系统可靠性好，密封泄漏小，寿命长。但该机组轴封采用的是较陈旧的浮环密封，存在着泄漏量大、对轴磨损严重、检修维护频繁、使用寿命短、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。乌石化公司有关人员经过反复研究和考察，决定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02年6月底炼油厂检修期间顺利安装完成，并于7月15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 压缩机原密封简介该压缩机原密封型式为两级浮环的组合式密封。靠富气侧为内浮环，大气侧为外浮环。（见图1）。内、外浮环均由防转销防止其随轴转动，而只可在轴上浮动。内外浮环之间由一组（4件）弹簧使其分别贴紧在浮环座的内外侧接触端面上，防止油从端面漏出。在内外浮环之间引入高于被密封工艺气压力约50KPa的封油。旋转时浮环与轴之间产生的微小间隙变化形成压力油膜，对封油产生节流降压作用而达到密封目的。封油通过浮环的间隙分别向内、外泄漏，内漏油由于被富气污染，需经油气分离器、脱气槽分离出有害气体后回油箱。外漏油则直接送回油箱。图1 浮环密封示意图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，但它的封液系统结构复杂，辅助设备以及电、仪等自控元件多，造成使用可靠性下降，维护、维修任务重,能耗高。而且其浮环内泄漏较大，停车时密封效果更差。同时，由于该机组的封油系统与滑油系统共用一油箱（浮环系统中较少采用），内漏的污油会混入润滑油使其品质下降而影响其性能。另外，该机组的浮环对轴还磨损较严重，所以迫切需要在轴封上给与改进。3 干气密封原理干气密封在结构上与普通机械密封基本相同。其重要区别在于，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。干气密封属于非接触式密封，基本上不受PV值的限制。它不需要密封润滑油，其所需的气体控制系统比油膜密封（机械或浮环密封）的油系统要简单得多。与普通的油膜密封相比，它更适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。综合起来，干气密封有以下主要优点： 去了密封油系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷；大大减少了计划外维修费用和生产停车；避免了工艺气体被油污染的可能性(工艺气泄漏量2Nm3/h)；密封气体泄漏量小（主密封氮气消耗量2Nm3/h；隔离氮气消耗量15Nm3/h）；维护费用低，经济实用性好；密封驱动功率消耗小（1.2kW/套）；密封寿命长，运行可靠（连续使用寿命三年）。4 密封设计及技术难点该机组于2001年9月停机，我们完成了现场测绘腔体及转子。结合原浮环密封的测绘零件图，发现该机组密封位置的轴向、径向尺寸及油孔位置较为特殊，使密封改造存在一定的难度。针对该机组的实际情况，在密封的总体结构及密封系统上做了有针对性的合理设计。机组安装轴瓦部位的腔体径向尺寸小于浮环密封壳体的外径。由于浮环本身外径较小，每次检修更换时，均可由轴端直接安装、拆卸，无需揭开机组上盖。改造为干气密封后，要保证检修更换时不揭大盖，只可将密封设计为分体式结构，分为外壳体和密封体两部分。第一次安装干气密封时，需揭开机组上盖，将密封外壳体装入。而干气密封装拆时可直接从轴端进行，无需再揭开机组上盖。安装密封的腔体部位轴向尺寸较短，不到100mm。密封设计须结构紧凑，即要求干气密封及后置隔离密封的轴向尺寸均较短。而通常的隔离密封型式为梳齿结构，要求足够的轴向尺寸才可达到效果。故此处设计采用的是碳环密封结构，且双端面干气密封共用一件动环，可缩短轴向安装尺寸，满足使用要求。原浮环密封没有转动零件，轴上没有供传动的键或销。改造为干气密封后，要满足密封转动部分的传动及轴向定位方式要求，而又不能更改机组的转子。所以设计上采用了楔型圈结构，在保证传动的同时也能做到精确的轴向定位。原浮环密封封油与润滑油共用。设计方案为取浮环密封的一个高位油箱参考气口作为缓冲气的入口，原封油入口作为隔离气入口。在隔离气管路上增加一安全阀，作为事故时的一个泄压措施。根据该机组的运行参数，用自主开发的专用软件设计出与之相配的最佳槽型曲线。最终的密封结构示意图见图2，图2为介质侧的面对面双端面静止式干气密封和大气侧（轴承箱侧）的碳环隔离密封组合的结构型式。图2 干气密封示意图双端面干气密封相当于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被密封工艺气体压力稍高（0.20.3MPa）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。这样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。外置的大气端（轴承端）的密封型式为碳环密封，可以避免轴承箱中的润滑油进入干气密封内，保证干气密封在洁净、干燥的环境中运行。由于干气密封在开停车时会产生接触磨损，因此密封的动环选用较高硬度钴硬质合金,而静环采用相对较软，具有自润滑性的碳石墨。动压螺旋槽加工在动环的端面上，运转时其产生的流体动压效应，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，使密封面分开形成稳定的有一定厚度和刚度的气膜，在非接触状态下实现密封。该结构具有高的可靠性，其工艺气对大气环境真正实现了零泄漏。而且通常采用氮气作为阻塞气体，极少的内漏量（小于1NM3/h）对工艺流体一般不构成污染，所以目前在石化及化工工业的引进机组中得到了较多的应用。该密封为整体集装式结构，出厂前已精密地装配成一体，通过定位法兰将动、静部分连接在一起，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，整体装入机组壳体内后取下定位法兰即可，安装简便可靠且定位准确，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进入密封，使密封的使用效果更容易得到保证。5 密封在现场的安装及运行6月30日密封安装完成。7月15日 12时，机组开车。在3000 r/min的暖机转速下运转 2小时，两端密封表现稳定，泄漏量约0.3NM3/h。 14时起压缩机开始升速，经过55分钟至11000 r/min，两端密封泄漏量同时增至0.6NM3/h。其间在14 时30分，由于流量的骤然变化，引起了机组的一次喘振，历时约3分钟，两端密封泄漏量同时增至满量程，但随着喘振的结束即缓慢恢复至正常值。至16时，机组运行进入稳定状态，密封腔温度亦稳定在65 左右，两端密封泄漏量随温度上升逐步下降，最终稳定在0.5NM3/h 。21日8时，因气源压力偏低，在调节氮气管路进气阀时，由于操作人员的不慎，中断了密封管道氮气的供给，历时约3分钟，使缓冲气与参考气管处富气的压差低报警，造成密封处于负压的危险状态，控制室显示泄漏量降为0NM3/h，但氮气气源恢复后，泄漏量重新回到正常值。24日，因突然停电，造成乌石化全厂停车，重新开车后，密封泄漏量仍为正常值。经过3次严峻的考验表明，该密封设计合理，具有极强的抗干扰能力，完全达到了预期的使用效果。6 结 论干气密封系统结构简单，无需密封油站，投资少，见效快。干气密封在IHI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。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。工艺气泄漏量0 Nm3/h；主密封氮气实际消耗量为2.1Nm3/h，略大于2Nm3/h的设计值，原因是机组本身存在缺陷，导致配合间隙漏量。但已基本满足使用要求；隔离氮气消耗量2Nm3/h；干气密封功率消耗1.2kW/套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。我厂目前没有一台机组使用干气密封，该机组干气密封改造成功后，将为我厂的机组密封系统提供一条极具价值的改造思路，如能在厂内进行广泛的推广，将会使我厂的机组运行管理水平上一个大档次，并产生较大的规模效益，能使我厂设备的连续运行周期延长，大大降低操作维护工人的劳动强度及密度，也能为我厂今后的改扩建工程的设备密封选型打下坚实的技术基础，其社会效益也是非常显著的。参考资料1 顾永泉流体动密封石油大学出版社2 顾永泉机械密封实用技术机械工业出版社3 有关风机的美国石油学会标准沈阳鼓风机厂4 干气密封原理及应用四川密封技术研究所5 Arvind Godse（印度）干气密封中国设备管理2